陰坪水電站首部樞紐閘壩設計

王菊梅

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

陰坪水電站位于四川省平武縣境內(nèi)的涪江一級支流火溪河上，是火溪河水電梯級開發(fā)的最后一級，為引水式開發(fā)。水庫正常蓄水位為1 248.00m，相應庫容為112.6萬m3， 電站裝機容量為100MW，為單一發(fā)電工程，無其它綜合利用要求。

電站樞紐工程為三等，主要水工建筑物按3級設計，地震設防烈度為7度，地震基巖峰值加速度為0.1g。

首部樞紐建筑物由左至右分別為左岸擋水壩、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸擋水壩及其上游側的取水口閘，壩頂高程1 249.50m，閘壩最大高度為35.0m。據(jù)勘探資料揭示，河床覆蓋層深厚，最深約106.77m，結構層次復雜，存在軟弱下臥層。軟弱層主要以砂、砂壤土為主，承載力、壓縮模量及抗剪強度均較低，且在7度地震時有液化的可能。經(jīng)方案比較閘壩基礎采用振沖碎石樁進行處理，通過振沖及填料擠壓置換形成復合地基，以提高地基的承載力、抗剪強度和抗變形能力，防止其發(fā)生液化。

2 首部樞紐工程地質(zhì)情況

陰坪閘址河段為不對稱的“U”型河谷，兩岸臨河坡高80～100m，最高可達300余m，呈較典型的橫向谷。基巖主要出露于兩岸谷坡，左岸出露于1 240.00m高程以上，右岸出露于1 220.00～1 290.00m高程以上。巖性為灰白色二云母石英片巖，堅硬、性脆，呈中—厚層狀結構，局部薄層狀結構，片狀構造，黑云母定向排列，片理極發(fā)育。

閘址覆蓋層厚度變化較大，為28.1～106.77m，左側坡腳約為28.1m，左岸階地為47.75～106.77m，現(xiàn)代河床一帶為30.2～83.14m。河床覆蓋層主要由砂卵礫石、砂及壤土組成，按成分和粒度的差異自上而下可分為8層，分別為

⑧層：褐黃色粉砂質(zhì)壤土層，厚0～5.92m，碎、礫石主要為二云母石英片巖，土為淺黃色壤土，可見大量植物根系。

⑦層：含漂砂卵礫石層，厚2.83～8.25m，平均厚5.2m，閘區(qū)分布連續(xù)且厚度變化較小。該層結構較松散，漂(塊)卵礫石主要為二云母石英片巖、花崗巖、變質(zhì)砂巖等，漂(塊)石粒徑20～30cm，卵石粒徑5～8cm、礫石粒徑0.5～1cm，圓～次圓狀；砂為灰褐色中細砂。

⑥層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，厚0～8.78m，最小埋深3.15m。分布于閘軸線以上及以下約70m范圍內(nèi)，從上游到下游逐漸變薄，護坦末端處尖滅；由河床至左岸緩坡厚度逐漸增大。呈深灰色，結構較緊密，含水量較高，呈軟塑～流塑狀，含有機質(zhì)，可搓成直徑2～3mm的土條，偶見碎石包含物，風干后呈灰白色，較堅硬。根據(jù)地質(zhì)判斷當遭受設計地震烈度影響時該層為可液化層。

⑤層：砂層，厚2.37～20.16m，最小埋深4.9m，分布較連續(xù)，河床附近較厚，向岸坡方向變薄，上游較厚達18.83～20.16m，下游變薄僅2.37m。該層主要為灰褐—黃褐色粉細砂—中粗砂，二者界限不明顯，以粉細砂夾中粗砂透鏡體更常見。至護坦下游及下游圍堰漸變?yōu)橹写稚?。該層結構較松散，見3～5cm碎石包含物，成分為二云母石英片巖。根據(jù)地質(zhì)判斷當遭受設計地震烈度影響時該層為可液化層。

④層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～8.52m，最小埋深9.1m。從閘軸線上游約25m至護坦末端及現(xiàn)代河床至公路一帶該層厚4.89～8.52m；上游圍堰河床部位，該層變薄，厚3.40～3.83m；到下游圍堰河床部位該層尖滅。該層結構較緊密，多呈硬塑狀，見5～20cm柱狀巖心，失水后出現(xiàn)裂紋，風干后呈灰白色，堅硬，可搓成直徑3～4mm的土條。局部夾粉細砂，偶見3～5cm及20～30cm碎、塊石包含物，成分為二云母石英片巖，含有機質(zhì)。

③層：塊碎石土層，分布較連續(xù)，層厚0～8.47m，塊、碎石成分為二云母石英片巖，塊石粒徑40～60cm；碎石粒徑3～10cm，多呈棱角狀，部分呈次圓狀；礫石粒徑1～2cm，次棱角狀；土為砂土。

