西域礫巖峽谷地形條件下的水庫工程技術方案研究

萇登侖

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

西域礫巖廣泛分布于新疆的天山、昆侖山山麓地帶[1]。西域礫巖屬軟巖，具遇水軟化、崩解特性[2]，巖性較差，其所在河道地形多呈河谷深切，岸坡陡立的特點，形成峽谷地形特征。為滿足樞紐布置、交通及高邊坡穩定等要求，岸坡開挖工程量一般較大。但過量的開挖可能造成挖填失衡，形成大量棄土、棄渣，給環境造成不利影響，巨大的開挖量增加了工程投資，使得工程經濟指標下降，因此，在這種峽谷地形條件下，樞紐布置、建筑物型式如何選取，高邊坡、卸荷裂隙、沖溝問題如何采取適應性措施策略，才能適應不利的地形條件，保證工程安全，值得研究。迪那河五一水庫工程壩址區地層巖性以西域礫巖為主，地形條件為典型的峽谷地形，工程設計中所遇到的問題在類似水利水電工程中相比較為突出。

1 工程概況

迪那河流域位于新疆中西部，地跨新疆巴音郭楞蒙古自治州的輪臺縣與阿克蘇地區庫車縣。出山口以上流域面積1615km2，出山口以上河道長度約85km。迪那河徑流補給以高山冰雪融水為主、降水和泉水次之。

迪那河五一水庫樞紐工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顧發電等綜合效益。水庫工程由大壩、溢洪洞、導流兼泄洪沖砂洞、發電引水系統和供水管線等主要建筑物組成，水庫正常蓄水位1370.0m，最大壩高102.5m，總庫容0.995億m3，調節庫容0.591億m3，為不完全年調節水庫。工程規模屬中型，工程等別為Ⅲ等；大壩為2級建筑物，泄水建筑物、發電引水建筑物、供水管線建筑物為3級，次要建筑物及臨時建筑物為4級。工程區地震基本烈度為Ⅷ度，大壩設防烈度Ⅷ度，其他主要建筑物設防烈度Ⅷ度。工程建設總工期4年，總投資為10.97億元[3]。

2 壩址地形條件及設計難點分析

五一水庫壩址是可行性研究階段的推薦壩址。壩址位于出山口以上5km處的峽谷河段，天然河道順直，呈U型河槽，河谷岸坡高度70～87m，河谷底寬30～50m，岸坡坡度70°～85°，坡腳局部倒懸。壩址區階地發育，尤以左岸突出，右岸階地在峽谷入口下游900m以后的逐漸消失，右岸岸坡陡崖聳立，高度達150m以上。根據勘查，壩址區規模較大的卸荷裂隙有4條，其中3條位于左岸岸坡頂部，1條位于右岸壩肩，其長度95～105m，深度30～60m。壩址區較大沖溝集中在右岸，分布在壩軸線上、下游側，間距200～400m不等，與河流垂直或斜交。壩址區地層巖性單一，為第四系西域礫巖(Q1)，呈厚層狀，巖體完整性較好，具備建庫建壩的地質條件。

由于河道彎曲與順直情況、河槽寬度、岸坡陡緩程度、岸坡卸荷體及沖溝發育等情況，對樞紐布置、建筑物選型、施工組織設計、交通等產生重大影響，因此，工程設計著重對河道地形條件下的樞紐布置、交通方案及建筑物選型等問題進行技術比選研究。河道地形條件給工程設計帶來的問題主要有：

(1)河谷狹長、岸坡陡峭，交通制約因素大。壩址區兩岸岸坡卸荷裂隙和沖溝發育，其下游右岸山體高聳，均無布置跨河交通的地形條件。峽長的河谷也無可利用的地形布置永久進廠道路。

(2)可利用河段長度嚴重不足。壩址河段全長約500m，其中適合樞紐建筑物布置的河段長約250m。對于壩高102.5m的大壩，該河段長度對壩線選擇來說較為不足，但同時還需考慮上游圍堰及下游的電站廠房等建筑物的布置。

(3)峽谷河段寬度嚴重不足。狹窄河谷產生的拱效應能夠造成防滲體拉裂或擠壓破壞，造成防滲性能下降。由于下游壩坡坡面寬度不足，不利于上壩道路布設；壩后廠房、導流兼泄洪沖砂洞出口段建筑物及工業供水進口段建筑物布置困難；溢洪洞出口段建筑物布置困難。

