瑞士格舍嫩心墻土石壩加高工程

［瑞士］ S.麥塞克林格等

格舍嫩(G?scheneralp)心墻土石壩高155 m，壩頂長540 m，水庫庫容7800萬m3。格舍嫩電站發(fā)電總水頭616～708 m，發(fā)電量為251 GW·h/a。電站位于瑞士中部的烏里(Uri)州，由格舍嫩電站股份公司(KWG)所有，烏里州控股10%，瑞士聯(lián)邦鐵路公司控股40%，瑞士中央發(fā)電股份公司(CKW)控股50%。

格舍嫩水庫由蘇黎士機(jī)電工業(yè)管理有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)，于1957～1962年間修建。在該工程中，水庫流出的水首先通過一條7.2km長的引水洞輸送至壓力鋼管，經(jīng)過配有2個(gè)蝶形閥的閥室。之后通過一段長912 m、傾角為80°的鋼襯砌的壓力鋼管和一段水平管道，流經(jīng)閥室到達(dá)地下發(fā)電廠房。發(fā)電廠房內(nèi)裝有4臺(tái)沖擊式機(jī)組，總裝機(jī)容量約為160MW。在引水洞與壓力鋼管交接處設(shè)有一座長約150 m的下調(diào)壓室。下調(diào)壓室的軸線與引水洞平行，相距4.45 m。然后是一座直徑為3 m、傾角為80°的調(diào)壓井，最后到達(dá)高程為1800 m的上調(diào)壓室。

水庫最低蓄水位1700 m，正常蓄水位1792 m，水庫水位通過泄洪底孔和泄洪中孔調(diào)節(jié)。為了泄洪，特意設(shè)置了一條能自由溢流的側(cè)槽式溢洪道。在左壩肩上設(shè)有泄洪底孔，正常蓄水位時(shí)其額定泄流量為100 m3/s。通過一條隧洞延伸，在施工期間，也能對(duì)直接匯水區(qū)的水進(jìn)行分流。泄洪中孔進(jìn)水口高程為1775.95 m，也位于左壩肩，這樣設(shè)計(jì)可以使水庫的運(yùn)行更具靈活性。在現(xiàn)有防洪條件下，泄洪中孔在正常水位時(shí)的泄洪量為50 m3/s，需要和溢洪道一同使用。為了使其最大泄流量達(dá)到150 m3/s，設(shè)計(jì)了一條側(cè)槽式溢洪道，該溢洪道頂部高程1792 m，溢流長度達(dá)70 m。從該溢洪道流出的水將排入一條長239 m、直徑為4.5 m的泄洪洞。這幾座泄洪建筑物(泄洪中孔和側(cè)槽式溢洪道)是為了將泄流量提高到200 m3/s而設(shè)計(jì)的。但是，由于電站運(yùn)行管理規(guī)范，加之匯水區(qū)總面積本身就不大，只有88.7km2，導(dǎo)致該溢洪道自建成之日起就不曾投入使用。匯水區(qū)由42.3km2的直接集水區(qū)和46.4km2的兩條支流匯水區(qū)組成。通過2條隧洞引水至水庫，這兩條隧洞分別長3.9km和7.2km。

KWG在1954年取得了格舍嫩壩的特許使用權(quán)，有效期至2043年。該特許權(quán)包括將水庫的正常蓄水位提升大約10 m。1992年、2006年和2008年，對(duì)大壩的加高進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:最經(jīng)濟(jì)的方案就是將水庫蓄水位提高8 m，使其庫容增加15%。

1 格舍嫩壩

1.1 簡 介

格舍嫩心墻土石壩建于1957～1960年，為當(dāng)時(shí)歐洲同類型大壩中最高(見圖1)，大壩有一個(gè)寬4.6～5.5 m的心墻。

圖1 大壩斷面

1.2 地基特性及其處理

巖基用灌漿帷幕封閉，該灌漿帷幕深達(dá)180 m，由單排鉆孔形成，鉆孔中心間隔6 m，在0.5～8MPa壓力(隨深度增大)下向鉆孔灌注黏土水泥灰漿。鉆孔平均每米消耗220 kg干黏土水泥灰漿。在心墻區(qū)和巖石壩肩之間的接觸處采用接觸灌漿，灌漿深達(dá)5～10 m。

