基于深厚粉細(xì)砂層地質(zhì)特點(diǎn)的興隆水利樞紐工程設(shè)計(jì)

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，430010，武漢）

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門(mén)市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，是南水北調(diào)中線漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一，同時(shí)也是漢江中下游水資源綜合開(kāi)發(fā)利用的一項(xiàng)重要工程，是漢江梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最下一級(jí)。樞紐有壅高水位以保證漢江兩岸農(nóng)田灌溉引水、增加航深、改善航道條件的作用，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以灌溉和航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電。

興隆樞紐為Ⅰ等工程，由泄水閘、船閘、電站廠房、魚(yú)道、兩岸行洪灘地及連接交通橋等主要建筑物組成。泄水閘、電站廠房為Ⅰ級(jí)建筑物，船閘級(jí)別為III級(jí)，其中上閘首為Ⅰ級(jí)建筑物，閘室和下閘首為Ⅱ級(jí)建筑物。樞紐正常蓄水位36.2 m，相應(yīng)庫(kù)容2.73億m3，規(guī)劃灌溉面積21.84萬(wàn)hm2，規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，電站裝機(jī)容量40MW。樞紐設(shè)計(jì)、校核洪水流量為該河段最大安全泄量19 400 m3/s，其洪水重現(xiàn)期約為100年。

工程于2009年2月正式開(kāi)工，2013年年初泄水閘、船閘等主體建筑物基本完成，同年4月下閘蓄水和船閘通航，2014年6月最后一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

一、覆蓋層深厚，粉細(xì)砂層結(jié)構(gòu)松散、分布廣、厚度大

興隆樞紐壩址區(qū)覆蓋層深厚，總厚度約50～70 m，按巖性及其組成可概括為三層：上部以黏性土為主，中部以粉細(xì)砂為主，下部為砂礫（卵）石層。上部黏性土主要分布于左岸、右岸高漫灘部位，厚度分別為6～9 m和13～24 m。中部以粉細(xì)砂和含泥粉細(xì)砂為主，分布特征為：河床與左岸低漫灘部位外露，厚度13～26 m；右岸高漫灘部位粉細(xì)砂厚度相對(duì)較小，約5～15 m。砂礫（卵）石層位于粉細(xì)砂層以下，厚度20～36 m，埋深一般在30 m以上。

泄水閘、船閘和電站廠房的建基面均為粉細(xì)砂層，各建筑物的過(guò)流面也位于粉細(xì)砂層。粉細(xì)砂層結(jié)構(gòu)松散、分布廣、厚度大，引起的主要問(wèn)題是：承載能力低，地基沉降量大；粉細(xì)砂粒徑小，抗沖流速小，抗沖刷能力低；允許滲透比降值小，極易發(fā)生滲透變形；地基透水性強(qiáng)，施工期間截滲和降水問(wèn)題突出；粉細(xì)砂黏粒含量少，飽和砂土存在震動(dòng)液化問(wèn)題。

二、獨(dú)具特色的“一體兩翼”式樞紐總體布置順應(yīng)河勢(shì)，兩岸灘地參與行洪

樞紐所在的興隆河段，上起多寶灣彎道，下至苗家場(chǎng)彎道，中間為長(zhǎng)約5 km的順直段，河段全長(zhǎng)約23 km，平面形態(tài)呈反“S”狀。結(jié)合河段已建灌溉引水閘進(jìn)口位置、航運(yùn)條件、建筑物布置等條件，壩軸線選擇在中間順直河段的略偏上游處，閘壩址處兩岸漢江大堤之間河道總寬度約2 800 m，河床呈復(fù)式斷面，正常蓄水位36.2 m，對(duì)應(yīng)河槽寬約700 m，主河槽位于河道偏右側(cè)；主河槽左側(cè)為低～高漫灘，寬約1 400 m，灘地高程35～38 m；主河槽右側(cè)為寬約700 m的高漫灘，灘地高程約36～38 m。

