肯斯瓦特水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)問題的探析

張黎明

(新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊830002)

經(jīng)過20余年的工程實(shí)踐與發(fā)展,超高級(jí)面板堆石壩的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)已漸趨成熟,國內(nèi)已有工程先例,如黃石灘水庫面板壩、澗峪水庫面板堆石面板壩、公伯峽堆石面板壩等都是建造在工程環(huán)境與工程地質(zhì)條件相對(duì)較好的地帶[1-2],而在強(qiáng)震地帶建成的超高級(jí)面板壩不多,在工程地質(zhì)條件為泥、頁巖類軟巖情況下建成的面板堆石壩更未見報(bào)道。在壩體高度大、處于強(qiáng)震地帶且工程環(huán)境基礎(chǔ)惡劣的條件下,對(duì)面板壩的壩體填筑材料和填筑強(qiáng)度及排水技術(shù)問題都提出更高的要求[3-5]。

在新疆這種內(nèi)陸環(huán)境與特殊地質(zhì)條件下超過100m級(jí)的面板壩尚不多見。新疆在建的肯斯瓦特砂礫石面板壩由于壩址區(qū)位于強(qiáng)震地帶、壩基基巖為工程力學(xué)性質(zhì)極差的泥、頁巖類軟巖,使得該水利樞紐工程具有經(jīng)典性與特殊性。因此,結(jié)合工程實(shí)踐,本文對(duì)肯斯瓦特水利樞紐砂礫石面板壩工程的設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)的探析有一定的實(shí)際意義,能為今后類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

肯斯瓦特水利樞紐工程是新疆瑪納斯河流域規(guī)劃推薦的控制性骨干工程[6-7]。

瑪納斯河發(fā)源于天山山脈中段北麓,河流由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部,屬于準(zhǔn)噶爾盆地南緣最大的一條內(nèi)陸性河流。未建肯斯瓦特水利樞紐工程之前,由于瑪納斯河流域上游山區(qū)沒有控制性水庫樞紐,防洪、蓄洪都依靠夾河子水庫,不但出現(xiàn)過洪水災(zāi)害現(xiàn)象,同時(shí)無法解決該流域區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重的季節(jié)性缺水問題。因此,在瑪納斯河流域上游山區(qū)修建肯斯瓦特水利樞紐工程,不僅對(duì)整個(gè)瑪納斯河流域的防洪減災(zāi)和水資源配置將起到重要的作用,同時(shí)該水利樞紐還具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合功能。

肯斯瓦特水利樞紐工程主要由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)組成,控制著瑪納斯河92%的水量,水庫正常蓄水位990.0m,最大壩高129.4m,總庫容1.91億m3,控制灌溉面積21萬hm2,電站裝機(jī)容量100MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.76億kW·h。

2 肯斯瓦特水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)問題分析

目前,在肯斯瓦特水利樞紐工程的勘察、設(shè)計(jì)及施工過程中遇到了以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題:

1)由于壩址區(qū)50年超越概率2%的基巖水平峰值加速度為393.5gal,壩址區(qū)屬于強(qiáng)震活動(dòng)帶區(qū),因此必須采取抗震設(shè)計(jì)措施。

2)天然砂礫石具有易于開采、易于壓實(shí)和后期變形小的優(yōu)點(diǎn)。肯斯瓦特水利樞紐工程壩體砂礫石的填筑總量達(dá)710萬m3砂礫,但是采用砂礫石作為壩體填料,如果質(zhì)量控制措施不完善,這種抗沖蝕能力較差的筑壩材料將對(duì)壩體的安全構(gòu)成威脅。因此,砂礫石填料的質(zhì)量控制技術(shù)問題是肯斯瓦特水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

3)壩址區(qū)多為泥巖類基巖,新鮮基巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均值僅為26.9MPa。泥巖屬于軟弱巖石的一類,其工程力學(xué)性能較差,不僅體現(xiàn)在其新鮮基巖強(qiáng)度低,更主要的方面體現(xiàn)為泥巖類巖石在開挖揭露環(huán)境中的快速崩解與風(fēng)化現(xiàn)象。在這種較差的工程地質(zhì)條件下,如何對(duì)泥巖類巖石的工程性能評(píng)估以及開挖揭露保護(hù)是肯斯瓦特水利樞紐工程施工過程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 強(qiáng)震壩址區(qū)抗震技術(shù)問題與抗震措施