心墻區(qū)、反濾區(qū)及過渡區(qū)的地基均為阿勒花崗巖，其平均單軸抗壓強(qiáng)度為87MPa，比重為2.66 g/cm3。覆蓋層需要開挖100萬m3。堆石壩肩建在70 m厚的沖積層及冰川層之上。右側(cè)壩基區(qū)建有直徑為45～48 cm、深39 m的排砂井，有利于礫石層里的細(xì)砂和泥煤層迅速固結(jié)。

1.3 壩 料

對(duì)于心墻土石壩來說，是否能夠獲得合適的心墻料至關(guān)重要。就格舍嫩壩而言，不僅在格舍嫩河谷，而且在烏里州其他地方都缺乏黏土。當(dāng)?shù)仉S處可見的粉砂質(zhì)沖積物不宜用作心墻料。然而，經(jīng)計(jì)算，混凝土重力壩比心墻土石壩造價(jià)高50%。為此，需要尋找合適的心墻料。將瑞士其他地區(qū)的黏土和從意大利、美國采集到的鈉基膨潤土與當(dāng)?shù)貛r屑和沖積土加以混合，研究其密封性，發(fā)現(xiàn)鈉基膨潤土的密封性能非常好，但在一定的水文地質(zhì)條件下不穩(wěn)定。因此，將瑞士北部霍爾德班克(Holderbank)地區(qū)天然沉積層里的一種黏土——Opalinus黏土選作添加劑。原壩90萬m3大壩心墻料中共摻加了20萬t Opalinus黏土，平均摻加比例為11% ～12%。

巖屑坡和沖積層上的石料被選作心墻料，通過振篩被劃分為3種級(jí)配:0～30 mm，30～100 mm和100～200 mm。先將粗顆粒與碎石混合，然后將細(xì)顆粒部分(0～30 mm)烘干，再將3種級(jí)配料混合成指定的級(jí)配，最后再加入Opalinus黏土粉(見圖2)。心墻料在采料場制備好，用固定式攪拌機(jī)按照7%～9%的最優(yōu)配比加水?dāng)嚢韬笤龠\(yùn)往大壩施工現(xiàn)場。當(dāng)心墻料每攤鋪到30 cm厚時(shí)，用重35 t的滾筒碾壓6遍，而大壩施工區(qū)則用便攜式鋼蓋蓋好，如此一來，即使是在雨季也能確保心墻料的含水量保持不變。

圖2 壩料

對(duì)根據(jù)內(nèi)部穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)計(jì)的反濾料和過渡料也進(jìn)行了對(duì)比，方法是將巖屑坡堆積層細(xì)分為3個(gè)等級(jí)，然后再加入添加劑混合攪拌成指定的級(jí)配(見圖2)。土石料則是通過將巖屑坡堆積層上超徑石塊(體積大于1 m3或邊長大于1.5 m)剔除，用余下的石料制備。然后分層(層厚2.5 m)填筑，每立方米石料加水150 L，該料區(qū)不再另外壓實(shí)。

1.4 施工情況

原壩用930萬m3的填料修筑而成，平均每月填筑50萬m3，最高70萬m3。大壩填筑的成本包括Opalinus黏土的成本和制備原料所需的各種安裝成本，平均約合10法郎/m3。

1.5 原壩的長期工況

開工以后，通過觀察地面55個(gè)沉降點(diǎn)、4條大壩力學(xué)沉降測鏈、12臺(tái)設(shè)置在灌漿廊道上游壩基上的水壓傳感器、11個(gè)設(shè)置在灌漿廊道下游側(cè)以及交通洞沿途安裝的排水監(jiān)測點(diǎn)對(duì)原壩的工況實(shí)施監(jiān)控。在心墻區(qū)和滲水區(qū)分別安裝了43臺(tái)和18臺(tái)振弦式壓力計(jì)，用以監(jiān)測施工期和運(yùn)行期心墻區(qū)孔隙水壓力的變化情況。然而，有一半的設(shè)備在5 a后受損。20 a后，所有的壓力計(jì)均無法使用。1983年和1993年，將這些設(shè)備都更換為卡爾森和Gl?tzl型傳感器，這些新設(shè)備運(yùn)行良好，確保了大壩壓力狀況正常。

滲水量作為衡量心墻和灌漿帷幕效果好壞的重要指標(biāo)，不管是在冰雪凍融期的春季還是在強(qiáng)降雨的秋季，都趨于穩(wěn)定，其最大總滲水量為6 L/s。目前，壩頂每年沉降約為4 mm，且沉降值正逐漸減小。通過肉眼觀察，全年未發(fā)現(xiàn)大壩表面有因內(nèi)部侵蝕滲水而導(dǎo)致的明顯塌陷。因此，可以認(rèn)為該壩運(yùn)行情況良好。

