壩上砂土地區(qū)小水電站建設(shè)探討

李宏軍

(承德市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北承德 067000)

下灣子水電站位于壩上高原的小灤河流域，壩址以上流域面積1177km2，氣候寒冷干旱，年平均降雨量429mm，無(wú)霜期短 (100天)，最大凍土層厚2m。流域內(nèi)溝谷發(fā)育，地表出露巖性多為風(fēng)積細(xì)砂，海拔約在1100～1700m，大部分為壩上冀北高原。樞紐工程主要由攔河壩、溢洪道、導(dǎo)流 (沖沙)發(fā)電洞和電站廠房等組成，電站裝機(jī)容量2×500kW，水庫(kù)總庫(kù)容553萬(wàn)m3，是一座以發(fā)電為主，同時(shí)利用蓄水形成景觀水面、提升當(dāng)?shù)芈糜蝺r(jià)值、發(fā)揮綜合效益的水電站工程。

1 攔河壩施工

攔河壩壩型為土石壩，壩頂高程1223.5m，壩頂寬4m，最大壩高23.5m，壩頂長(zhǎng)386m，上游壩坡坡比為 1∶2.75～1∶3.0，下游壩坡坡比為 1∶2.5～1∶2.75。壩體采用當(dāng)?shù)丶?xì)砂填筑，但細(xì)砂壓實(shí)后的滲透系數(shù)為7×10－4cm/s，不滿足規(guī)范對(duì)均質(zhì)土壩滲透系數(shù)的要求，而且壩址處河床地質(zhì)覆蓋層較深、透水性較強(qiáng)，需要進(jìn)行防滲處理。壩體防滲經(jīng)適應(yīng)性、施工難易程度、工程質(zhì)量控制、經(jīng)濟(jì)性等方面比選，確定采取土工膜水平防滲。壩體迎水面土工膜貼坡防滲高度至設(shè)計(jì)洪水位1221.85m，土工膜以上結(jié)構(gòu)依次為中粗沙墊層、碎石墊層和干砌石護(hù)坡。壩基采用土工膜水平鋪蓋防滲，水平鋪蓋長(zhǎng)200m，回填1m厚原土并壓實(shí)，實(shí)施后形成了封閉的防滲體。

攔河壩壩體筑壩材料為壩址上游處細(xì)砂料，經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)，細(xì)砂料天然含水量平均值為3.4%，偏低于規(guī)程要求指標(biāo)，滲透系數(shù)為7.0×10－4cm/s，偏大于規(guī)程要求指標(biāo)。由于壩址處獨(dú)特的地質(zhì)條件，工程區(qū)不存在良好的筑壩材料的黏性土地層，使壩體填筑施工受到影響。施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)純細(xì)砂料碾壓含水量低，振動(dòng)碾碾壓施工阻礙較大，施工質(zhì)量不容易保證。為解決這一難題，主要利用料場(chǎng)覆蓋層壤土來(lái)彌補(bǔ)含水量低、滲透系數(shù)大的不足，并進(jìn)行了碾壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定壩體填筑料為細(xì)砂和覆蓋層壤土混合料，比例為2∶1，試驗(yàn)后土料顆粒結(jié)合性能好，能夠達(dá)到各項(xiàng)規(guī)程要求指標(biāo)。碾壓機(jī)具為20t振動(dòng)碾，碾壓方法為進(jìn)退錯(cuò)距法，分別取30cm、40cm、50cm鋪土厚度進(jìn)行無(wú)振和帶振作業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同鋪料厚度和不同振動(dòng)碾壓方式進(jìn)行試驗(yàn)分析，最終確定碾壓每層鋪土厚度為30cm，先無(wú)振碾壓3遍，再帶振碾壓4遍，壓實(shí)后進(jìn)行取樣試驗(yàn)，填筑細(xì)砂料的相對(duì)密度能夠大于0.8的指標(biāo)。壩體填筑施工中，以翻斗車運(yùn)輸、卸料，以裝載機(jī)進(jìn)行攤鋪，以振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，派專人進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，并在壩體填筑時(shí)對(duì)于含水量低的土料及時(shí)進(jìn)行灑水處理，以保證土料的含水量，層間應(yīng)嚴(yán)格控制刨毛質(zhì)量，確保層間結(jié)合、碾壓密實(shí)。