②層：深灰色粉砂質(zhì)壤土層，層厚0～18.0m，總體變化規(guī)律為：從上游到下游逐漸變厚、從左岸至河床逐漸變薄，閘軸線河床部位層厚4.68m，而下游圍堰河床部位層厚達18.0m，左岸斜坡處層厚一般8.51～16.09m，河床處層厚一般4.68～15.11m，且局部缺失。該層結構緊密，多呈硬塑狀，見5～25cm柱狀巖心，失水后出現(xiàn)裂紋，風干后呈灰白色，堅硬。偶見含粒徑27～35cm塊石及3～10cm碎石，塊、碎石成分為二云母石英片巖。

①層：含漂砂卵礫石層，分布于河谷底部，該層厚度變化較大，厚0～55.21m。向左岸變薄，河床中局部缺失。漂石粒徑30～50cm，成分為二云母石英片巖、花崗巖等；卵石粒徑5～15cm及2～3cm；礫石成分同卵石，粒徑0.5～1.5cm，圓～次圓狀；砂為灰黃色中細砂。

閘址基礎各類土體的允許承載力試驗值及物理力學性能建議指標見表1、2、3，閘基第⑤、⑥層地震液化綜合判別見表4。

表1 細粒土層標貫試驗成果匯總

表2 粗粒土層超重型動力觸探試驗成果匯總

表3 閘區(qū)覆蓋層物理力學參數(shù)建議值(原狀土)

表4 閘基第⑤、⑥層地震液化綜合判別

3 閘、壩設計

首部樞紐建筑物由左至右分別為左岸擋水壩、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸擋水壩及其上游側的取水口閘，壩頂高程為1 249.50m，閘壩最大高為35.0m。

左、右岸擋水壩段均為混凝土重力壩，左岸擋水壩段共長119.5m，最大壩高29.5m(齒槽處為34m)，分為7個壩段。緊鄰泄洪閘的壩段為沖沙閘和泄洪閘平板檢修門儲門槽壩段，壩頂寬12.0m，其余擋水壩段壩頂寬為8.0m。右岸擋水壩段位于沖沙閘右側、取水口下游，壩段長約22.1m，最大壩高33.5m。

為保證泄洪、沖沙順暢，泄洪閘和沖沙閘盡量布置在主河道上。根據(jù)閘址的地形條件及樞紐建筑物泄洪能力和沖沙的要求，并考慮沖排水庫沉積的淤沙需要，結合泄洪計算成果，確定主河床布置2孔泄洪閘、1孔沖沙閘。2孔泄洪閘和沖沙閘共同組成1個閘室段，閘室長50.0m，寬30.95m，最大閘高35.0m。為了減小閘門擋水高度，泄洪閘、沖沙閘設置胸墻。泄洪閘孔口尺寸為6.0m×10.0m(寬×高)，沖沙閘孔口尺寸為3.0m×10.0m(寬×高)。閘室段底板前段20.0m高程為1 220.50m，后段30.0m以縱坡i=0.15與護坦在高程1 216.00m相接。為減輕閘室的磨損，在泄洪閘、沖沙閘工作閘門前的底板和閘墩1.2m高范圍采用鋼板襯護，工作閘門后底板表層40cm及閘墩1.2m高度范圍均采用C40HF抗沖耐磨混凝土保護。

閘室上游設25.0m長鋼筋混凝土鋪蓋，厚度為3.0m，上下游側設防沖齒槽。閘室下游設斜坡式護坦，護坦總長50.0m，縱坡i=0.02。為減輕磨損，鋪蓋和護坦表面均采用厚30cm的C40HF抗沖磨混凝土。護坦后設鋼筋混凝土海漫，長35.0m，厚1.0m，下游防沖齒槽深4.0m。

根據(jù)地質(zhì)資料，閘壩基礎均為覆蓋層，河床部位基礎防滲采用1.0m厚懸掛式防滲墻，深入具有相對不透水的②層，墻底高程1 178.00m。兩岸壩肩為卸荷帶，透水性強，地下水位低于正常蓄水位且比較平緩，滲漏比較嚴重，對卸荷巖體進行帷幕灌漿處理。左岸灌漿平洞深入山體，穿過左壩肩的古河道水平長度15.0m；右岸灌漿平洞深入山體水平長度20.0m，帷幕底高程低于地下水位1.0m左右。