2 大壩加高

2.1 設(shè)計(jì)理念

原壩下游邊坡十分陡峭，坡比達(dá)1(V)∶1.45(H)，這種設(shè)計(jì)不能通過延伸陡坡來加高壩頂，而唯一可行的辦法是使用結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如石籠。然而，為了不破壞當(dāng)?shù)氐木坝^，在保留原壩外觀的基礎(chǔ)上，要求在壩頂上種草。鑒于此，心墻必須向大壩上游方向彎曲。為了使這種彎曲最小，需要挖掉部分原有心墻，使原心墻料與新心墻料之間形成一個(gè)傾斜的接觸面。這也是減少水平滲徑的一種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)措施(見圖3)。

對(duì)原有的5 m超高進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)還對(duì)洪水、雪崩或土崩、巖崩以及風(fēng)浪產(chǎn)生的浪高和水位抬升情況進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)估后將加高后大壩的超高定為4.5 m。

最終，通過采取以下措施將水庫水位抬高8 m:

圖3 施工順序

(1)將超高降低0.5 m;

(2)填筑6.9 m高堆石使壩頂高程增高至1803.9 m;

(3)在上游壩頂邊緣處設(shè)置2排石籠(0.5 m×1.0 m，1.0 m ×1.5 m)，使超高增加0.6 m。

2.2 細(xì)部設(shè)計(jì)

將加高部分心墻區(qū)下游坡與壩肩的35°陡坡平行增高，不利于大壩的穩(wěn)定。因此，該設(shè)計(jì)要求對(duì)心墻料、反濾料和填土區(qū)料的強(qiáng)度進(jìn)行全面檢測，以證實(shí)各項(xiàng)穩(wěn)定性判據(jù)可靠有效。為此，從大壩下游側(cè)的取土區(qū)采集了25 m3的石屑坡料作為樣品。將樣品料過篩，按要求粉碎，打包后送至葡萄牙里斯本的國家土木工程實(shí)驗(yàn)室(LNEC)。實(shí)驗(yàn)室對(duì)心墻料和反濾料樣品進(jìn)行14項(xiàng)大型三軸試驗(yàn)。

一些樣料被送到瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院的巖土工程研究所(IGT)，該所對(duì)心墻料及反濾料進(jìn)行了5項(xiàng)加荷三軸試驗(yàn)，以研究在周期加荷期間孔隙水壓力增大的情況、剪切模量下降情況以及壩料的阻尼系數(shù)。

采用SIMQKE規(guī)范計(jì)算得出設(shè)計(jì)抗震(即地面加速度水平峰值為0.24 g、持續(xù)時(shí)間為17 s、采用歐洲規(guī)范8得出A型土壤的反應(yīng)譜)的加速度-時(shí)間關(guān)系曲線圖。并將此結(jié)果用于QUAD=4M中生成的2D有限元壩型的基巖，用以進(jìn)行非線性響應(yīng)分析，并以此確定穿過壩頂?shù)乃x深層滑塊及淺層滑塊的加速度-時(shí)間關(guān)系曲線圖?？拐鹪囼?yàn)期間滑塊的位移值可以通過運(yùn)用紐馬克的滑塊測量法得出?；诓牧蠚堄鄰?qiáng)度進(jìn)行虛擬靜態(tài)分析可以得出屈服加速度，并能測出因阻力損失而產(chǎn)生的過量孔隙水壓力。對(duì)于格舍嫩壩加高工程而言，通過計(jì)算得出壩頂滑塊的位移值在0.5～1 m間都是可以接受的。因此，從設(shè)計(jì)抗震來看，加高后的大壩是安全可靠的。

2.3 大壩加高用料的選用

心墻料同樣是由石屑坡和取自霍爾德班克的Opalinus黏土粉末混合而成，現(xiàn)在的價(jià)格為156法郎/t。加高時(shí)，心墻料的最大粒徑降為40 mm，而黏土顆粒的含量提高了18%。1.5～2.8 m厚的反濾區(qū)根據(jù)現(xiàn)行排水濾層規(guī)程設(shè)計(jì)。由于加高后的壩頂寬度減少到5.5 m，因此，原壩過渡區(qū)、排水區(qū)和堆石區(qū)的作用都集中到堆石區(qū)(4a)上，而堆石區(qū)的最大顆粒粒徑已下降為60～200 mm。此舉對(duì)維持該區(qū)自由排水特性，以及對(duì)該區(qū)強(qiáng)度、填筑/壓實(shí)都很有利。上游壩肩用堆石料(4b)填充，而大壩表面則由拋石層覆蓋。

