左溪水電站建設(shè)相關(guān)問(wèn)題探討

夏建軍，高富產(chǎn)

(陜西省水利廳，陜西 西安 710004)

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左溪水電站建設(shè)相關(guān)問(wèn)題探討

夏建軍，高富產(chǎn)

(陜西省水利廳，陜西 西安 710004)

摘要：針對(duì)左溪水電站施工過(guò)程中存在第5壩段卵石夾層及斷層、進(jìn)水口高程選取過(guò)低、無(wú)放空設(shè)施等問(wèn)題，結(jié)合工程地質(zhì)條件，采取帷幕灌漿加固、抬高進(jìn)水口高程、利用導(dǎo)流洞及施工交通運(yùn)輸洞增設(shè)排沙放空設(shè)施等處理措施，確保工程安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：左溪水電站；卵石夾層；進(jìn)水口；放空設(shè)施

由于水利水電工程施工建設(shè)通常在山川河流上進(jìn)行，受地形、地質(zhì)、水文、氣象等因素的影響非常大[1]。加上一些工程施工進(jìn)度緊，前期地質(zhì)勘察工作不全面，庫(kù)區(qū)及壩址許多地質(zhì)問(wèn)題存在勘測(cè)資料數(shù)據(jù)不完善、分析結(jié)論不科學(xué)等問(wèn)題，在后續(xù)施工中才被不斷揭示，施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件與設(shè)計(jì)間存在較多不匹配問(wèn)題，對(duì)施工安全、投資、質(zhì)量、進(jìn)度帶來(lái)嚴(yán)重的影響。水利工程通常采取增設(shè)垂直防滲墻、充填灌漿、帷幕灌漿等壩基防滲補(bǔ)強(qiáng)、壩體防滲壩面保護(hù)、泄洪設(shè)施加固擴(kuò)建等加固處理措施，改善工程施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全狀況[2-7]。左溪水電站在施工建設(shè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)第5壩段壩基與壩體右岸岸坡中一些地質(zhì)問(wèn)題，與設(shè)計(jì)方案存在不匹配。結(jié)合工程特性和壩基、壩體、壩肩應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果，通過(guò)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)加固處理，除險(xiǎn)加固達(dá)到預(yù)期良好效果，確保工程安全優(yōu)質(zhì)的施工建設(shè)。

1　工程概況

左溪水電站位于西鄉(xiāng)縣左溪鄉(xiāng)境內(nèi)的牧馬河支流峽河上，距西鄉(xiāng)縣城35 km，為混合式水電站，裝機(jī)容量4 800 kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量1 865 萬(wàn)kW·h。大壩為小型工程，壩型為混凝土雙曲拱壩，拱圈線型為混合線型，最大壩高69 m，厚高比0.12。采用壩頂自由溢流，挑流消能方案。地震設(shè)防6度。水庫(kù)正常蓄水位655.10 m，死水位630.5 m，死庫(kù)容74.1×104m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容318.9×104m3。設(shè)計(jì)洪水位658.2 m，校核洪水位659.8 m，水庫(kù)總庫(kù)容538×104m3。壩址處30 a一遇設(shè)計(jì)、200 a一遇校核洪峰流量分別為898 m3/s、1 372 m3/s。壩址年輸沙總量為6.50×104t，其中推移質(zhì)為1.08×104t[8]。

2　左溪水電站主要地質(zhì)問(wèn)題

2.1庫(kù)區(qū)地質(zhì)

水庫(kù)位于灰?guī)r分布地區(qū)，右側(cè)為單薄山梁和深溝。工程前期庫(kù)盆可溶性巖層的邊界較模糊，即缺乏相對(duì)不透水地層的分布范圍和庫(kù)區(qū)滲漏的相關(guān)論證。同時(shí)，缺乏系統(tǒng)的風(fēng)化帶、卸荷帶、透水性分帶等數(shù)據(jù)，對(duì)巖溶發(fā)育程度、壩基和壩肩滲漏、右岸鄰谷滲漏、下游沖刷區(qū)等分析不完善[9]。對(duì)庫(kù)區(qū)3個(gè)滑坡體的物質(zhì)成分、距離、體積及穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)性分析不全面。

2.2壩址地質(zhì)

工程兩岸及壩基均坐落在三疊系中上統(tǒng)石灰?guī)r中，壩址河谷斷面為不對(duì)稱V形。左岸邊坡較緩，兩岸基巖裸露，由硅質(zhì)灰?guī)r組成，無(wú)明顯巖溶現(xiàn)象[10]。巖層產(chǎn)狀傾向下游偏右岸，傾角40度左右。斷裂構(gòu)造主要為層間錯(cuò)動(dòng)和陡傾角裂隙，施工中在河床右側(cè)發(fā)現(xiàn)有深槽，后推斷為一條順河斷層。左岸壩肩處在強(qiáng)風(fēng)化巖石上。