4 閘、壩穩(wěn)定及基底應力計算

根據(jù)(SL 265-2001)《水閘設計規(guī)范》規(guī)定進行各組合工況下閘、壩的穩(wěn)定及基底應力計算。泄洪、沖沙閘閘室段作為整體按不對稱結構進行閘室穩(wěn)定及基底應力計算；各擋水壩段分別進行穩(wěn)定及基底應力計算。計算主要成果見表5。

從表5可見：

(1) 泄洪沖砂閘及擋水壩各壩段沿建基面的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足(SL 265-2001)《水閘設計規(guī)范》要求，但安全富裕度不大。

(2) 根據(jù)規(guī)范規(guī)定：中等堅實土基上閘室基底應力不均勻系數(shù)(最大值與最小值之比)應滿足規(guī)范規(guī)定的允許值(基本組合為2.00，特殊組合為2.50，地震區(qū)可適當增大)；平均基底應力不大于地基允許承載力；最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2倍。由于地基結構層次復雜，存在軟弱下臥層，需驗算經(jīng)振沖處理后下臥各層的承載力。

表5 閘、壩沿建基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)及基底應力計算成果

注： 7號擋水壩段為基巖岸坡接頭壩段。

5 閘壩基礎處理設計

根據(jù)首部樞紐布置圖，各建筑物建基面除閘壩段齒槽局部直接位于⑥層上外，其余各建基面均在⑦層上，第⑦層的天然地基承載力為0.4～0.5MPa，但第⑦層平均厚度僅5.2m，建基面以下厚度不足5m，第⑦層以下的第⑥、第⑤層分別為深灰色粉砂質(zhì)壤土和砂層，屬軟弱下臥層，天然承載力很低，根據(jù)閘壩穩(wěn)定及基底應力計算成果，閘壩地基不滿足建筑物承載要求(見表5)，且地質(zhì)判斷第⑤、⑥層為液化土層，需對其進行基礎處理，以提高地基的允許承載力及抗液化能力。經(jīng)綜合比較采用振沖碎石樁對閘壩地基進行加固處理。

基礎振沖碎石樁的設計根據(jù)(DL/T5214-2005)《水電水利工程振沖法地基處理技術規(guī)范》，并結合本工程地基層次復雜，軟弱下臥層天然承載力、抗變形能力及抗剪強度較低且可能液化，而基礎長期處于水下，擋水高度又較大，最大閘壩高度達35.0m的特點，確定振沖碎石樁的范圍，包括泄洪沖砂閘段、取水口閘、各擋水壩段、鋪蓋、護坦邊墻的地基，并考慮一定的護樁范圍。振沖碎石樁按等邊三角形布置，設計樁徑為1.0m，泄洪、沖砂閘及上游護樁范圍、取水口、右岸擋水壩段及左岸1～3號擋水壩基礎樁間距為1.5m，左岸4～5號擋水壩、鋪蓋上游側、擋水壩段及泄洪沖砂閘段下游護樁，護坦邊墻基礎樁間距為2.0m， 6號擋水壩基礎不作處理。通過軟弱下臥層的承載力驗算，閘室基礎以下樁長為23.0m，擋水壩段局部最大深度為26.0m。

基礎振沖碎石樁處理范圍見圖1。

6 復合地基承載力驗算

軟弱層地基承載力較低，需驗算其強度，要求作用在頂面處的附加應力及自重應力之和不超過此層修正后的承載力，即

pz+pcz≤faz

式中pz——軟弱下臥層頂面處的附加應力標準

值，kPa；

pcz——軟弱下臥層頂面處的自重應力標準值，kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處的經(jīng)深度修正后地基承載力特征值，kPa。

緊急切斷閥與普通開關閥的主要功能區(qū)別在于緊急切斷閥在發(fā)生事故時仍能執(zhí)行動作且響應快速，因此在選型時對于緊急切斷閥的配置要求更高。筆者在設計過程中除了依據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規(guī)范》[5]，還重點參考了《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規(guī)定》(中國石化建[2011]518號文)，該規(guī)定對于緊急切斷閥的技術性能、閥門材質(zhì)、執(zhí)行機構選型、檢驗與測試等都做了比較詳細的規(guī)定。

修正后地基承載力特征值計算公式：

faz=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.5)

圖1 基礎振沖碎石樁平面布置

式中faz——修正后地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，kPa；

γ——基礎以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

b——基礎底面寬度，m；當基礎底寬小于3m時按3m考慮，大于6m時按6m考慮；

γm——基礎以上土的加權平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

d——基礎埋置深度，m；

ηb，ηd——基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù)。

對于矩形基礎，附加應力pz采用下式計算：

式中p0——基底平均應力標準值，kPa；

b——矩形基礎底邊寬度，m；

l——矩形基礎底邊長度，m；

θ——地基壓力擴散角，(°)；

對于Z<0.25b，不考慮壓力擴散角作用，取θ=0。

地基承載力驗算成果見表6。

表6 閘、壩地基軟弱下臥層承載能力驗算成果

從表6可見：對比振沖試驗初步成果，當采用樁間距1.5m時，經(jīng)振沖樁處理后復合地基承載力可滿足要求，閘基以下23.0m(第④層內(nèi))承載力滿足要求，不需處理，振沖樁應深入閘基以下23.0m。以此確定其它各壩段的振沖樁間距及深度。

