甘肅黑河寶瓶水電站混凝土面板堆石壩右岸坡積物優(yōu)化研究

閻步宇，張國(guó)華

(甘肅電投河西水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅張掖 734000)

1 工程概況

寶瓶水電站位于黑河上游，工程所處位置以黑河為界，左岸屬甘肅省肅南裕固族自治縣，右岸屬青海祁連縣，是黑河水能規(guī)劃的第七座梯級(jí)電站，工程主要任務(wù)是發(fā)電，采用引水式開(kāi)發(fā)。水庫(kù)總庫(kù)容2050萬(wàn)m3，電站總裝機(jī)容量123MW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量4.14億kW·h，工程總投資10.3億元。

寶瓶水電站工程主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房三部分建筑物組成，工程為中型Ⅲ等工程，首部樞紐主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙洞、引水發(fā)電進(jìn)水口等建筑物組成?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?528.6m，最大壩高93.60m，壩頂長(zhǎng)147.0m，壩頂寬6.0m。上游坡比為1∶1.45，下游壩坡為1∶1.4。大壩設(shè)計(jì)總填筑方量為123.17萬(wàn)m3。

泄水建筑物由潛孔式溢洪道和泄洪排沙洞組成。溢洪道布置在大壩左岸，共三孔三槽，采用擴(kuò)散挑流消能;泄洪排沙洞進(jìn)口布置在左岸山梁上，采用挑流消能。引水建筑物由岸塔式進(jìn)水口、有壓隧洞、調(diào)壓井、高壓水道等組成，全長(zhǎng)7041.23m。引用流量100m3/s，額定水頭139.6m。發(fā)電廠房為地面式廠房，主要由地面廠房、尾水渠、升壓站、廠區(qū)防洪建筑物及進(jìn)廠公路等建筑物組成，安裝3臺(tái)混流式機(jī)組。

寶瓶水電站大壩樞紐工程于2009年11月1日開(kāi)工，2010年4月30日主河床截流，2011年3月10日大壩填筑到頂，2012年2月16日順利實(shí)現(xiàn)下閘蓄水，同年6月24日首臺(tái)機(jī)發(fā)電，較設(shè)計(jì)工期提前了10個(gè)月。

2 右岸坡積物

從壩體平面布置看，壩軸線下游右側(cè)存在較大范圍的第四系坡積物區(qū)域。堆積物坡腳寬，坡上變窄，厚度下厚上薄，在臨河谷處呈直立陡坎狀，與河水面相對(duì)高差5～70m，上部為崩坡積塊石碎石土，厚25～35m，松散，無(wú)膠結(jié)。表層土含量較高，崩積巖塊多分布于堆積體中前部，塊石、碎石土成分主要為蛇紋巖，呈棱角狀，無(wú)分選，大小混雜，多架空。下部為Ⅱ級(jí)階地砂卵礫石，主要由漂石、砂卵礫石、局部夾砂層透鏡體組成，砂層透鏡體厚度不均。砂卵礫石厚20～35m，較密實(shí)，無(wú)膠結(jié)，砂卵礫石成分主要為蛇紋巖、石英巖、砂巖等，磨圓較好，多呈渾圓、橢圓狀，分選性差。

該片第四系堆積物在面板壩壩體范圍內(nèi)順河長(zhǎng)度230m，前緣高程2450～2455m，后緣高程 2535～2570m，垂直河道寬度80～150m，根據(jù)平行斷面法計(jì)算:崩坡積塊石碎石土石方量約23萬(wàn)m3，砂卵礫石方量約10萬(wàn)m3。圖1、圖2為右岸堆積物概貌及細(xì)部情況。

圖1 右岸堆積體范圍 (從上游向下游方向看)

圖2 堆積體下部顆粒組成

3 問(wèn)題的提出

面對(duì)寶瓶水電站右岸坡積物，設(shè)計(jì)人員和專(zhuān)家均存在兩種不同的意見(jiàn)。一種意見(jiàn)認(rèn)為右岸坡積物主要由崩塌形成，局部存在架空現(xiàn)象，顆粒不均勻，密實(shí)度不高，坡積物變形對(duì)壩體存在不利影響，必須進(jìn)行全部挖除換填;另一種意見(jiàn)認(rèn)為根據(jù)坡積物剖面情況，下部主要由砂礫石組成，相對(duì)比較密實(shí)，上部局部崩積體顆粒膠結(jié)，且經(jīng)過(guò)多年自然沉積，只需挖除表面相對(duì)不密實(shí)層，沒(méi)有必要全部挖除。針對(duì)此種情況，公司組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、試驗(yàn)等單位組成了研究小組，進(jìn)行深入試驗(yàn)分析論證，通過(guò)試驗(yàn)從坡積物材料特性、穩(wěn)定性等方面進(jìn)行仔細(xì)深入的對(duì)比分析。