肯斯瓦特水利樞紐區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣與北天山隆起強(qiáng)烈擠壓形成的瑪納斯坳陷帶中,坳陷帶南北兩側(cè)邊界構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。該樞紐工程壩址區(qū)位于強(qiáng)震區(qū),必須充分研究分析其抗震安全性。因此,針對(duì)肯斯瓦特面板砂礫石壩體材料,在壩料靜、動(dòng)力特性試驗(yàn)和三維靜力分析的基礎(chǔ)上,采用三維真非線性有效應(yīng)力地震反應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)方法,對(duì)大壩進(jìn)行了給定地震情況下的地震反應(yīng)分析和評(píng)價(jià)。其地震安全評(píng)估分析主要針對(duì)2種工況進(jìn)行(表1)。

地震工況1:采用50年超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù),即對(duì)應(yīng)基本烈度,基巖水平峰值加速度為250.5gal。

地震工況2:采用50年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù),基巖水平峰值加速度為393.5gal。工程場地地震安全性評(píng)估及區(qū)域構(gòu)造資料綜合分析,壩址區(qū)50年超越概率10%的地震基本烈度為Ⅷ度,基巖峰值加速度為250.2gal,屬于地震活動(dòng)較頻繁的地區(qū)。

表1 場地地震危險(xiǎn)性分析的結(jié)果Tab.1The results of Seismic risk analysis

肯斯瓦特水庫大壩采用混凝土面板砂礫石壩,壩高超過129m,大壩級(jí)別提高為1級(jí),并且按照50年超越概率2%的地震動(dòng)參數(shù)控制大壩的抗震安全,相當(dāng)于按9度設(shè)防。為確保大壩抗震安全,必須加強(qiáng)壩體薄弱和敏感區(qū)域的抗震措施。

肯斯瓦特水庫大壩從斷面尺寸、壩料填筑質(zhì)量要求、分區(qū)結(jié)構(gòu)等方面采取了以下抗震措施:

1)壩頂預(yù)留1.2m的地震附加沉陷;

2)壩頂寬采用10m,防浪墻高度為3.65m;

3)上游壩坡 1∶1.7,下游壩坡上部 1∶1.7,下部綜合壩坡為1∶2;

4)面板厚度 T=0.4+0.0033H,即從0.4m起步,并在中部面板間設(shè)5條防止擠壓破壞的板縫;

5)壩體內(nèi)部設(shè)L形排水體;

6)提高壩體壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn);

7)大壩后坡采用混凝土網(wǎng)格梁內(nèi)填0.4m厚漿砌卵石護(hù)坡,并在壩頂以下1/3壩高范圍內(nèi)壩內(nèi)水平鋪設(shè)土工格柵增加其整體抗震能力,格柵層距1.2m。

2.2 砂礫石填料的質(zhì)量控制技術(shù)問題

壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為上游蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、砼面板、墊層區(qū)、砂礫料區(qū)、排水料區(qū)。在以上各分區(qū)填料的選取與設(shè)計(jì)中,肯斯瓦特水利樞紐工程主要對(duì)墊層料、特殊墊層小區(qū)料、排水料、壩殼砂礫料的料源選取、制備、填筑標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)等多方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。該工程施工的砂礫料儲(chǔ)量豐富,運(yùn)距近,砂礫料經(jīng)篩分后基本能滿足墊層料的要求,考慮工程投資及施工等方面的因素,本階段采用天然砂礫料篩分來取得墊層料?？辈榈纳暗[料料場有C2-1、C2-2和 C3料場。其中 C2-1、C2-2料場位于上壩址瑪納斯河右岸Ⅳ級(jí)侵蝕堆積階地上,地形平坦開闊,C3料場位于清水河子右岸Ⅴ級(jí)階地中,沿國防公路S101線北側(cè)(里程156～161km)呈帶狀分布?？紤]運(yùn)距、料場儲(chǔ)量、料場級(jí)配等因素,確定C2-1料場為墊層料的制備料場。

從顆粒級(jí)配統(tǒng)計(jì)表2與表3,并結(jié)合圖2分析料區(qū)的填料性質(zhì)。經(jīng)過計(jì)算分析可知,C2-1區(qū)上部松散層料源不均勻系數(shù) Cu=69.9,曲率系數(shù) Cc=3.51,為級(jí)配連續(xù)的卵石混合土層;C2-1區(qū)下部膠結(jié)層料源不均勻系數(shù) Cu=28.9,曲率系數(shù) Cc=1.95,為級(jí)配連續(xù)的卵石混合土層,并且下部的填料性質(zhì)優(yōu)于上部。