2 溢洪道施工

溢洪道位于右壩肩，為開(kāi)敞式矩形斷面，底寬10m，長(zhǎng)279.6m，分進(jìn)口段、控制段、泄槽段及消能防沖設(shè)施四部分。進(jìn)口段和控制段右側(cè)山體表面覆蓋大面積細(xì)砂，為防止庫(kù)區(qū)水通過(guò)溢洪道右側(cè)山體細(xì)砂滲透形成滲流通道，影響壩體的穩(wěn)定，需對(duì)護(hù)岸進(jìn)行防滲處理。若采用漿砌石砌筑邊坡則工程量大，施工質(zhì)量不易保證，另外當(dāng)?shù)責(zé)o霜期短，漿砌石若采取混凝土邊墻，則工程量較大，工程造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)防滲、抗凍性能和經(jīng)濟(jì)性分析，確定利用當(dāng)?shù)丶?xì)砂材料，配制噴射混凝土進(jìn)行施工。噴射混凝土施工前56天，每種擬用的外加劑至少做3次試驗(yàn)板測(cè)定，測(cè)定的噴射混凝土工藝質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度達(dá)到要求后，再進(jìn)行噴射混凝土的施工。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終選取混合型引氣減水外加劑作為摻合料，每立方米混凝土摻量為0.8kg，混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C25。

3 導(dǎo)流 (沖沙)發(fā)電洞施工

導(dǎo)流 (沖沙)發(fā)電洞位于大壩右側(cè)壩體內(nèi)，基礎(chǔ)座在基巖面上，采用兩洞合一模式，施工階段導(dǎo)流，完建后作為電站引水洞，兼顧沖沙作用。洞身斷面按發(fā)電引水流量要求考慮，且滿足施工導(dǎo)流要求，采用2m×2m矩形斷面，有壓管道，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)130m，設(shè)計(jì)縱坡3/1000。兩個(gè)進(jìn)水口，一個(gè)為導(dǎo)流沖沙進(jìn)水口，一個(gè)為電站引水口，各設(shè)一扇2m×2m平面鋼閘門，洞身出口設(shè)有1.9m×1.9m平面鋼閘門，導(dǎo)流、沖沙時(shí)開(kāi)啟，發(fā)電時(shí)關(guān)閉，閘前洞身段設(shè)兩個(gè)叉口分別接兩臺(tái)機(jī)組的壓力管道，閘后設(shè)置陡坡明渠，與溢洪道第二陡槽段相接。為避免淤積影響正常運(yùn)行，涵洞采用塔式進(jìn)口型式。涵洞混凝土施工關(guān)鍵部位在涵洞外側(cè)與碾壓細(xì)砂土料的結(jié)合處，施工中場(chǎng)地較窄，不利于機(jī)械碾壓施工、人工夯實(shí)，工程質(zhì)量難以保證。為解決結(jié)合部位防滲問(wèn)題，在涵洞混凝土施工時(shí)，在涵洞外邊兩側(cè)沿涵洞每隔10m，對(duì)應(yīng)設(shè)置一道混凝土齒墻，增加涵洞自身的穩(wěn)定性，還可以增加滲流的滲徑長(zhǎng)度。涵洞兩側(cè)不直接進(jìn)行細(xì)砂土填筑施工，先對(duì)原涵洞混凝土外表面進(jìn)行鑿毛，涂刷高強(qiáng)度砂漿，進(jìn)行拋石混凝土澆筑，塊石占拋石混凝土總體積的25%。拋石混凝土以刺墻的形式插入至細(xì)砂料填筑壩體中，最大限度增加接觸面積，利于壩體結(jié)合。

4 電站廠房施工

電站廠房位于壩后主河槽的導(dǎo)流發(fā)電洞出口左側(cè)，通過(guò)壓力鋼管引水。主廠房為單層廠房，長(zhǎng)26m、寬10m;其上游側(cè)布置副廠房，長(zhǎng)26m、寬5.6m。電站最大凈水頭22.7m，最小凈水頭13.75m，設(shè)計(jì)水頭18m，安裝2臺(tái)單機(jī)容量500kW的臥式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)設(shè)計(jì)流量3.385m3/s，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑0.8m，安裝高程1201m。主廠房上部為排架結(jié)構(gòu)，排架柱牛腿設(shè)置吊車梁，下部為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，布置有機(jī)組尾水管及尾水室，尾水由尾水管流出經(jīng)尾水室流入下游尾水渠。

