東莊水庫導流圍堰建設方案探析

白 銀，葛 蒙

（陜西省涇惠渠灌溉中心，陜西 咸陽 713800）

東莊水庫為陜西省第一大水庫[1]，目前正在建設。導流方案為一次斷流隧洞導流方式。為了確保導流工程安全順利建設，需對圍堰方案進行探討。

1 概況

東莊水利樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘、左岸發電引水系統、供水取水洞及防滲工程等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，壩頂高程804 m，壩頂長度372.48 m[2]。壩體體型為拋物線雙曲拱壩，頂拱拱冠梁厚度為11.5 m，底拱拱冠梁厚度為52 m。工程主體工程量為土方開挖約89萬m3，石方開挖約547萬m3，石方洞挖約64萬m3。

2 水文、泥沙條件

涇河是渭河的最大支流，干流總長455.1 km，河道平均比降2.47‰，流域面積45 421 km2[3]。多年平均年降水量499.1 mm，洪水最早出現在4月，洪峰流量較小，10 月受霖雨影響，亦有洪水發生，但量級較大的洪水一般出現在7—9 月上旬。涇河多年平均徑流量19.04 億m3，汛期7—9 月水量占全年的51%[4]。張家山水文站監測數據顯示，涇河多年平均輸沙量2.48億t，年均含沙量為144 kg∕m3。根據東莊水利樞紐工程建設設計報告，施工期不同頻率設計洪水詳見表1。

表1 分期不同頻率設計洪水m3∕s

3 導流時間順序

東莊水利樞紐工程規模為大（1）型，圍堰保護對象為1 級建筑物混凝土雙曲拱壩，工程下游為峽谷河道，無城鎮和工礦企業，若圍堰失事會淹沒基坑，對總工期及第一臺機組發電將造成較大經濟損失[5]。初期導流圍堰使用年限為2.5 a，圍堰高54.4 m，大于50 m，但堰前庫容2 100萬m3，小于1億m3。東莊水庫是陜西省在建的最大綜合性水利工程。按照施工進度，第三年10 月初截流，第四年和第五年汛期開始進行擋水導流洞泄流；第六年導流洞和導流底孔聯合泄流；第七年導流洞和1#導流底孔聯合泄流度汛；第八年大壩臨時擋水度汛，非常排沙底孔和泄洪中孔聯合泄流。

4 圍堰方案比較

壩址處河床狹窄，為“V”形河谷，無天然臺地和埡口可以利用，不具備分期導流或明渠導流的條件。兩岸地形陡峻，山體雄厚，基巖出露，具有良好的隧洞導流條件。根據工程地形，結合導流時間，特提出2種圍堰方案進行比較。

4.1 過水圍堰方案

初期導流標準為枯水期（10 月—翌年6 月）10 a一遇設計洪水流量，即957 m3∕s。導流洞1 條，長891.2 m，寬×高為12 m×14 m，頂拱角度120°，進口高程593.0 m，底坡3‰。導流底孔進口高程606.0 m，洞身斷面孔口尺寸5.5 m×10 m，出口處頂部進行壓坡，斷面尺寸為5.5 m×9 m。缺口進口高程630.0 m，寬60 m。上游圍堰堰頂高程608.5 m，迎水面直立，背水面1∶0.75，最大堰高28.6 m 。下游圍堰堰頂高程600.3 m，迎水面1∶2，背水面1∶1.8，最大堰高15.3 m。4.2 攔洪圍堰方案初期導流標準為全年10 a一遇設計洪水流量，即5 300 m3∕s。導流洞1 條，長912.5 m，寬×高為17 m×19 m，頂拱角度120°，進口高程593.0 m，底坡3.5‰。導流底孔進口高程606.0 m，洞身斷面孔口尺寸5.5 m×10 m，出口處頂部進行壓坡，斷面尺寸為5.5 m×9 m。無缺口。上游圍堰堰頂高程639.2 m，迎水面直立，背水面1∶0.8，最大堰高103.5 m。下游圍堰堰頂高程612.6 m，最大堰高27.6 m，迎水面1∶2，背水面1∶1.8，最大堰高40.5 m。

過水圍堰導流方案下，第四年和第五年汛期前壩體填筑高程達不到度汛前要求高程，大壩基坑汛期需要停工度汛。涇河多年平均含沙量144 kg∕m3，汛期多年平均含沙量212 kg∕m3，實測最大含沙量高達1 428 kg∕m3，壩面過水后處理困難，汛后清淤工程量大，基坑淹沒后處理時間長、費用高。與攔洪圍堰導流方案比較，工程總工期損失10個月，供水及發電效益損失12個月，而且施工導流程序復雜。根據資料統計，國內已建大型雙曲混凝土拱壩均在全年圍堰的保護下施工，通過工期、經濟等方面綜合比較，發現攔洪圍堰導流方案優于過水圍堰導流方案，因此推薦攔洪圍堰導流方案。2種圍堰方案優缺點比較，詳見表2。

