天橋水電站除險加固工程圍堰設計研究

同昕旺,余炳福

(葛洲壩集團第二工程有限公司,成都,610091)

1 概況

山西省天橋水電站是黃河中游北干流上第一座低水頭大流量河床徑流式電站,左岸為山西保德縣,右岸為陜西府谷縣。電站原樞紐由左向右依次為混凝土重力壩、電站廠房、泄洪閘、土壩等四部分。電站正常蓄水位為834m,防洪限制水位830m,死水位828m。水電站裝機4臺,總裝機容量128MW。樞紐建筑物總長752m,左岸混凝土壩段長 385m,壩頂高程 838m;右岸土壩段長367m,壩頂高程836m。

天橋水電站于1978年7月竣工投入運行,存在的主要問題是工程按百年一遇洪水標準設計,不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在1994年7月第一次大壩安全定期檢查第三次專家會議上,天橋水電站被定為險壩,大壩安全類別定為三類,水庫防洪安全等級為C級,需進行除險加固工作,提高防洪標準。除險加固工程主要內容是將右岸部分土壩挖除,新建兩孔泄洪閘和四孔沖沙閘,提高建筑物的防洪能力。為確保上述除險加固項目在干地施工,需修建上、下游圍堰,形成施工基坑。

2 圍堰設計標準

工程等別及建筑物級別:根據(jù)《防洪標準》(GB50201-94)和《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000),除險加固工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。根據(jù)工程等別和建筑物的重要性,確定主要建筑物為3級,次要建筑物為4級,臨時性建筑物為5級。上、下游圍堰按5級建筑物設計。

導流標準確定:根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)規(guī)定,上下游圍堰為5級建筑物,建筑物類型是土石與混凝土結構,按10～5年一遇的洪水標準進行設計。

根據(jù)建設方的要求,上下游圍堰的設計標準按10年一遇的洪水考慮。10年一遇洪水入庫洪峰流量為9270m3/s,上游相應庫水位為830.00m,浮動0.5m;考慮洪峰流量全部下泄,下游相應水位為819.60m。非汛期樞紐最大下泄流量為萬家寨水庫,最大發(fā)電下泄流量1800m3/s,設防水位815.34m。

3 圍堰設計

圍堰設計時充分利用原建筑物的上下游導墻,圍堰設計平面圖如圖1所示。

圖1 圍堰設計平面

3.1 上游圍堰設計

天橋電站庫水位的特點是枯水期水位為834.00m,汛期水位為830.00m。上游圍堰作為施工期壩體擋水的建筑物,堰頂設計高程為836.00m。

根據(jù)上游圍堰部位的地形地質條件,結構設計時沿上游圍堰軸線控制點分段設計。其中,D1～D6段為土石圍堰,D6～D7段為混凝土圍堰。

3.1.1 土石圍堰斷面設計。D1～D6段為土石圍堰,軸線長度為376.49m,采用均質土石混合料填筑。因基礎為壩前淤積物,基礎承載力較低,故圍堰采用加大底寬的斷面形式,頂寬設計為10m,上下游邊坡坡比為1∶2.5,堰高3m～4m。圍堰接近主河道段(D4～D6段)上游坡,采用1.0m厚的塊石護坡。

3.1.2 混凝土圍堰斷面設計。D6～D7段處于水寨島前沿,距主河道較近,修筑土石圍堰則防護非常困難,既影響原泄洪閘泄洪,又占壓新建基坑部位。根據(jù)基巖地質等高線資料,該地段基巖面較高,最低823.00m,設計成混凝土圍堰,采用水下混凝土施工方式形成。圍堰軸線長度51.71m,堰底寬度8.0m,堰頂寬度考慮通車需要設計為6.0m,堰高8m～13m。由于圍堰斷面不能滿足重力壩穩(wěn)定設計斷面,在混凝土圍堰上游側增設預應力錨束,間距 2.0m,每束張拉噸位200t。該圍堰段基巖面以下4m處(高程分布為818m～824m)存在軟弱夾層JC13-01,根據(jù)重力壩設計規(guī)范,為解決重力式混凝土圍堰的深層滑動問題,在混凝土圍堰背后增加一道鋼筋混凝土抗滑墻。

