大流量深厚覆蓋層過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)

李軍，蔡建國(guó)，李其虎

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州310014；2.二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,四川成都610021)

1 工程概況

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，是雅礱江干流規(guī)劃建設(shè)的21座梯級(jí)電站中裝機(jī)規(guī)模最大的水電站。本工程利用雅礱江150 km長(zhǎng)的錦屏大河灣，開(kāi)挖隧洞引水發(fā)電，首部設(shè)低閘，引水隧洞為4洞8機(jī)，單機(jī)容量600 MW，電站總裝機(jī)容量4 800 MW。

本工程根據(jù)閘址地形地質(zhì)條件，以及水文和樞紐布置特點(diǎn)，閘壩施工采用枯水期斷流圍堰、汛期圍堰過(guò)水、右岸單洞導(dǎo)流方案。工程于2008年11月底截流后，至2011年11月初圍堰拆除，要經(jīng)過(guò)2009年、2010年和2011年3個(gè)汛期度汛。圍堰堰頂高程按攔擋枯水期12月—5月時(shí)段10年一遇洪水流量1 690 m3/s確定，圍堰過(guò)流標(biāo)準(zhǔn)按全年20年一遇洪水，Q=8 850m3/s設(shè)計(jì)。

2 過(guò)水圍堰關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決措施

2.1 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

上游土石過(guò)水圍堰最大堰高21.0m，圍堰直接修建在覆蓋層上，覆蓋層厚23～43m，堰體及基礎(chǔ)防滲采用厚0.8 m的塑性混凝土防滲墻，最大墻深61.0 m，堰面過(guò)流保護(hù)采用C20混凝土護(hù)面。設(shè)計(jì)過(guò)流堰頂單寬流量47.0m3/s·m，最大單寬流量54.0m3/s·m，設(shè)計(jì)堰上水頭9.7m，水位差5.4 m，堰坡最大平均流速達(dá)12.6m/s。上游圍堰典型剖面見(jiàn)圖1。

下游土石過(guò)水圍堰最大堰高19.0m，圍堰直接修建在覆蓋層上，覆蓋層厚20～38m，堰體及基礎(chǔ)防滲采用厚0.8m的塑性混凝土防滲墻，最大墻深54.0m，堰面過(guò)流保護(hù)采用C20混凝土護(hù)面。設(shè)計(jì)過(guò)流堰頂單寬流量65.0m3/s·m，最大單寬流量67.0m3/s·m，設(shè)計(jì)堰上水頭11.5 m，水位差3.2 m，堰坡最大平均流速達(dá)9.7m/s。下游圍堰典型剖面見(jiàn)圖2。

國(guó)內(nèi)外已有不少工程采用過(guò)土石過(guò)水圍堰，汛期流量比較大的河流上也有采用[1-3]。經(jīng)與國(guó)內(nèi)的類似工程如天生橋二級(jí)、東風(fēng)、普定、大化、珊溪及國(guó)外的卡博拉巴薩等工程設(shè)計(jì)指標(biāo)相比（表1），錦屏二級(jí)土石過(guò)水圍堰無(wú)論在過(guò)水圍堰高度、規(guī)模、覆蓋層深度、過(guò)水水力指標(biāo)均為國(guó)內(nèi)高水平，圍堰需經(jīng)歷3個(gè)汛期過(guò)流，過(guò)流量大，歷時(shí)長(zhǎng)，且整個(gè)汛期圍堰均處在過(guò)流狀態(tài)，汛期無(wú)法檢查，圍堰過(guò)流的防沖保護(hù)設(shè)計(jì)難度大，尤其是下游圍堰堰腳防護(hù)設(shè)計(jì)，施工期水深達(dá)11 m左右，防沖保護(hù)設(shè)施需水下施工，設(shè)計(jì)難度大[4-6]。

圖1 上游圍堰典型剖面圖

圖2 下游圍堰典型剖面圖

表1 國(guó)內(nèi)外部分土石過(guò)水圍堰主要指標(biāo)表

注：1.表中斜線左數(shù)字為設(shè)計(jì)值，斜線右數(shù)字為實(shí)測(cè)最大值；2.表中數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)資料摘錄。

2.2 解決措施

土石過(guò)水圍堰的安全度汛與合理設(shè)計(jì)是緊密相關(guān)的，圍堰體型、防護(hù)材料和防護(hù)方式是保證圍堰安全度汛的核心問(wèn)題。針對(duì)錦屏二級(jí)水電站過(guò)水圍堰的特點(diǎn)，結(jié)合水力學(xué)模型試驗(yàn)成果，為了使大流量、深覆蓋層上的土石過(guò)水圍堰這一型式得以成功應(yīng)用，對(duì)防護(hù)面板穩(wěn)定、防護(hù)面板分縫、堰腳防沖等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并采取了應(yīng)對(duì)措施[7-9]。