5 尾水渠施工

電站尾水渠為原河道主河槽，下游尾水渠全長(zhǎng)220m，梯形斷面，底寬12m，邊坡坡比為1∶2;渠底設(shè)計(jì)縱坡為3/1000。渠首接防沖槽，底高程為1195.63m，出口底高程為1194.95m。由于溢洪道消力池段及海漫段在距電站下游23m處匯入主河槽，消力池以上23m段尾水渠采取鋼筋混凝土懸臂式擋墻，溢洪道防沖槽之后220m段采取干砌石進(jìn)行護(hù)砌，避免了洪水下泄沖壞尾水渠及由于凍融作用對(duì)渠體表面的破壞。

6 安全監(jiān)測(cè)

攔河壩安全監(jiān)測(cè)包括表面變形觀測(cè)、滲流壓力觀測(cè)、滲流量觀測(cè)和水位觀測(cè)等。表面變形觀測(cè)包括表面水平觀測(cè)和垂直位移觀測(cè)。在攔河壩關(guān)鍵位置布置3個(gè)觀測(cè)斷面，在各斷面防浪墻頂、下游壩肩和下游馬道高程以上各設(shè)1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用于觀測(cè)壩體的表面變形。水平位移和垂直位移觀測(cè)共用1個(gè)觀測(cè)墩。水平位移觀測(cè)采用視準(zhǔn)線法，垂直位移觀測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量。滲流壓力觀測(cè)包括壩體、壩基滲流壓力觀測(cè)和繞壩滲流壓力觀測(cè)，在關(guān)鍵部位設(shè)置3個(gè)斷面為觀測(cè)斷面，在各斷面下游壩肩、下游壩坡馬道高程處及下游貼坡排水前各設(shè)1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。滲流量觀測(cè)采用在壩體下游引排水溝出口設(shè)置量水堰進(jìn)行。在攔河壩、溢洪道和導(dǎo)流發(fā)電洞進(jìn)水塔顯著部位各布設(shè)一組水尺測(cè)點(diǎn)。

7 水電站施工需注意的問(wèn)題

攔河壩土工膜防滲施工，需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，對(duì)土工膜焊縫逐一進(jìn)行檢查，合格后再予以掩蓋，避免蓄水后，從土工膜接縫處形成滲流通道，影響攔河壩的壩體穩(wěn)定性和庫(kù)區(qū)蓄水效果。

壩體填筑細(xì)砂料前，應(yīng)充分勘察地質(zhì)情況，進(jìn)行土工試驗(yàn)，確定填筑料的各項(xiàng)物理指標(biāo)。填筑前應(yīng)對(duì)碾壓方案進(jìn)行試驗(yàn)論證，選取經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方案進(jìn)行施工，壩體填筑施工應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。

在施工中，應(yīng)注意對(duì)壩體進(jìn)行水平和位移觀測(cè)，并應(yīng)有詳細(xì)的觀測(cè)記錄，為水電站的蓄水提供參考資料。

8 結(jié) 語(yǔ)

冀北高原砂土地區(qū)壩后式水電站建設(shè)，具有獨(dú)特的水文和地質(zhì)條件，施工難度大，施工中要對(duì)實(shí)際的施工條件和主要建筑物的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析，選取合理的施工方案，保證水電站樞紐工程的順利建設(shè)。由于以細(xì)砂料作為填筑材料并無(wú)系統(tǒng)、成熟的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可供參考，目前還處于嘗試階段，砂土地區(qū)防滲、細(xì)砂料筑壩等施工技術(shù)還需要繼續(xù)總結(jié)和創(chuàng)新。

［1］SL 172—2012小型水電站施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］DL/T 5129—2001碾壓式土石壩施工規(guī)范［S］.

［3］YBJ 226—91噴射混凝土施工技術(shù)規(guī)程［S］.