3.1.3 上游圍堰防滲設計?？紤]D1～D2段遠離河床,不作防滲設計;D2～D5′段,土石圍堰基底下為壩前淤積層和砂礫石層,采用高壓旋噴法(孔距1.0m)設計防滲墻,嵌入基巖1.0m,最大防滲墻深度達40m;D5′～D6段緊鄰混凝土圍堰,采用地下連續(xù)墻防滲,嵌入基巖1.0m,解決土圍堰與混凝土圍堰接頭繞滲問題。由于水寨島基巖相對破碎,滲透系數(shù)較大,在混凝土圍堰及原上游右導墻區(qū)域,利用錨索施工孔位進行一次帷幕灌漿,確保新建閘室基坑開挖時不出現(xiàn)較大滲水問題。

3.2 下游圍堰設計

下游圍堰位于原泄洪閘右岸墻尾端,設計時進行了土石圍堰、混凝土圍堰和鋼板樁圍堰的比較(見表1)。通過比較,充分利用土石圍堰和混凝土圍堰的優(yōu)點,采用土石圍堰與混凝土圍堰混合結構型式,圍堰軸線控制點為A1～A3,軸線長度為177.39m。A1～A2為土石圍堰,A2～A3為土石包裹混凝土圍堰,即先將A2～A3段填筑為土石圍堰,并在土石圍堰中采用地下連續(xù)墻的方法形成混凝土基礎,加高形成混凝土圍堰。這樣投資相對小,又不占壓基坑開挖部位和原泄洪通道。

表1 下游圍堰方案比較

3.2.1 土石圍堰斷面設計。土石圍堰上下游邊坡坡比設計為1∶1.5,迎水面設計3.0m厚防沖塊石,背水面采用0.5m厚干砌石護坡。

3.2.2 混凝土圍堰設計。混凝土圍堰設計是結合新建中導墻尾墩頭進行考慮的,圍堰設計最大寬度為13.4m,底部坎入基巖1.0m,最大設計高度為22.0m。在一期土石圍堰填筑高程816.00m平臺,采用地下連續(xù)墻結合高噴法施工混凝土圍堰,二期加高至全年度汛高程820.00m。

3.3 圍堰防滲設計

土石圍堰A1～A1′段遠離河床,不作防滲設計;A1′～A2段采用高壓旋噴法(孔距1.0m)設計防滲墻,平均深度為20m。A2～A3段基巖增設防滲帷幕,保證基坑開挖部位不出現(xiàn)較大滲水。

4 圍堰穩(wěn)定驗算

4.1 上游土石圍堰穩(wěn)定驗算

圖2 上游土石圍堰典型斷面

4.1.1 計算內容

根據(jù)規(guī)范要求和現(xiàn)天橋水庫實際運用情況,同時與滲流穩(wěn)定計算工況相對應,圍堰抗滑穩(wěn)定計算工況組合如下:工況一,穩(wěn)定滲流期上、下游邊坡穩(wěn)定計算,上游正常蓄水位834.00m,下游無水位出露;工況二,穩(wěn)定滲流期遭遇地震上、下游邊坡穩(wěn)定計算,上游正常蓄水位834.00m,下游無水位出露;工況三,庫水位降落期上游邊坡穩(wěn)定計算,水位由834m降至827m,上游圍堰基礎出露。以上工況均有防滲墻。上游土石圍堰典型斷面見圖2。

4.1.2 穩(wěn)定計算

4.1.2.1 計算模型及參數(shù)確定。參照碾壓式土石壩設計規(guī)范(SL274-2001)規(guī)定,壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù),應不小于表2規(guī)定數(shù)值。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)