(4)高邊坡問題。水庫蓄水后，庫岸卸荷體垮塌造成的涌浪，或造成進水口堵塞，都可能嚴重威脅工程安全。工程建成后，泄洪、發電水流對岸坡坡腳浸泡、沖蝕，造成岸坡垮塌，由于岸坡高陡，塌方量大，極易阻塞河道形成堰塞湖。

(5)沖溝問題。沖溝內洪水、泥石流會對大壩坡面和岸坡坡面造成沖蝕、掏刷破壞，也極易沖毀位于沖溝下部的建筑物。其中位于壩軸線下游230m處的較大沖溝，處于電站廠房及工業供水進口段頂部，必須采取措施保證建筑物安全。

3 不利地形下的技術方案研究

3.1 壩線方案選擇策略

壩址位于峽谷入口以下河段，全長約500m，其中前段400m存在較小彎道，凸岸在左岸。壩軸線布置時考慮避開左岸上下游卸荷裂隙，選擇壩肩基巖穩定區域；右壩肩避開右岸沖溝的影響，位于兩條相距約200m沖溝之間較完整的巖體上；由于峽谷進口段地形開闊，上游圍堰盡量縮進峽谷，以減少填筑工程量；大壩下游坡腳右岸的沖溝，經邊坡開挖后的空間可滿足廠房的布置，廠房不宜再向下游移動。經過綜合考慮，壩軸線最終確定在峽谷入口下游約300m的位置。上游圍堰與壩體結合，其軸線布置在峽口進口處下游150m處；電站廠房回填高程以下與壩體填筑區重合，廠房與下游壩坡靠緊布置；考慮峽谷進口左岸山體作為泄洪、發電引水建筑物進口；彎道末段左岸作為導流兼泄洪沖砂洞的出口段；溢洪洞出口位于廠房下游約350m的左岸山體。

3.2 壩型方案優選

壩址區河谷狹窄，呈U型河槽，兩岸谷坡基本對稱，山體寬厚，從地形條件來看適合修建混凝土壩壩型。但在彈模僅500MPa的沙礫巖上修建混凝土壩，在國際上也屬于史無前例。壩址區地層西域礫巖巖性屬軟巖，巖性單一，呈厚層狀，巖體較完整，適合布置土石壩。考慮從面板壩、粘土心墻壩及瀝青混凝土心墻壩3種壩型中優選。

(1)混凝土面板壩

混凝土面板壩壩體填筑量較小，在一個枯水期將壩體臨時斷面搶筑至度汛水位以上，簡化導流度汛的程序和導流建筑物的規模。但是狹窄、高陡河谷的地形條件使得兩岸混凝土趾板布置非常困難，沿混凝土趾板線和兩壩肩范圍內均存在著邊坡開挖量大、高邊坡處理范圍廣的問題，邊坡處理和壩體填筑施工干擾大，不但施工工期長，工程投資也大。此外，資料表明，建在狹窄河谷的高混凝土面板堆石壩均出現了很大的壓縮裂縫和剪切裂縫[4]。

(2)粘土心墻壩

壩址區河谷狹窄、高陡，尤其是主河床壩段與兩岸階地壩段變坡較大，粘土心墻容易產生裂縫，需采取工程措施，如放緩心墻兩側邊坡坡度，選用中厚型粘土心墻，加大心墻的底寬等措施，以減輕拱效應，避免產生裂縫。但其不利因素較為明顯：心墻最大底寬達到64m，兩壩肩心墻防滲體范圍內的壩肩開挖和邊坡處理量大，范圍較廣，施工干擾較大，工期較長；粘土心墻壩方案由于用料品種多、數量大，過多開挖導致棄渣量大，環保、水保投入高；另外，土料場為耕地，在征地方面難度較大。

(3)瀝青混凝土心墻壩

近年來，新疆水利工程中瀝青混凝土心墻壩獨樹一幟，有多座在高嚴寒、高海拔、高地震烈度、深厚覆蓋層、多泥沙條件下建設的瀝青混凝土心墻壩[5]。瀝青混凝土防滲墻自身具有較強的變形能力[6]，在主河床壩段與兩岸階地壩段變坡較大處，瀝青混凝土可選用高塑性、適合較大變形的配合比[7-8]，因此對不均勻沉降有更強的適應能力。瀝青混凝土防滲體體積較小，心墻基槽寬度不足粘土心墻的1/5，引起高邊坡處理的范圍及工程量遠小于粘土心墻，壩體填筑與邊坡開挖工程量較小，施工干擾小，施工工期短。該方案投資與粘土心墻壩接近，比面板壩少2640萬元。