4 右岸坡積物材料特性試驗(yàn)研究

為考察壩軸線下游右岸坡積物的壓縮特性和變形特性，分別在堆積物不同高程取樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)分析?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的堆積物不同高程位置的材料容重與級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 寶瓶水電站橫14剖面洪積砂卵礫石顆分成果

4.1 材料級(jí)配及試樣控制標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)材料取自堆積體不同高程位置，試驗(yàn)材料按表1編號(hào)材料相應(yīng)編號(hào)。材料試驗(yàn)的級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 材料試驗(yàn)級(jí)配

試驗(yàn)依據(jù)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

4.2 試驗(yàn)控制干密度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)室試樣制備情況，試驗(yàn)控制干密度確定為:1號(hào)材料為1.96g/cm3，2號(hào)為2.06g/cm3，3號(hào)為2.01g/cm3。

4.3 試驗(yàn)及試驗(yàn)成果

4.3.1 比重試驗(yàn)

根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求，對(duì)于粒徑小于5mm的細(xì)粒土采用比重瓶法測(cè)定其比重，對(duì)于粒徑大于5mm的粗粒土采用虹吸筒法測(cè)定其比重，然后根據(jù)各粒組含量所占百分比以及相應(yīng)的比重，采用加權(quán)法確定用料的比重。按此方法測(cè)定的堆積體材料比重為2.68。

4.3.2 壓縮試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)儀器。壓縮試驗(yàn)采用大型高壓壓縮儀，壓縮儀容器的直徑為300mm、高為180mm，最大垂直壓力為10MPa。

(2)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試樣級(jí)配及控制干密度稱(chēng)取試料，拌和均勻，分兩層裝入壓縮容器，并分層夯實(shí)到要求干密度。在施加第一級(jí)荷重后，立即向水槽中注水至滿，試樣自下向上飽和。垂直壓力等級(jí)分為 0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa及3.2MPa 7級(jí)，每一級(jí)加荷歷時(shí)由壓縮變形穩(wěn)定情況而定，本地試驗(yàn)一般為1h，壓縮變形量由4個(gè)呈90°分布的位移傳感器測(cè)定，取其平均值。

(3)試驗(yàn)成果。壓縮試驗(yàn)成果的整理按表3所列公式計(jì)算。此次試驗(yàn)中分別對(duì)1～3號(hào)材料進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，各種材料的試驗(yàn)結(jié)果列于表4。

表3 壓縮試驗(yàn)各參數(shù)的計(jì)算方法

表4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果

4.3.3 三軸壓縮試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)儀器。三軸試驗(yàn)采用SJ-70大型高壓三軸試驗(yàn)儀，其軸向最大出力為2500kN，最大周?chē)鷫毫?MPa。試樣直徑300mm，試樣高度700mm。

(2)試驗(yàn)方法:

試樣制備方法:將風(fēng)干后的試料，按試料級(jí)配及干密度，稱(chēng)取試料，拌和均勻，分5層均勻地裝入對(duì)開(kāi)模內(nèi)，并分層夯實(shí)到控制干密度。對(duì)粗粒材料，尤其是帶棱角的塊石，在試驗(yàn)剪切過(guò)程中，由于橡皮膜易被刺破，故試驗(yàn)采用雙層橡皮膜。

試驗(yàn)方法:對(duì)于飽和固結(jié)排水剪切試驗(yàn) (CD)，采用抽氣飽和，試樣右下向上通水，當(dāng)上管出水后停止抽氣，用靜水頭繼續(xù)飽和，直至從上管溢出的水中不含氣泡為止。飽和過(guò)程完成后，施加周?chē)鷫毫M(jìn)行固結(jié)，至試樣排出的水量不再增加，即完成固結(jié)過(guò)程。試驗(yàn)時(shí)的周?chē)鷫毫︼L(fēng)別為0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa及1.6MPa。剪切速度為1mm/min。試樣最大剪應(yīng)變一般為15%。