鑒于圍堰屬臨時建筑物,工程等級較低,根據(jù)規(guī)范定為5級建筑物,相應正常運用條件K允許=1.25,非常運用條件 KⅠ允許=1.15、KⅡ允許=1.10。

計算模型上部與滲流穩(wěn)定計算模型一樣,只是基礎層不同,自上而下分別為堰體土層、10.5m壤土層、18.5m厚砂礫石層、15m厚泥灰?guī)r層。計算用各地層參數(shù)見表3。

表3 抗滑穩(wěn)定計算用各地層參數(shù)

4.1.2.2 壩體穩(wěn)定計算。本次穩(wěn)定計算采用“土石壩穩(wěn)定分析程序系統(tǒng)(HH_SLOPER1.0)”進行計算和分析,選用方法為簡化畢肖普法。各工況穩(wěn)定計算結果匯總于表4。

表4 最小安全系數(shù)匯總

4.1.3 計算結果與分析

從以上穩(wěn)定計算結果可以看出,各工況上、下游坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)都滿足規(guī)范要求,且有較高富余度。因此,上游圍堰抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4.2 上游混凝土圍堰穩(wěn)定驗算

上游混凝土圍堰最不利工況見圖3。黃河水容重考慮為15kN/m3;混凝土的容重取為24kN/m3。

4.2.1 取單寬進行混凝土段的穩(wěn)定驗算

上游水壓力P,工況1為汛期,工況2為非汛期。

圖3 上游混凝土圍堰計算簡圖

工況1:P1=270kN;工況2:P2=550kN

底部揚壓力:工況1:U1=360kN;工況2:U2=440kN

按工況2進行穩(wěn)定復核:M =+4877.3kN.m,K=2.17,混凝土圍堰穩(wěn)定。

4.2.2 取單位寬度進行深層抗滑穩(wěn)定校核

最不利工況如圖3。接觸面以上的總鉛直力∑W=W1+W2+W3+W4=5104kN

上游水壓力P,按汛期浮動2m考慮,P=1687.5kN

底部揚壓力U=1800kN

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù):Ks=f(∑W-U)/P

壩基底部為弱層,根據(jù)工程地質資料取接觸面間的摩擦系數(shù) f=0.35

Ks=0.35×(5104-1800)/1687.5=0.685＜1.0

因此,須對混凝土圍堰進行必要的工程處理。本工程中,圍堰迎水面采用帷幕灌漿,增設抗滑墻等工程措施?？够瑝υO計墻厚1.0m,縱向配筋2×4φ22mm鋼筋,滿足抗剪要求。

使用抗剪斷公式驗算:

K′S=f×(∑W-U)+cA/∑P

f=0.5抗剪斷強度系數(shù);c=0.08MPa抗剪斷凝聚力;取揚壓力折減系數(shù)為0.4

抗滑墻抵抗彎矩能力:759.473kN.m

K′S=[f×(∑W-u)+cA]/∑p=2.2

對于深層滑動的安全系數(shù),重力壩設計規(guī)范中未作明確規(guī)定,當采用抗剪斷公式計算時,軟弱夾層的抗剪斷強度參數(shù) f和c較低,安全系數(shù)很難達到設計規(guī)范要求,因而不得不根據(jù)實際情況酌予降低,但至少不得低于2.0,采取的工程措施是可行的。