表2 C2-1區(qū)上部松散層料源顆粒級(jí)配統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistical of particle size distribution in the upper of C2-1

表3 C2-1區(qū)下部膠結(jié)層料源顆粒級(jí)配統(tǒng)計(jì)Tab.3 The statistical of particle size distribution in the lower part of C2-1

圖1 C2-1區(qū)下部膠結(jié)層料源顆粒級(jí)配曲線Fig.1The particle size distribution in the lowerpart of C2-1

大壩填筑料可利用總面積近50萬m2,總儲(chǔ)量1000萬m3以上,其地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為0.5 m厚的表層耕作土層、10～13m厚的松散卵礫石層(、最大厚度可達(dá)78m的古河槽膠結(jié)卵礫石層()。統(tǒng)計(jì)分析表明,卵礫石料最大粒徑 600 mm,級(jí)配連續(xù),且開采方便,儲(chǔ)量和質(zhì)量均滿足工程要求。根據(jù)顆粒級(jí)配關(guān)系分析,經(jīng)篩分并符合要求的墊層料與壩體填筑料之間滿足反濾要求,因此取消了過渡層,簡化了結(jié)構(gòu)。

考察大壩填筑料是否滿足要求除了要分析顆粒級(jí)配的優(yōu)良外,還要對(duì)填料進(jìn)行各種物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測試,綜合評(píng)價(jià)填料的質(zhì)量。通過對(duì)C2-1料場區(qū)的填筑料試驗(yàn)分析表明,其各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),天然密度2.20～2.30g/cm3,天然含水率1.0%～2.1%,干密度2.21～2.29g/cm3,滲透系數(shù)5.1×10-3cm/s～2.2×10-2cm/s均滿足規(guī)范要求。

表4 C2-1區(qū)壩殼填筑料試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.4 The statistical of filling materials test results in the lower part of C2-1

2.2.3 泥巖類軟巖工程性能評(píng)價(jià)與工程防護(hù)措施

肯斯瓦特水利樞紐工程壩址區(qū)工程地質(zhì)條件為白堊系一套湖河相陸源碎屑沉積巖,以泥灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖為主。由于此類巖石在工程屬性上都屬于軟巖范疇,單軸飽和抗壓強(qiáng)度在30MPa左右(弱風(fēng)化至新鮮),具有易風(fēng)化、易崩解、抗沖蝕能力低等特性。

根據(jù)勘探平硐觀察,完整的新鮮巖石面暴露于空氣中不久即出現(xiàn)龜裂、剝落現(xiàn)象,說明失水氧化等因素對(duì)巖石強(qiáng)度影響很大。為了進(jìn)一步確定壩址區(qū)基巖的物理力學(xué)性質(zhì)狀態(tài),根據(jù)巖石分層分組和不同建筑物部位、不同深度分別取樣,按自然暴露室外、室內(nèi)、浸水3種狀況分別進(jìn)行巖石崩解速度的比對(duì),并對(duì)2005年、2006年完成平硐進(jìn)行重新觀測,查看平硐內(nèi)塌落情況,測量平硐寬高的變化,綜合分析巖石的崩解特性。巖塊樣品主要在勘探平硐內(nèi)撬挖采取,不同方式其崩解性的觀察結(jié)果如下:

1)直徑30cm的巖塊完全風(fēng)化崩解成碎塊狀在30～60d之間。

2)室內(nèi)觀測的巖塊及巖芯樣品崩解速度明顯減慢,直徑30cm左右的巖塊90d內(nèi)未崩解成碎塊狀,表面出現(xiàn)張開1mm左右的裂紋,呈碎塊狀掉落。

3)浸水觀測的樣品累計(jì)觀測200d未出現(xiàn)任何變化。巖芯從鉆進(jìn)取出,通過不同方式觀察其崩解性結(jié)果如下:(1)自然暴露條件下崩解速度最快,一般在2h左右開始出現(xiàn)微細(xì)裂紋,崩解成碎塊狀在10～25d之間;(2)室內(nèi)觀測的巖芯樣品崩解速度明顯減慢,90d內(nèi)未崩解成碎塊狀,個(gè)別巖芯樣品累計(jì)觀測已達(dá)120d,僅在表面出現(xiàn)細(xì)裂紋;(3)浸水觀測的樣品累計(jì)觀測200d,未出現(xiàn)任何變化。