破壞點(diǎn)的確定:當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時(shí)，取峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無(wú)峰值時(shí)，則取應(yīng)變15%所應(yīng)對(duì)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)。

(3)試驗(yàn)成果。此次試驗(yàn)中僅對(duì)2號(hào)材料進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)。圖3為試驗(yàn)所得的強(qiáng)度包線。從中可以看出，材料強(qiáng)度包線表現(xiàn)出非線性特征，為了準(zhǔn)確地表達(dá)堆石材料在不同應(yīng)力條件下的性能，有效內(nèi)摩擦角φ采用如下的表達(dá)式:

式中 φ0——壓力為一個(gè)大氣壓時(shí)的內(nèi)摩擦角;

Δφ——試驗(yàn)值;

σ3——周?chē)鷫毫?

pa——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

三軸試驗(yàn)所得出的材料強(qiáng)度指標(biāo)和Duncan模型參數(shù)見(jiàn)表5、表6，相應(yīng)的試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4、圖5。

圖3 2號(hào)材料三軸試驗(yàn)的強(qiáng)度包線

表5 2號(hào)材料的強(qiáng)度指標(biāo)

表6 2號(hào)材料Duncan模型參數(shù)

圖4 2號(hào)材料三軸試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 2號(hào)材料三軸試驗(yàn)的ε1—εv關(guān)系曲線

4.4 右岸坡積物材料性質(zhì)評(píng)價(jià)

從右岸坡積物的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配和密度試驗(yàn)看，坡積體上部較松散，下部相對(duì)密實(shí)。但坡積物材料的總體密實(shí)度不高，顆粒分布不均勻。從表4所列壓縮試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，堆積體中下部材料的壓縮系數(shù) av小于0.1MPa－1，屬低壓縮性。堆積物材料的壓縮模量不高，總體上呈低至中壓縮性。

從材料的三軸壓縮試驗(yàn)看，堆積體材料的強(qiáng)度指標(biāo)中等，但材料的彈性模量數(shù)和體積模量數(shù)不高。因此，這部分材料在荷載作用下將會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。

5 右岸坡積物對(duì)大壩應(yīng)力變形特性的影響分析

從對(duì)右岸坡積物的現(xiàn)場(chǎng)勘探、調(diào)查，以及級(jí)配和密度試驗(yàn)結(jié)果看，右岸坡積物的材料分布不均勻，自上而下，坡積物材料的強(qiáng)度中等，模量不高，變形參數(shù)相對(duì)較低。因此，這部分坡積物在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形。但從坡積體的位置看，其分布主要集中壩軸線下游的右岸一側(cè)，分析認(rèn)為，這部分坡積體對(duì)壩體變形的影響主要集中在下游堆石區(qū)右岸的局部區(qū)域，對(duì)河床斷面和左岸堆石區(qū)的應(yīng)力變形不會(huì)有太大的影響。由于坡積體位于壩軸線下游，其局部變形的增大也不會(huì)對(duì)蓄水后混凝土面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生過(guò)大的影響?？紤]到壩體布置在河道的轉(zhuǎn)彎處，坡積體自身穩(wěn)定不存在問(wèn)題，因此，坡積體對(duì)壩后下游坡的穩(wěn)定也不會(huì)造成不利影響。

從工程類(lèi)比看，云南泗南江水電站混凝土面板堆石壩工程也存在類(lèi)似的情況，經(jīng)過(guò)分析研究，選擇了保留堆積體的處理方案，云南泗南江水電站庫(kù)容2.47億m3，裝機(jī)容量201MW，混凝土面板堆石壩壩頂長(zhǎng)度為344m，最大壩高115m，工程規(guī)模略大于寶瓶水電站。壩體左岸壩軸線下游有崩塌堆積體，分布范圍大，厚度多在20～30m之間，勘探揭露最大垂直埋深33m、最大水平埋深42m，表層0～3m存在架空現(xiàn)象，崩塌堆積體情況基本與寶瓶水電站類(lèi)似。