表2 不同導流時段方案綜合比較

5 圍堰結構型式比較和施工

圍堰型式有碾壓混凝土和土石圍堰。東莊水庫壩址區河道狹窄、巖石出露，在壩下650 m 處河道向左60°拐彎。對于土石圍堰方案而言，經導流洞左、右岸布置比較，導流洞布置在右岸為宜。與碾壓混凝土圍堰方案相比，僅是導流洞進口靠上游一些。參考國內已建工程經驗，按照圍堰填筑高度不大于70 m 考慮，土石圍堰在一個枯水期填筑高度能夠達到70 m 左右。不同圍堰結構型式綜合比較，詳見表3。經過施工導流標準多目標決策模型對土石圍堰與混凝土圍堰分析，發現碾壓混凝土圍堰方案較優。經技術、安全、經濟等方面綜合比較，推薦上游圍堰為碾壓混凝土圍堰、下游圍堰為土石圍堰。

表3 不同圍堰結構型式綜合比較

5.1 上游圍堰

上游圍堰河床為“V”形河谷，左岸近直立，右岸略緩，兩岸基巖裸露，為巨厚層灰巖。總體而言，圍堰部位巖體溶蝕風化及卸荷作用不強烈，巖體較新鮮完整，強度較高，透水率較低，除F55 斷層外無其他控制性軟弱結構面，巖體抗滑和抵抗變形能力較強，作為壩基需對F55斷層進行處理，以滿足防止滲漏和變形要求。考慮圍堰處河谷狹窄和河床基礎巖石裸露，上游圍堰選擇碾壓混凝土圍堰型式，基礎坐落在弱風化下限巖石上。圍堰前水位為638.02 m，考慮安全超高與風浪爬高后，圍堰堰頂高程為639.20 m，頂寬5 m。圍堰迎水面邊坡直立，背水面邊坡為1∶0.8，最大堰高54.4 m，軸線長約103.5 m。

5.2 下游圍堰

下游圍堰河床為“V”形河谷，兩岸基巖裸露。總體而言，圍堰部位巖體溶蝕風化及卸荷作用不強烈，巖體較新鮮完整，強度較高，透水率較低，巖體抗滑和抵抗變形能力較強，但發育有數條裂隙，應注意裂隙切割形成塊體的穩定問題。圍堰采用土石圍堰，圍堰堰前水位為611.38 m，考慮圍堰安全超高后，圍堰堰頂高程為612.60 m，頂寬5 m。圍堰迎水面邊坡直立，背水面邊坡為1∶0.7，最大堰高27.6 m，軸線長40.5 m。

5.3 圍堰施工

河床基礎巖石裸露，上游圍堰為碾壓混凝土圍堰，基礎坐落在弱風化巖石上，下游圍堰為土石圍堰。

5.3.1 上游圍堰

上游圍堰主要工程量包括基礎開挖5.61萬m3，碾壓混凝土澆筑8.7 萬m3，固結灌漿211 m，接觸灌漿0.2萬m2。為了保證碾壓混凝土圍堰能夠干地施工，需要在上游修建土石子堰。子堰擋水標準流量為278 m3∕s（11 月—翌年5 月），此時洪水由導流洞下泄。上游子堰堰前水位為597.6 m，堰頂高程598.1 m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.8，最大堰高9 m。

根據施工進度安排，截流前進行右岸595 m 高程以上和左岸高程650 m 以上開挖；第三年10 月初進行截流，截流后10—11 月進行子堰施工，第四年1月底完成岸坡開挖，第四年3月中旬完成圍堰基礎處理，第四年3 月中旬—第四年6 月進行碾壓混凝土圍堰施工。

右岸岸坡采用淺孔梯段爆破，臺階高度為5.0 m，上部開挖以手風鉆鉆孔為主，下部以潛孔鉆機鉆孔為主。左岸岸坡采用淺孔梯段爆破，臺階高度為5.0 m，采用手風鉆鉆孔。開挖石渣采用人工膠輪車倒渣至下部河底。下部采用2 m3反鏟挖掘機進行水下清渣，15 t 自卸汽車運輸至渣場。圍堰基坑開挖深度10 m，開挖高程為595～585 m，平面開挖尺寸為25 m×47 m，開挖量為17 520 m3。初步考慮采用分層淺孔梯段爆破開挖，分層高度為5.0 m。根據開挖平面尺寸，將開挖面分成4個分區進行開采，單區平面尺寸約25 m×12 m。采用手風鉆鉆孔，實行毫秒微差爆破和邊坡預裂爆破。開挖石渣采用2 m3挖掘機裝渣，15 t 自卸汽車運輸至渣場。

圍堰基礎主要進行固結灌漿，灌漿孔總長度為211 m。灌漿孔布置為2 排，每排9 個灌漿孔，間距3 m，孔深10 m。固結灌漿分兩序進行，鉆孔采用地質鉆機鉆孔，灌漿采用BW150 型灌漿泵灌漿，漿液在現場有400 L泥漿攪拌機拌制。

5.3.2 下游圍堰

下游圍堰主要工程量有土石混合料填筑6.76萬m3，土工膜鋪設0.3 萬m2，圍堰拆除6.76 萬m3。利用1#路接支線下至河床底部，土石混合料填筑采用2.0 m3液壓正鏟挖掘機挖裝、15 t 自卸汽車運輸、后退法卸料、88 kW 推土機平料，同時以14 t 振動碾碾壓6～8遍。

6 結語

東莊水庫導流圍堰保護對象為混凝土雙曲拱壩，初期導流圍堰使用年限為2.5 a，經過圍堰方案和土石、混凝土等不同結構型式圍堰的技術經濟綜合比較，最終選定上游圍堰為碾壓混凝土攔洪圍堰、下游圍堰為土石攔洪圍堰，為工程實施提供了科學依據。