7 振沖樁復合地基承載力計算公式

振沖樁復合地基承載力計算如下式：

式中fspk——復合地基的承載力標準值，kPa；

fsk——樁間土承載力標準值，kPa；

m——面積置換率；

fpk——樁體單位截面積承載力特征值，kPa；

d——樁的直徑，m；

de——等效影響圓的直徑，對于等邊三角形布置de=1.05s，s為樁的間距，m。

根據(jù)現(xiàn)場振沖碎石樁試驗成果：采用振沖碎石樁進行地基處理后，形成的復合地基承載力標準值、壓縮模量及抗剪指標均有所提高。剪切波初判間距1.5m和2.0m振沖區(qū)⑥、⑤層均不液化，標貫試驗復判⑥層可能液化、⑤層不液化。碎石樁排水減壓作用，液化可能性較小。振沖處理后復合地基參數(shù)見表7。

表7 閘址區(qū)⑥、⑤層振沖后復合地基物理力學參數(shù)建議值

8 首部樞紐三維滲透穩(wěn)定計算

地基采用振沖碎石樁加固處理后，地基承載力和抗變形能力提高，但地基的滲透性能也有所改變，為了解閘壩基礎滲透穩(wěn)定情況，采用三維有限元滲流程序對閘壩基礎防滲進行計算。在河床部位防滲墻穿過透水較強的第③層，深入相對不透水層第②層至1 178.00m高程，與岸坡深入基巖的防滲帷幕相接，在閘壩基礎經(jīng)過振沖處理后，第⑥、第⑤層地基滲透系數(shù)變大，經(jīng)三維滲流計算分析，閘壩基礎滲透穩(wěn)定。

9 震后復核

2008年5月12日，四川省汶川縣發(fā)生8級特大地震。此次地震影響到陰坪電站處的地震烈度為Ⅷ度。地震發(fā)生時陰坪電站首部樞紐的振沖處理已經(jīng)完成，有部分建筑物(護坦邊墻等)已經(jīng)施工完成，有部分擋水建筑物的底部已施工。經(jīng)震后檢查發(fā)現(xiàn)，地基及已經(jīng)施工的建筑物沒有明顯的變化和位移，也沒有發(fā)現(xiàn)地基有液化現(xiàn)象。

根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》國家標準第1號修改單，5.12地震后陰坪的地震基巖峰值加速度為0.2g。設計按新規(guī)定基巖峰值加速度采用0.2g對閘壩穩(wěn)定進行了復核計算，并根據(jù)需要在不影響泄洪、沖砂等樞紐布置格局，且不改變已經(jīng)施工建筑物結構的情況下進行了結構體型的局部調(diào)整。

10 結 語

(1)陰坪電站首部樞紐閘壩基礎處理的重點是提高基礎的承載力和抗變形的能力，振沖試驗成果表明首部樞紐閘壩基礎按設計方案經(jīng)過振沖碎石樁加固處理后，可以提高地基承載力和抗變形的能力，且基本解決第⑤、⑥層的液化問題。

(2)經(jīng)過復核驗算，首部樞紐閘壩基礎各部位振沖碎石樁的設計是滿足有關規(guī)范要求的。對于地基承載力，在設計中已經(jīng)考慮了進行寬度和深度修正，計算成果基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但高閘壩段安全富裕度仍不大。綜合投資、施工技術和難度、工期等因素看，該工程閘壩基礎處理設計方案是合理的、經(jīng)濟的。

(3)閘壩基礎經(jīng)過振沖處理后，樁體的滲透系數(shù)大，復合地基的滲透系數(shù)變大，經(jīng)過對閘(壩)基礎三維滲透計算分析，其滲透穩(wěn)定滿足要求。

(4)由于陰坪電站首部樞紐基礎覆蓋層深厚，結構層次復雜，厚度不均，存在軟弱下臥層，主要以砂、粉砂質(zhì)壤土為主，承載力、壓縮模量及抗剪強度低，且有液化的可能，而閘壩擋水高度大，最大閘壩高度達35.0m，對地基的要求高，基礎處理是本工程安全運行的關鍵。

特別鳴謝：本文得到胡永勝、張逢銀兩位教授的親切指導，在此感謝！