右岸邊坡坡角近70°，620 m高程以下近直立，右壩肩卸荷裂隙發(fā)育，存在不利裂隙組合。右岸緊貼壩下游面，在高程620 m以下有一條寬約1.5 m橫河向垂直裂隙密集帶，其下游局部范圍內(nèi)，發(fā)育一組傾向河床偏下游陡傾裂隙，對(duì)右壩肩穩(wěn)定不利。

3　工程存在的主要技術(shù)問(wèn)題

3.1第5壩段澆筑在沙卵石層上

拱壩河床段設(shè)計(jì)建基面高程591.00 m。當(dāng)?shù)?壩段壩基開挖至591.0 m高程時(shí)，發(fā)現(xiàn)河床中間存在一深槽，槽寬約19 m，砂卵石填充物。當(dāng)開挖至587.5 m高程，槽寬縮小至7.5 m。由于上下游圍堰離基坑較近，且圍堰的防滲措施不夠充分，繼續(xù)開挖十分困難。結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在591.0 m高程以下滿槽回填混凝土(在591.0 m高程以上立模澆筑混凝土)。加強(qiáng)灌漿布置及推測(cè)斷層，如圖1和圖2所示。

3.2壩肩拱座抗滑穩(wěn)定問(wèn)題

壩體右岸岸坡陡峭，基巖完整性較好，但右拱圈與右壩肩基巖的交角較小，且拱端嵌入深度不足。拱端中心線下游壩肩混凝土體并未進(jìn)入弱風(fēng)化線，仍屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化或表層卸荷巖體。經(jīng)復(fù)核，右壩肩頂拱附近及右壩肩620 m高程以下均不滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[11](SL282-2003)規(guī)定的安全系數(shù)3.0要求。右壩肩邊坡陡峻，垂直灌漿帷幕的水平封閉深度較淺，右岸壩肩滲徑較短，而巖體裂隙(特別是傾向岸內(nèi)的裂隙)較發(fā)育，蓄水后壩后邊坡內(nèi)可能有較高水壓力。右岸緊貼壩下游面，在高程620 m以下有一條寬約1.5 m橫河向垂直裂隙密集帶，滲流將惡化壩肩受力條件，對(duì)右岸拱座抗滑穩(wěn)定不利。

圖1壩塊推測(cè)斷層加強(qiáng)灌漿布置

圖2河床斷面及推測(cè)斷層

經(jīng)核算，左壩肩拱座抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。但在2010年，壩左岸下游巖體遭受洪水沖刷破壞嚴(yán)重，對(duì)壩基左側(cè)巖體抗滑穩(wěn)定極其不利。

3.3挑流水舌影響左岸岸坡穩(wěn)定及壩后交通

壩址處存在順河斷層且?guī)r層緩傾向下游，原設(shè)計(jì)的壩頂溢洪道挑流水舌的落點(diǎn)位置偏向左岸，且左岸為順向坡，穩(wěn)定由層面控制，可能造成左岸岸坡下部的嚴(yán)重沖刷，影響到左岸岸坡穩(wěn)定。壩后交通沿左岸布置，泄流沖刷也將影響交通[12]。

3.4無(wú)放空設(shè)施

該工程先天不足，雖然庫(kù)容不大，但壩高已接近高壩，下游還有兩個(gè)較大的集鎮(zhèn)，一旦失事后果不堪設(shè)想。同時(shí)壩址位于石灰?guī)r地區(qū)，水庫(kù)右岸鄰谷距離很小，鄰谷滲漏的危險(xiǎn)性較大，但工程針對(duì)庫(kù)區(qū)滲漏問(wèn)題所做的前期工作十分有限，水庫(kù)蓄水后一旦發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)滲漏現(xiàn)象，無(wú)法放空時(shí)將很難進(jìn)行有效的防滲處理。

3.5發(fā)電進(jìn)水口高程偏低

發(fā)電洞進(jìn)水口底板高程612.00 m，612.0 m以下庫(kù)容僅6萬(wàn)m3,一年多時(shí)間內(nèi)將被泥沙淤積，且無(wú)任何沖沙及放空設(shè)施，進(jìn)水口存在淤堵及泥沙進(jìn)入機(jī)組的可能，對(duì)工程安全運(yùn)行不利。

4　技術(shù)處理措施

4.1第5壩段基礎(chǔ)處理

4.1.1灌漿及檢測(cè)

該問(wèn)題暴露出后，建設(shè)及施工單位在壩體澆筑到600.00 m高程，對(duì)砂卵石進(jìn)行了第1次固結(jié)灌漿，澆筑到609.50 m時(shí)進(jìn)行了第2次固結(jié)灌漿。灌漿壓力3 MPa，兩次共灌注水泥600 t。

