3.3　招标设计阶段及其以后的坝型优化

3.3.1　招标设计阶段的坝型优化

小浪底水利枢纽工程初步设计文件经水利预审通过后，对坝型进一步优化。随着设计工作的不断深入，初设推荐的坝型暴露出下述问题。

（1）如前所述，水平内铺盖处于坝基双重防渗体系的关键部位。采用斜墙和内铺盖，在坝体上游形成了一个软弱带，它控制着大坝上游坡的稳定。尽管上游坡已放缓到1∶2.75，仍需加宽拦洪围堰顶至70m，才能使坝坡稳定安全度满足要求。

（2）为确保防渗体系的可靠性，水平内铺盖厚达25m，上游施工围堰也以土料为主。这就要求在截流后四个月内填筑黏性土270万m3，坝高上升50m，再加上混凝土防渗墙施工，工期紧、风险大。

（3）混凝土防渗墙设在上游围堰下，拉长了坝基防渗线，帷幕灌浆和基础处理工作量大。

针对上述问题，在总结以往设计的基础上从下述三个方面进行比较论证：

（1）初设推荐的方案。

（2）主防渗墙移至斜墙下，减薄水平铺盖，上游围堰改为斜墙防渗的方案，简化围堰下防渗墙的方案。

（3）斜心墙下做混凝土防渗墙，不设内铺盖方案。

补充研究了以下三个方案：

（1）初设改1方案。上游围堰下设一道厚0.8m的高压旋喷桩混凝土防渗墙，上游围堰改为斜墙，主坝斜墙和水平铺盖同初设推荐坝型。

（2）初设改2方案。主防渗墙移至斜墙下，墙厚1.3m。上游围堰改为斜墙，围堰斜墙下设高压旋喷桩墙。水平内铺盖厚度减为10m。

（3）斜心墙方案。斜心墙底部设一道混凝土防渗墙，厚1.3m，取消内铺盖，改陡上游坝坡。上游围堰同初设改2方案。

初步设计阶段基本坝型典型横剖面见图3.3－1。

上述三个改进方案各有特点，其中初设改1方案为坝基以水平防渗为主、垂直防渗为辅的双重防渗体系；初设改2方案为坝基以垂直防渗为主、水平防渗为辅的双重体系；而斜心墙方案为单一垂直防渗体系。

设计推荐初设改2方案。初设改2方案简化了围堰下防渗墙，减薄了水平铺盖厚度，大大缓解了截流后坝体填筑工期紧张的矛盾。考虑到尽量降低主防渗墙的施工难度，为避开河床砂卵石覆盖层深槽，仍采用了斜墙和水平内铺盖，因此该方案仍还存在初期施工黏土填筑面积大，填筑强度低的问题。

调查研究认为利用混凝土防渗墙进行坝基防渗处理已积累了丰富的经验，以混凝土防渗墙为主的防渗措施是可行的。同时考虑到黄河水沙特点和小浪底工程的实际情况和重要性，另外混凝土防渗墙结构在理论上仍有一些不清楚的问题，而小浪底大坝无论坝高和规模均超过了所有类似的工程，设置内铺盖与天然淤积铺盖相接作为第二道防线是合适的。同时，着重对以下两个方面进行了研究。

（1）研究内铺盖材料提高抗剪强度的可能性。

（2）研究适当改陡斜墙边坡的可能性。

这两项研究工作的主要目的是提高上游坝体的稳定性和抗震性。

提高上游坝体稳定性和抗震性的最有效措施就是改陡主坝斜墙边坡，即改成斜心墙或心墙，增大上游堆石坝壳。只有这样才有可能将水平内铺盖改为沿施工围堰下游上爬的内铺盖，从而消除了水平内铺盖控制上游坝体稳定的不利因素。但这样一来势必将主防墙移至河床砂卵石深槽部位，增大了混凝土防渗墙的施工难度，因而在这种特定条件下能否建造成质量可靠的混凝土防渗墙成为研究设计合理坝型的难题之一。实际上，在以往各设计阶段都曾研究过斜心墙或心墙用上爬内铺盖同坝前泥沙淤积连接心墙下设混凝土防渗墙的坝型，之所以没有作为推荐坝型提出，也是考虑到在小浪底坝址河床砂卵石覆盖层的特定条件下，混凝土防渗墙施工难度和成墙质量的可靠性这一因素。