平硐圍巖觀測結(jié)果如下:對(duì)2006年可研階段的勘探平硐進(jìn)行復(fù)測表明,所有平硐硐口都被崩解巖體封堵掩埋,平硐內(nèi)巖體有大面積塌落,洞頂及洞壁普遍發(fā)育,崩落深度在20～60cm之間,圍巖不穩(wěn)定,經(jīng)常有小的掉塊發(fā)生。這表明,勘探平硐在完工后15d左右開始出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,洞壁節(jié)理形成的光面上開始出現(xiàn)裂隙紋,逐漸張開,最終形成裂隙發(fā)生掉塊。

根據(jù)各種不同工況條件下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:在自然暴露條件下崩解速度最快,最終崩解成碎塊狀,而室內(nèi)條件下崩解明顯減慢,浸水狀態(tài)巖塊不發(fā)生崩解。崩解產(chǎn)生的裂紋呈交錯(cuò)碎裂狀,且不受層面及結(jié)構(gòu)面控制,隨機(jī)性發(fā)育,裂紋的發(fā)育和發(fā)展受天氣因素(日照、溫度、濕度、降雨、風(fēng)等)影響較大。該組巖體第2層(K1h2)粉砂質(zhì)頁巖有沿層面風(fēng)化的現(xiàn)象。

基于以上壩址區(qū)巖石極差的工程力學(xué)性質(zhì)和極易風(fēng)化崩解的特性,在施工中要求所有的巖石開挖面都要及時(shí)噴混凝土加以封閉保護(hù),以確保建筑物地基和邊坡的安全。

3 結(jié)語

本文基于肯斯瓦特水利樞紐工程的工程實(shí)踐,全面總結(jié)分析了該水利樞紐工程在勘察、設(shè)計(jì)及施工過程中所涉及到的關(guān)鍵工程技術(shù)問題,主要如下:

1)肯斯瓦特水利樞紐工程由于壩址區(qū)位于強(qiáng)震構(gòu)造地帶,強(qiáng)震區(qū)必須進(jìn)行抗震技術(shù)措施確保壩體安全,肯斯瓦特水庫大壩從斷面尺寸、壩料填筑質(zhì)量要求、分區(qū)結(jié)構(gòu)等方面均采取了相應(yīng)抗震措施,且抗振等級(jí)為1級(jí)。

2)在設(shè)計(jì)與施工中采用全斷面使用天然砂礫石作為筑壩壩址區(qū)填料,使壩址區(qū)的砂礫石填料的質(zhì)量控制技術(shù)問題尤為關(guān)鍵?；谠囼?yàn)并結(jié)合一定的施工技術(shù)處理,使砂礫石填料緊密密度均大于2.0 g/cm3,含泥量小于8%,滿足砂礫質(zhì)量要求。

3)壩址區(qū)基巖類型為泥巖類軟巖,由于泥巖類軟巖強(qiáng)度低,此類巖石開挖揭露極易崩解與快速風(fēng)化,因此,泥巖類軟巖在施工開挖揭露后必須迅速進(jìn)行針對(duì)性的噴混凝土加以封閉保護(hù),確保工程長期安全。

[1]鐘家駒.混凝土面板壩設(shè)計(jì)特例[J].水利水電施工技術(shù),2004(2):35-47.

[2]宋永杰.公伯峽面板堆石壩設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)[J].水利發(fā)電,2002(8):38-41.

[3]郭誠謙.論大柳樹混凝土面板壩的抗震安全性[J].水利水電技術(shù),2002,33(9):1-8.

[4]周春意,王仲何.水布埡面板壩填筑強(qiáng)度分析論證[J].人民長江,2002,31(3):20-22.

[5]宋永杰.關(guān)于砂礫石面板壩排水問題的探討[J].水力發(fā)電,1998(5):42-44.

[6]駱 震.山區(qū)水庫水資源論證工作中的主要技術(shù)問題[J].廣西水利水電,2009(3):78-81.

[7]周吉軍.肯斯瓦特水利樞紐工程的作用與效益分析[J].新疆農(nóng)科科技(工程技術(shù)版),2010(3):73-74.

[8]馬洪琪,曹克明.超高面板壩的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].水利水電施工,2008(1):12-17.