2.4 質(zhì)量控制

工地實(shí)驗(yàn)室對(duì)壩料進(jìn)行質(zhì)量控制，并對(duì)原壩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。每填筑500 m3抽取一個(gè)心墻料和反濾料芯樣，在堆石(4a)區(qū)和(4b)區(qū)各填筑2000 m3和6000 m3分別抽取一個(gè)芯樣，用以控制填料的質(zhì)量。用這些樣品定出細(xì)砂的原位密度、普式擊實(shí)值、比重(顆粒密度)、含水量，以及稠度極限值。此外，預(yù)計(jì)還要進(jìn)行壓密試驗(yàn)、砂塔試驗(yàn)以及沃恩式反濾試驗(yàn);對(duì)堆石(4b)區(qū)，還要進(jìn)行大型滲水試驗(yàn)。

2.5 施工期大壩監(jiān)測

施工期間，沿大壩軸線將大壩分為5個(gè)區(qū)，大壩原有心墻區(qū)的孔隙水壓力通過在這5個(gè)區(qū)內(nèi)安裝的3臺(tái)壓力計(jì)來監(jiān)控，這3臺(tái)壓力計(jì)分別安裝在高程1780，1785 m和1790 m處。而新心墻區(qū)的孔隙水壓力則通過2臺(tái)接觸式壓力計(jì)(老心墻區(qū)和新心墻區(qū)之間)來監(jiān)控，心墻區(qū)的5臺(tái)壓力計(jì)和反濾區(qū)的3臺(tái)壓力計(jì)分別安裝在這5個(gè)區(qū)內(nèi)。接觸區(qū)和上游心墻區(qū)在高程1797.5 m處的彎曲情況則用1臺(tái)三段式垂直位移測鏈來監(jiān)控，同時(shí)測鏈可以監(jiān)測最終發(fā)生的差異性位移情況。除了保留原有4臺(tái)沉降測鏈外，沉降測量的范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.6 附屬建筑物

溢洪道、上調(diào)壓室都將根據(jù)大壩的加高而做出相應(yīng)的調(diào)整。原有的側(cè)槽式溢洪道將在較高位置進(jìn)行重建，新建的溢洪道額定溢流能力為240 m3/s。為此必須將側(cè)槽式溢洪道前50 m的溢洪槽直徑擴(kuò)大。而泄洪中孔在汛期也不再使用，但會(huì)將其保留并升級(jí)，以適應(yīng)水庫運(yùn)行的靈活性需求。

原上調(diào)壓室將會(huì)擴(kuò)建，即在高程1809.27 m處建一座新的調(diào)壓室。這座新調(diào)壓室通過一條直徑為2.8 m的豎井與原調(diào)壓室相連。新調(diào)壓室長60 m，直徑為4 m，與一條新修的長80 m的引水洞相連。除了通過未作硬性規(guī)定的例行檢修進(jìn)行評(píng)估外，對(duì)該水電站其他所有建筑物的評(píng)估，主要涉及大壩加高、升級(jí)所產(chǎn)生的影響。

2.7 大壩加高施工情況

加高工程大約需要30萬m3壩料，每平方米平均要耗費(fèi)21法郎(包括加工、運(yùn)輸、填筑和壓實(shí))，若算上安裝、進(jìn)場道路、開挖、基坑開挖、灌漿、質(zhì)量控制和大壩監(jiān)測的費(fèi)用，則成本約為52法郎/m3。這些費(fèi)用占整個(gè)工程總費(fèi)用的50%，工程總費(fèi)用還包括附屬建筑物的改擴(kuò)建、綠化、生態(tài)修復(fù)、細(xì)部設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場監(jiān)理費(fèi)用。

3 結(jié)語與展望

格舍嫩壩的加高是根據(jù)最新技術(shù)發(fā)展水平(數(shù)值模型和實(shí)驗(yàn)室研究)，充分考慮現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估并優(yōu)化大壩原有結(jié)構(gòu)(包括壩頂寬度、超高、坡度)來實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造的一個(gè)范例。

大壩加高后，格舍嫩電站的庫容將增加15%，即增容到8700萬m3。增加的庫容并非用于發(fā)電，而是使需電高峰期間的發(fā)電更具靈活性。