4.3 下游混凝土圍堰穩(wěn)定計算

下游圍堰主要是對混凝土圍堰段進行穩(wěn)定驗算。最不利工況,圍堰內側全部挖出。計算簡圖見圖4。

圖4 下游混凝土圍堰計算簡圖

取單寬驗算:W=7707.3kN

水壓力P水,非汛期最高水位815.34m。

P水=2068.6kN

土壓力P土,圍堰頂部高程816.0m,按非粘性土考慮,

P土=1653.8kN

底部揚壓力:U=1363.2kN

經過計算:M=+5927kN.m,k=1.14,混凝土圍堰穩(wěn)定。

5 圍堰施工與運行評價

5.1 上游混凝土圍堰

上游混凝土圍堰采用水下混凝土施工,距迎水面1.2m處布置一排預應力錨索,2009年7月中旬開始擋水。在完成基坑巖石面以上開挖后,混凝土圍堰背后巖石實際出露高程約1m～2m,造成抗滑墻施工不利。結合現(xiàn)場施工條件,通過優(yōu)化施工方案,將抗滑墻設計修改為鋼筋樁設計。即在圍堰背后預留 10m寬度巖埂,布置170根3φ36mm的鋼筋樁,穿過軟弱夾層。預留巖埂后期與圍堰同期拆除。運行近一年來,加固工程基坑已開挖至設計建基面,混凝土圍堰無異常變形。

5.2 上游土石圍堰

上游土石圍堰于2009年4月開始施工,5月開始防滲墻施工,7月中旬開始擋水。土石圍堰是請黃委進行穩(wěn)定驗算,驗算時沒有考慮基坑開挖后的穩(wěn)定。由于壩前淤積層的力學指標極低,淤積土設計開挖邊坡1∶3和1∶4不能滿足穩(wěn)定要求,在基坑下挖8m以后,由于開挖邊坡變形,造成圍堰內坡出現(xiàn)多條縱向裂縫,導致高噴防滲墻出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象?，F(xiàn)場采用內側坡腳壓重,邊坡防護,圍堰外側加寬填筑10m等措施,并對防滲破壞地段補充防滲墻處理,圍堰運行半年,始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.3 下游混凝土圍堰

下游圍堰于2009年5月開始填筑,一期填筑到816.0m高程,然后開始地下連續(xù)墻施工。由于圍堰填筑均在水下進行,不具備分層碾壓條件,又沒有足夠的沉降時間,地下連續(xù)施工時成槽極為困難。在汛前完成迎水面單排地下連續(xù)墻后,調整施工程序,先對地下連續(xù)墻框格內進行高噴固化處理,然后實施地下連續(xù)墻施工。2009年12月完成圍堰施工。

圍堰施工完成后,請三峽大學建立模型驗算,結果如下:最不利工況下,圍堰整體最大總位移位于圍堰回填砂礫料頂端中部區(qū)域,傾向背水側,最大總位移值為3.291mm。第1主應力拉應力的最大值為0.58MPa,位于815m高程現(xiàn)澆板跨中底部;第3主應力壓應力最大值為2.42MPa,位于800m高程處背水側連續(xù)墻與基巖接觸部位。此工況下的變形和應力不是很大,最大拉應力小于C20混凝土的允許抗拉強度,最大壓應力遠小于C20混凝土的允許的抗壓強度。接觸面處高壓灌漿區(qū)與基巖接觸良好。接觸面正應力最大值為2.07MPa,接觸面處摩擦力最大值為1.24MPa,接觸面處圍堰底部的最大滑動距離為0.358mm。接觸面處的摩擦力和滑動距離值較小,壓應力不大,小于C20混凝土的允許抗壓強度。根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL319-2005)關于壩基抗滑穩(wěn)定計算的規(guī)定,對圍堰進行抗滑和抗傾穩(wěn)定性計算,抗滑安全系數(shù)為1.35,抗傾安全系數(shù)為1.89,均滿足容許安全系數(shù)。說明圍堰運行期間是安全的。

6 結語

天橋除險加固工程的地形地質條件較為復雜,圍堰緊鄰老建筑物的泄水建筑物,設計時必須考慮既不影響老建筑物的運行,又不占壓新建工程的施工區(qū)域。本工程上游采用水下混凝土圍堰,下游采用地下連續(xù)墻式混凝土圍堰,完全解決了上述矛盾,實施過程又不斷優(yōu)化和驗證,為工程的順利推進創(chuàng)造了條件,也為類似工程提供了一定的借鑒經驗。

〔1〕趙長海.預應力錨固技術.北京:中國水利水電出版社,2001.