1）混凝土防護(hù)面板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定措施。上游圍堰溢流面坡比為1∶3.5，采用厚1.2m的現(xiàn)澆混凝土面板（單塊尺寸為12.5 m×9.0m），為增加面板的穩(wěn)定性，每塊面板上都設(shè)置了Ф25錨筋，與面板夾角為18°，伸入堰體7.0m,為提高錨筋的抗拔效果，錨筋的錨固端均設(shè)置50 cm×50 cm×50 cm混凝土預(yù)制塊。面板排水孔采用預(yù)埋PVC管方式，孔徑10 cm，間排距為2.5m×1.25m。

2）混凝土防護(hù)面板分縫結(jié)構(gòu)措施。面板采用普通平板結(jié)構(gòu)型式，具有施工方便優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是按常規(guī)面板分縫（直縫），堰體發(fā)生不勻均沉降時(shí)分縫處易產(chǎn)生高低坎情況，過(guò)流時(shí)不利的水流條件將影響面板的穩(wěn)定性。為解決該技術(shù)問(wèn)題，本工程面板順?biāo)鞣较蚍挚p采用了上、下搭接的臺(tái)階式分縫結(jié)構(gòu)，并在塊與塊縫面之間設(shè)置了的聯(lián)系鋼筋。

3）下游圍堰堰腳防護(hù)措施。下游土石過(guò)水圍堰堰腳座落在覆蓋層上，且需水下施工，堰腳的防沖防護(hù)對(duì)圍堰的過(guò)水安全運(yùn)行至關(guān)重要。根據(jù)水工模型試驗(yàn)及動(dòng)床試驗(yàn)成果，堰腳處最大流速在7.5m/s左右，在下游堰腳拋投粒徑0.8～1.2 m大塊石防護(hù)下，下游動(dòng)床范圍內(nèi)在Q=3 500～8 850m3/s過(guò)水工況下均有不同程度的沖刷，最大沖坑深約7 m，可見(jiàn)采用大塊石堰腳防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大。為此，研究比較了采用鋼筋石籠和合金鋼網(wǎng)石兜兩種堰腳防護(hù)方案，鋼筋石籠為傳統(tǒng)防護(hù)措施，技術(shù)較成熟，一般抗沖流速可達(dá)6 m/s左右；合金鋼網(wǎng)石兜適應(yīng)變形、抗沖能力強(qiáng)、防沖效果好、施工相對(duì)較方便。最終選擇了合金鋼網(wǎng)石兜防護(hù)，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于過(guò)水圍堰堰腳防沖屬國(guó)內(nèi)首次。合金鋼兜網(wǎng)由專業(yè)廠生產(chǎn)，合金鋼絲直徑3mm，平均網(wǎng)眼邊長(zhǎng)20 cm，單個(gè)合金鋼網(wǎng)兜要求裝石量不小于3m3，充填的塊石料粒徑應(yīng)大于25 cm，小于60 cm。

4）上游過(guò)水圍堰減小水位落差措施。上游圍堰總擋水高度為24.5 m，按此高度過(guò)流水位落差高達(dá)8.7m，最大流速達(dá)16.5m/s左右，防護(hù)設(shè)計(jì)難度很大，為減小過(guò)流時(shí)的水位落差，在枯水期采用了在過(guò)水圍堰頂部加3.5m高草包圍堰結(jié)構(gòu)型式擋水，汛前拆除，使過(guò)水圍堰最大水位落差降至5.4 m，最大流速降至12.6 m/s，提高了圍堰過(guò)水時(shí)的安全性。

3 圍堰過(guò)流情況

錦屏二級(jí)上、下游土石過(guò)圍堰于2008年12月開(kāi)始修建，至2009年5月全部完工。上、下游圍堰于2009年6月25日開(kāi)始首次翻堰過(guò)流，直到2009年10月14日停止過(guò)流，過(guò)水歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)110 d，過(guò)流期間河道來(lái)水最大流量為6 960 m3/s（大于5年一遇標(biāo)準(zhǔn)），最大過(guò)堰流量達(dá)5 200 m3/s；2010年圍堰過(guò)流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)125 d。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，上游圍堰最大沉降為6 mm，下游圍堰最大沉降僅為2 mm，滲壓變化跟隨水位的變化而變化，符合變化規(guī)律，水流條件與設(shè)計(jì)基本吻合。汛后基坑完成抽水后對(duì)圍堰及兩岸邊坡進(jìn)行仔細(xì)檢查，圍堰及邊坡完好無(wú)損，沒(méi)有出現(xiàn)裂縫等異常現(xiàn)象。錦屏二級(jí)過(guò)水圍堰的成功過(guò)流度汛，為我國(guó)高過(guò)水水力指標(biāo)的土石過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)提供了安全可靠的技術(shù)方案及經(jīng)驗(yàn)。

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