經綜合比選，瀝青混凝土心墻對峽谷地形條件的適應能力更強，施工工期、工程投資方面也占優勢。因此，選擇瀝青混凝土心墻壩壩型。

3.3 樞紐布置方案優選

樞紐布置方案包括了建筑物布置型式和永久交通型式兩方面的優選。

3.3.1建筑物布置型式優選

樞紐布置方案選擇泄洪發電引水系統左右岸分開布置、左岸集中布置及表孔臺地溢洪道的布置型式。將泄洪、發電引水系統布置于右岸，凹岸的地形條件使得泄洪、發電引水系統洞線增長，發電洞要以明洞型式穿越右壩肩上游沖溝，施工困難，邊坡開挖工程量大；跨河交通等臨時措施投入較多，須增設3座臨時鋼橋，其中跨越河谷的斜拉鋼橋跨徑80m，布置在壩軸線下游與廠房之間的高邊坡頂部，施工難度過大，費用高。河道下游轉彎段據壩軸線較遠，臺地溢洪道泄槽段長度太大，雖然開挖量較小，但混凝土、鉛絲石籠護砌工程量大，河道岸坡高陡使得溢洪道陡坡段落差較大，帶來巨大土石方開挖及混凝土澆筑工程量，表孔只有選擇洞室型式才能節省投資。因此，泄洪、發電引水系統均以洞室型式集中布置于左岸山體。

3.3.2永久交通型式方案優選

在峽谷地形條件下，永久進廠道路可以有如下選擇：①通過大壩下游壩坡的“之”字型道路進廠，②通過交通洞進廠，③通過開挖邊坡形成“之”字型道路進廠。三種方案須考慮與大壩填筑的臨時交通相結合。

在壩址區峽谷空間尺度下，在大壩下游增設“之”字型道路產生巨大的開挖量，是不現實的，因此不予選用。在大壩下游坡面設“之”字型道路，壩后兩岸岸坡也產生巨大的開挖量和壩體填筑量，是不經濟的，也不予選用。

從左岸階地修建交通洞進廠的布置方案洞長約1300m，高差87m，臨時交通洞總長約1202m，永久交通洞須作全斷面襯砌。導流兼泄洪沖砂洞出口段左岸存在一條長65m，深60m的卸荷裂隙BⅡ，出口段開挖本身是結合對該卸荷裂隙處理進行的，如在其基礎上擴挖即可形成進廠道路，施工期上壩路則結合下游壩坡左岸左岸邊坡開挖，增加馬道寬度形成，該方案工程投資較交通洞方案低約2100萬元。故選用邊坡擴挖形成“之”字型進廠道路方案。

3.4 建筑物布置策略

根據樞紐布置總體方案，泄洪、發電引水系統布置于左岸山體，建筑物較為集中。但建筑物布置仍面臨河槽順直，河道寬度不足兩大難題，必須采取相應的策略措施予以解決。

3.4.1針對河槽順直的策略措施

解決河道順直的策略措施主要是充分利用彎道[9]。發電洞是有壓洞，可設置彎道轉彎。將導流兼泄洪沖砂洞的事故門和工作門分開設置，在兩個閘井之間的有壓洞段設置彎道，實現發電洞、導流兼泄洪沖砂洞進、出口位置的互換，使得廠房布置于右岸沖溝開挖后的預留位置，而導流兼泄洪沖砂洞出口段靠近左岸布置，順直接入河道。溢洪洞洞身段中部從“之”字形進廠道路外側的山體通過，為了保證洞身旁山厚度，考慮洞線較為順直接入河道，同時避免溢洪洞出口段左岸產生過大開挖量，在控制段與進口引渠間設置了32°的彎道。

3.4.2針對河道寬度不足的策略措施

河道寬度不足在溢洪洞出口段最為突出。溢洪洞出口段河谷寬度30～50m，岸坡陡立，高度62～82m。若采用“晚出洞”型式，出口段建筑物將占用大部分河道，嚴重影響河道過流，若采用“早出洞”，又將大幅增加開挖工程量。為了將明渠末端控制在岸坡坡腳處，設計中采用了懸柵、梯形消能墩結合的新型輔助消能工[10]，使消力池長度縮短了21m，將消力池擴散段前段24.5m移至洞內，形成“晚出洞”布置型式，節省石方開挖量84萬m3。