灌漿后，對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。共布設(shè)5個(gè)檢測(cè)孔，除4#檢測(cè)孔透水率61.09 Lu外，其余均小于3 Lu。經(jīng)對(duì)4#孔進(jìn)行加密補(bǔ)灌后，復(fù)測(cè)透水率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。波速測(cè)試及巖芯力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本滿足設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)報(bào)告認(rèn)為卵石層膠結(jié)體芯樣變形模量最大值為60.2 GPa，最小值為5.5 GPa，平均值為18.9 GPa，建議值為5.5 GPa。

4.1.2第5壩段基礎(chǔ)對(duì)壩體應(yīng)力分析

為了論證河床壩段局部壩基低變模對(duì)壩體應(yīng)力的影響，將第5壩段壩基E0分別設(shè)定為15 GPa(一般壩段的取值)、5.5 GPa(檢測(cè)單位提供的建議值)和0.5 GPa(取很小值)。采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所編制的拱壩多拱梁混合法應(yīng)力分析程序—《拱壩體形優(yōu)化程序ADASO》電算程序計(jì)算。計(jì)算工況分為基本荷載組合和特殊荷載組合[13]。典型工況下壩體應(yīng)力受第5壩段壩基變模影響的分析結(jié)果，如表1所示。

從表1可看出，壩體應(yīng)力對(duì)壩基變模E0不敏感，取最小E0=0.5 GPa時(shí)，壩體應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)?？梢姡?壩段基礎(chǔ)的砂卵石層在經(jīng)過(guò)高壓灌漿處理之后，壩體應(yīng)力條件能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但由于該拱壩很薄，壩基最寬11 m，正常蓄水位情況下滲透比降超過(guò)6，且灌漿等處理措施對(duì)斷層的針對(duì)性不強(qiáng)。要求后期要加強(qiáng)觀測(cè)，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，確保壩基變形和滲透安全。

4.1.3第5壩段基礎(chǔ)對(duì)拱座抗滑穩(wěn)定分析

將第5壩段壩基變模E0仍分別設(shè)定為15 GPa、5.5 GPa和0.5 GPa，用剛體極限平衡法(抗剪斷公式)分析了典型工況下拱座抗滑穩(wěn)定受第5壩段壩基變模影響。力系由程序ADASO提供，共計(jì)算三種工況，即兩種基本組合和一種特殊組合。分析結(jié)果如表2所示。

表1　左溪水電站壩體應(yīng)力分析結(jié)果　單位：MPa

注：E0-壩基變形模量，E01=15 GPa,E02=5.5 GPa,E03=0.5 GPa。

表2　右壩肩抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果

注：E0-基底變形模量，E01=15 GPa,E02=5.5 GPa,E03=0.5 GPa;括號(hào)內(nèi)數(shù)字為底裂面高程，m。

各種工況下，左壩肩抗滑安全系數(shù)均符合規(guī)范要求，右壩肩存在部分高程安全系數(shù)不符合規(guī)范要求。但安全系數(shù)對(duì)E0不敏感，三種E0情況下，安全系數(shù)變化不大。這樣計(jì)算結(jié)果的主要原因是由于拱壩超靜定結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)較強(qiáng)，河床壩段因局部壩基軟弱而無(wú)法承擔(dān)的荷載可很好地轉(zhuǎn)移給相鄰壩段、并傳至兩岸壩肩，而因所轉(zhuǎn)移的荷載數(shù)量不大，對(duì)壩肩穩(wěn)定的影響并不顯著。

4.2壩體體型調(diào)整及拱座抗滑穩(wěn)定分析

4.2.1拱壩體型調(diào)整

由于右壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不符合規(guī)范要求，發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題時(shí)右壩肩最高壩段已澆筑至623.5 m，通過(guò)上部體型調(diào)整使之滿足抗滑穩(wěn)定需要。拱壩體型調(diào)整方案，詳見圖3所示。

從623.5 m高程開始至壩頂高程，加大原設(shè)計(jì)拱圈曲線的曲率半徑，使拱端位置向上游方向移動(dòng)，直到滿足壩肩穩(wěn)定要求為止。調(diào)整后使中心角略有減小，拱圈與基巖交角略有增大，對(duì)提高壩肩穩(wěn)定的效果較好。但由于623.5 m高程以下不能同步調(diào)整，影響了壩體體型的光滑性，調(diào)整的余地受到一定限制。經(jīng)對(duì)調(diào)整后的拱壩進(jìn)行拱座抗滑穩(wěn)定分析，力系由程序ADASO提供，共計(jì)算三種工況，即兩種基本組合和一種特殊組合[14],分析結(jié)果如表3所示。