6 研究結(jié)論

根據(jù)對(duì)寶瓶水電站面板堆石壩右岸堆積體顆粒級(jí)配及密度測(cè)試、材料室內(nèi)壓縮和三軸試驗(yàn)，以及堆積體對(duì)壩體應(yīng)力變形影響的定性分析，可以得出以下主要結(jié)論:

(1)右岸坡積體主要由崩坡積塊石碎石和砂卵礫石組成，坡積物材料的密實(shí)度不高，顆粒分布不均勻。從壓縮試驗(yàn)看，堆積體材料的壓縮模量不高，總體上呈低至中壓縮性。從三軸試驗(yàn)看，堆積體材料的強(qiáng)度指標(biāo)中等，但材料的彈性模量數(shù)和體積模量數(shù)不高。

(2)坡積體自身穩(wěn)定不存在問(wèn)題。由于坡積體位于河道轉(zhuǎn)彎的凸岸，因此，坡積體對(duì)壩后下游坡的穩(wěn)定不會(huì)造成不利影響。

(3)由于坡積體材料相對(duì)較松散，坡積體對(duì)下游堆石區(qū)右岸局部區(qū)域的變形有一定的影響，但對(duì)河床斷面和左岸堆石區(qū)的應(yīng)力變形不會(huì)有太大的影響。由于坡積體位于壩軸線下游，其局部變形的增大也不會(huì)對(duì)蓄水后混凝土面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生過(guò)大的影響。

(4)考慮到寶瓶水電站壩址區(qū)的實(shí)際情況，并結(jié)合相關(guān)工程類(lèi)比分析，右岸堆積體可予以保留，不必全部挖除。但應(yīng)適當(dāng)清除表層架空部分及相對(duì)不密實(shí)層，并在其表面設(shè)置反濾保護(hù)。

7 確定的處理措施

經(jīng)綜合論證分析后，寶瓶水電站確定的右岸坡積體處理措施為:保留右岸坡積體，但壩基范圍內(nèi)的崩塌堆積體清除表層3～5m架空及相對(duì)不密實(shí)層，在坡積體與壩體接觸面增加2m過(guò)渡料條帶作為反濾層，并在坡積體增設(shè)觀測(cè)儀器。在實(shí)際施工過(guò)程中嚴(yán)格按此方案進(jìn)行。

8 結(jié)語(yǔ)

寶瓶水電站大壩于2010年4月30日截流，2011年3月10日填筑到頂，比設(shè)計(jì)工期提前了6個(gè)月，從開(kāi)挖到填筑，僅用了短短7個(gè)月的 時(shí)間，完成了近26萬(wàn)m3的壩基土石方開(kāi)挖和110萬(wàn)m3的堆石料填筑，而且主要集中在高海拔、高嚴(yán)寒的冬季惡劣氣候條件下完成，其中大壩軸線下游側(cè)右岸坡積物的設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少土石方開(kāi)挖量約20多萬(wàn)m3，減少堆石料填筑20多萬(wàn)m3，僅此一項(xiàng)就直接節(jié)約工程投資約1000萬(wàn)元。更為關(guān)鍵的是此項(xiàng)優(yōu)化在很大程度上降低了施工難度，右岸坡積物上下高差達(dá)到了75m，按自上向下開(kāi)挖的施工順序，光開(kāi)挖就至少需要2個(gè)月時(shí)間，20萬(wàn)m3的壩體填筑，至少需要1個(gè)月時(shí)間，直接節(jié)約了3個(gè)月的工期，大壩提前進(jìn)入了沉陷期，使沉陷期達(dá)到了6個(gè)月，有力地促進(jìn)了大壩的穩(wěn)定，為后續(xù)混凝土面板的施工創(chuàng)造了良好條件。

寶瓶水電站于2012年2月16日下閘蓄水，6月24日首臺(tái)機(jī)發(fā)電，設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)揮了巨大的作用，大壩投入運(yùn)行后，在正常水位2523m條件下運(yùn)行了快1年時(shí)間。觀測(cè)資料顯示:大壩整體運(yùn)行穩(wěn)定，右岸觀測(cè)數(shù)據(jù)基本與大壩整體一致，變形分布符合堆石壩一般規(guī)律，且變形逐漸趨于穩(wěn)定。截至2012年12月25日，寶瓶水電站累計(jì)上網(wǎng)電量2.96億kW·h，創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益8052萬(wàn)元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。