研究过程中，又对国内外混凝土防渗墙的施工技术水平，机械设备的发展做了大量的调研分析，了解到20世纪90年代初的混凝土防渗墙施工技术水平和机械设备比80年代相比有较大的提高和发展，通过国际招标利用国内的经验技术、国外的先进设备和施工工艺，存在建造高质量混凝土防渗墙的可能性。

在这种条件下，有可能将坝基防渗墙位置向下游移，将斜墙改为斜心墙，从而增加上游坝壳厚度提高坝上游边坡的稳定性。同时，有可能将水平内铺盖改为沿上游围堰下游坡上爬形式的内铺盖，即可以缓解因土料填筑面积大，填筑速度低而造成的截流后工期紧张的矛盾。

经多次设计优化，最终确定坝型的典型断面见图3.3－2。其主要特点是：

（1）采用以垂直防渗为主、水平防渗为辅的双重防渗体系。斜心墙下设主混凝土防渗墙，墙厚1.2m。上游围堰下混凝土防渗墙仅作为施工期临时防渗措施，深槽部位采用塑性混凝土防渗墙，左岸浅覆盖层即主流截流龙口段和塑性墙墙顶接高压旋喷桩墙，塑性混凝土防渗墙从深槽向右延伸一定长度，右岸覆盖层利用天然铺盖防渗。以内铺盖、围堰斜墙和淤积铺盖为辅助防渗体系，可以弥补作为垂直防渗体系的主防渗墙可能达不到预期防渗效果的缺陷。

（2）堆石坝壳分区设计定义明确。在初设及以前各设计阶段，考虑到除出口消力塘外，引水泄水建筑物开挖石碴料主要为三叠系、岩层料，与石门沟料场石料相同，因此没有对堆石进行明确分区。在优化设计过程中，根据坝体各部位的结构特点，将堆石坝壳明确分区，并对各区材料提出了不同要求。为能更有效地利用开挖料，同时考虑到枢纽其他建筑物开挖与大坝施工将分属于不同标，开挖料质量不易保证，在下游坝壳内增加了4C区。

招标设计最终选定坝型与初设推荐坝型相比主要有以下优点：

（1）坝基防渗由以水平防渗为主，垂直防渗为辅改为以垂直防渗为主，水平防渗为辅的方案后，提高了大坝防渗的可靠性。

（2）斜墙改为斜心墙后增大上游堆石坝壳，提高了坝体抗滑稳定性和抗震性能。

（3）水平内铺盖改为上爬内铺盖，消除了坝体下部软弱带，提高上游坝坡稳定性，从而改陡了上游坝坡，将上游围堰顶部宽70.00m的平台变为20.00m，坝体填筑方量减少约5.3%。

（4）主坝混凝土防渗墙移至斜心墙下，使大坝防渗线缩短约530.00m，帷幕灌浆进尺减少约39%。

（5）通过上述优化，尤其是上游围堰改为斜墙，水平内铺盖改为上爬薄内铺盖后，减少了施工难度，使截流后施工工期紧张问题得到解决。

土石坝平面见图3.3－3。

3.3.2　坝前泥沙淤积防渗的补充论证

（1）泥沙淤积的速率及形态。高含沙量是黄河来水的主要特征之一，也是与其他河流来水最根本的区别，因此，坝前泥沙淤积对大坝的影响是大坝设计必须考虑的因素。对小浪底水库而言，考虑三门峡水库和小浪底水库联合运用，经计算分析，50年年平均入库水量311.2亿m3，汛期平均167.7亿m3，非汛期平均143.6亿m3；年平均入库沙量13.32亿t，汛期平均13.13亿t；年平均含沙量42.5kg/m3，汛期平均78.3kg/m3，非汛期平均0.72kg/m3。

最终坝前淤积形成高滩深槽的淤积形态，靠右岸为滩面，淤积高程254.00m，靠左岸为深槽，淤积底面高程230.00m。各个不同时期的滩面淤积高程见表3.3－1。就悬沙而言，小浪底坝前泥沙淤积的最大粒径dmax≤0.50mm，其颗粒级配见表3.3－2。

（2）泥沙淤积的研究成果。为了探讨坝前淤积泥沙的防渗性能，在三门峡水库坝前淤积层中进行了勘测试验工作。其中打钻孔8个，坑槽探4个，取原状土172组，扰动土样94个。淤积土的物理性质特征见表3.3－3。原状土渗透系数统计见表3.3－4。