圖3拱壩體型調(diào)整方案(單位：m)

表3　體型調(diào)整后右壩肩抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果

注：Z為底裂面高程，Z1=591.00 m,Z2=600.00 m,Z3=660.00 m。

表3表明：右壩肩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均符合規(guī)范要求。

4.2.2右壩肩加固

右岸壩后620 m高程以下邊坡陡立，緊貼壩后有一條垂直的裂隙密集帶，其中有水滲出，未見明顯軟化泥質(zhì)物。該密集帶下游有一組傾向岸外偏下游的裂隙，這些巖體自身穩(wěn)定性裕度不大，卻屬于壩肩抗力巖體范圍之內(nèi)，提供抗滑力。右壩肩下游抗滑巖體分布范圍較小，壩肩開挖又造成了部分巖體脫落，蓄水后岸坡內(nèi)可能有較高水壓力，若陡立邊坡有局部巖體脫落，立即會(huì)使右壩肩安全系數(shù)降低。因此在右壩肩做貼坡混凝土擋墻加系統(tǒng)錨桿和排水孔處理，進(jìn)一步加固右壩肩。擋墻采用C20混凝土，厚度2 m，頂部高程635.00 m，底部高程594.00 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度15 m。擋墻與山體通過(guò)φ25@3000錨桿及φ10@150表面鋼筋網(wǎng)連接。排水孔按3 m間距梅花型布置，孔深6 m，孔口采用反濾土工布包裹。同時(shí)在左、右壩肩兩個(gè)壩段，加強(qiáng)帷幕灌漿，盡量減少繞壩滲流。

4.3溢洪道中心線調(diào)整

為減少泄流水舌對(duì)左岸岸坡及交通的影響，將溢洪道沿拱圈中心線整體向右岸移動(dòng)5 m，此外，左右側(cè)導(dǎo)墻在拱圈徑向方向的基礎(chǔ)上，再向下游河流中心線偏轉(zhuǎn)6°，調(diào)整方案如圖4所示。

導(dǎo)墻偏轉(zhuǎn)后溢流水舌的向心集中程度更顯著，經(jīng)設(shè)計(jì)單位對(duì)下游沖刷安全進(jìn)行了復(fù)核，符合規(guī)范要求[15]。

4.4進(jìn)水口高程調(diào)整

為減少進(jìn)水口被泥沙淤積的危害，確保后期安全運(yùn)行，將導(dǎo)流洞改建為泄洪沖沙/放空洞。對(duì)進(jìn)水口改建進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終決定將進(jìn)水口底板高程抬高至625.00 m高程，通過(guò)龍?zhí)ь^與原隧洞連接。

4.5將交通洞改建為放空管

將在左岸壩體612.5 m高程的施工交通洞改建為放空管。放空管為2根直徑1 200 mm，壁厚16 mm的鋼管，通過(guò)電動(dòng)蝶閥控制。水流偏轉(zhuǎn)后挑流到河道中央。

5　結(jié)　論

(1)左溪水電站由于前期地質(zhì)勘察工作不足，導(dǎo)致實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)條件與設(shè)計(jì)間存在較多不匹配問(wèn)題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和成本控制。應(yīng)力分析及抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果表明：壩肩頂拱附近及右壩肩620 m高程以下安全性不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖4溢洪道中心線調(diào)整方案

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及計(jì)算結(jié)果，采取帷幕灌漿加固、抬高進(jìn)水口高程、利用導(dǎo)流洞及施工交通運(yùn)輸洞增設(shè)排沙放空設(shè)施等加固處理措施。經(jīng)應(yīng)力及經(jīng)抗滑穩(wěn)定復(fù)核，調(diào)整后的方案能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，確保工程安全可靠的施工建設(shè)。

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DiscussionofRelativeEngineeringandGeologicalProblemsofZuoxiHydropowerStation

XIA Jian-jun,GAO Fu-chan

(ShaanxiProvincalDepartmentofWaterResources,Xi’an,Shaanxi710004,China)

Abstract：The engineering and geological problems of the cobble layer and fault under the fifth dam block,the inappropriately low elevation of the water inlet,and the lack of reservoir escape facilities were found during the construction of Zuoxi Hydropower Station.Specific measures such as curtain grouting consolidation,increasing the elevation of water inlet,and the addition of diversion tunnels,transportation tunnels and sediment ejection facilities were adopted respectively.The result indicates that by adopting these measures the safe construction of the engineering project is ensured,as well as energy conservation and economic construction.

Keywords：Zuoxi Hydropower Station;cobble layer;water inlet;escape facilities

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.044

中圖分類號(hào)：TV543.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0218—05

作者簡(jiǎn)介：夏建軍(1973—)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事水電站技術(shù)管理工作。

收稿日期：2014-08-06修稿日期：2014-09-18