3.5 高邊坡處理策略

3.5.1聯合進水口高邊坡處理策略

聯合進水口位于峽谷進口左岸山體，結合建筑物進口高程，從岸里向岸外依次布置導流兼泄洪沖砂洞進口段、發電洞進口段及溢洪洞進口引渠前段，并開挖形成聯合進水口。

原始地形地質條件為：庫岸自然邊坡近直立，高84m，陡坡頂部發育BⅠ卸荷巖體，其走向與岸坡近平行，水平長度105m，水平寬度5～9m，垂直深度60m。岸坡巖體上部為Q1西域礫巖，下部N2q地層為泥巖、砂礫巖、泥質砂巖互層，單層厚0.4～4m，并與西域礫巖整合接觸。Q1西域礫巖形成時代新，成巖作用差，強度低，水庫蓄水后，在庫水淘蝕作用下會產生坍塌及岸坡再造現象，嚴重時將危及工程安全。泥巖遇水軟化，強度基本完全喪失，可能加速邊坡失穩或是邊坡失穩的誘因[11]。

BⅠ卸荷巖體絕大部分處于聯合進水口的開挖范圍內，其尾部采用補充開挖卸除上部荷載，以解決BⅠ卸荷巖體的安全隱患。為保證高邊坡的穩定性、節省開挖量，設計中采用“坡頂削坡減荷、坡腳堆料壓重、中部混凝土置換泥巖層、坡面整體噴錨防護”的高邊坡綜合處理方法[11-13]，其穩定安全也得到了計算驗證[14]。

3.5.2壩后高邊坡處理策略

壩后高邊坡處理同時應考慮沖溝、卸荷裂隙的問題。采取的措施策略主要有：

(1)開挖。解決高邊坡問題最有效的方法是開挖，但過度開挖造成投資劇增，不可行。在卸荷裂隙發育岸坡，邊坡開挖主要是與建筑物開挖結合。利用壩軸線下游兩處凹岸分別布置導流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞出口段，這兩個凹岸存在BⅡ、BⅣ卸荷巖體，導流兼泄洪沖砂洞左岸經“之”字型進廠道路擴挖后，將BⅡ卸荷體全部挖除；壩軸線下游235m處(廠房右岸)的沖溝規模較大、卸荷裂隙發育，對其溝口邊坡采取全部挖出的策略。在巖體整體性較好的岸坡，采取不開挖或僅對其上部作削坡處理(減載)，工業供水進水口岸坡巖體完整，對其上部三分之一高度岸坡進行削坡處理；BⅣ卸荷體位于溢洪洞出口段下游，結合溢洪洞左岸開挖，將其上部挖出，其下部穩定性較好，不再挖除。

(2)護腳。采用混凝土重力擋墻與噴錨支護結合的方式對岸坡坡腳進行防護，防止水流對岸坡坡腳掏刷。導流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞出口段均位于左岸，河道右岸岸坡坡腳防護尤為重要，其范圍包括從導流兼泄洪沖砂洞出口明渠末點至溢洪洞出口下游350m河道大轉彎段，長約750m；河道左岸護腳范圍包括從導流兼泄洪沖砂洞出口明渠末點至溢洪洞出口邊坡開挖末點，長約460m。

(3)擋水。在高邊坡頂部做防洪堤，阻擋高邊坡頂部階地匯水，減輕對高邊坡坡面的侵蝕、沖刷，防洪堤同時考慮攔斷沖溝向河道排水，將沖溝內洪水也通過防洪堤導向下游河道，保證壩坡、岸坡及其下部建筑物安全。

4 結語

西域礫巖地層下的峽谷地形，對工程設計具有挑戰性。通過對不同方案的比選研究，優選出適合該地形條件的樞紐布置方案、建筑物型式、高邊坡處理方案等，采取的策略措施主要有：

(1)針對河道寬度嚴重不足的策略：采用了適應不均勻沉降能力強的瀝青混凝土心墻壩型；采用新型消能工、“晚出洞”及洞內擴散段的型式，縮短溢洪洞出口段的長度，避免建筑物占用河道有效過流面積。

(2)針對河道長度嚴重不足的策略：采用上游圍堰、廠房填筑區與壩體結合，建筑物布置緊湊，有效縮短上下游建筑物的總長度。

(3)針對針對河道順直的策略：充分利用有壓洞、明渠彎道，通過空間轉換，實現合理樞紐布置。

(4)針對高邊坡處理策略：建筑物邊坡開挖時兼顧卸荷裂隙處理，兼顧永久交通問題，高邊坡問題應采取綜合處理措施保證其穩定性。

目前，迪那河五一水庫工程大壩施工基本完成，高邊坡處理已經完成。監測結果顯示，大壩瀝青混凝土心墻應力應變在允許范圍內，大壩沉降變形小于計算值，高邊坡位移值滿足設計要求[15]。但隨著水庫下閘蓄水，聯合進水口高邊坡、大壩瀝青混凝土心墻需要跟蹤監測分析。