興隆河段河床演變特點(diǎn)：在進(jìn)口多寶灣彎道段，主流一直貼左岸，河勢(shì)較穩(wěn)定；中間順直段洲灘變化較頻繁，主流左右擺動(dòng)，但近年河勢(shì)趨于穩(wěn)定；出口苗家場(chǎng)彎道段，受上游來(lái)水來(lái)沙條件和河勢(shì)變化影響，主流有撇彎切灘和復(fù)凹的變化，彎道河勢(shì)變化相對(duì)較大。由于興隆河道曲折蜿蜒，河床粉細(xì)砂粒徑小，抗沖能力低，河勢(shì)穩(wěn)定性較差，如何減小樞紐布置對(duì)河勢(shì)的影響、保持樞紐運(yùn)用后的河勢(shì)穩(wěn)定是樞紐總體布置的關(guān)鍵問(wèn)題。

結(jié)合天然狀況下左、右高漫灘在中大洪水時(shí)參與行洪的特點(diǎn)，在研究后采取了“一體兩翼”式樞紐總體布置，泄水閘等建筑物為“一體”，布置在主河槽和低漫灘；“兩翼”為左、右高漫灘，分別局部修整加高到37 m和38 m，在正常蓄水位時(shí)擋水。在常態(tài)下和小洪水時(shí)通過(guò)電站過(guò)流和泄水閘控泄，維持上游為正常蓄水位36.2 m；中、大洪水時(shí)（8 500 m3/s流量以上），“兩翼”參與行洪，既盡可能地維持了原有河勢(shì)條件，又分擔(dān)了泄水閘過(guò)流，減輕對(duì)粉細(xì)砂河床的沖刷，節(jié)省泄水閘工程量。下泄5年一遇流量11 700 m3/s時(shí)，泄水閘過(guò)流的百分比為88.5%，左岸高漫灘為9.7%，右岸高漫灘為1.8%；下泄設(shè)計(jì)和校核流量19 400 m3/s時(shí)，相應(yīng)的百分比為73.1%，9.7%和1.8%。

其他建筑物的布置：電站廠房緊鄰布置在泄水閘右側(cè)，船閘與電站間距為80 m，布置在電站右側(cè)灘地上，兩者間為擋水段。左、右高漫灘段上空設(shè)有交通橋，分別連接泄水閘與左岸堤防、船閘與右岸堤防。壩軸線上建筑物自左至右依次為：左岸高漫灘段交通橋（長(zhǎng)858.5 m），泄水閘段（泄水閘56孔，左右各設(shè)一門(mén)庫(kù)，總長(zhǎng)991 m），電站廠房段（長(zhǎng)112 m），擋水壩段（長(zhǎng)80 m），船閘段（長(zhǎng)47 m），右岸高漫灘段交通橋（長(zhǎng)741.5 m），壩軸線全長(zhǎng)2 830 m。

三、圍堰為深厚透水地基，基坑面積大，開(kāi)挖至粉細(xì)砂層，圍堰內(nèi)外水頭差超過(guò)30 m，滲控要求高、難度大

興隆樞紐施工采用明渠導(dǎo)流方案，明渠布置在河床左側(cè)高漫灘上，一期在土石圍堰保護(hù)下進(jìn)行泄水閘、船閘、電站廠房等主要建筑物施工。圍堰由三部分組成，上游橫向圍堰長(zhǎng)1 724.5 m，下游橫向圍堰長(zhǎng)2 351.1 m，左側(cè)縱向圍堰長(zhǎng)700 m，與右岸漢江大堤合圍的基坑面積145萬(wàn)m2。堰頂高程上游圍堰為42.5 m，下游圍堰為42.0 m，左側(cè)縱向圍堰頂高程42.5～42.0 m，堰頂寬度均為10 m。

土石圍堰下覆蓋層厚度超過(guò)50 m，其中粉細(xì)砂層、砂礫石層具中等～強(qiáng)透水性。主要建筑物建基面高程在10～27 m之間，均位于粉細(xì)砂層中，最大開(kāi)挖深度超過(guò)28 m，一般開(kāi)挖深度也在2～20 m之間，圍堰內(nèi)外水頭差超過(guò)30 m。粉細(xì)砂允許滲透比降小，粉細(xì)砂層在基坑開(kāi)挖及形成干地施工條件過(guò)程中，減少基坑滲流量和維持滲透穩(wěn)定問(wèn)題突出，滲控要求高、難度大。研究過(guò)的滲控方案有：

水平防滲方案：縱向圍堰全截?cái)嗍椒罎B墻（即防滲墻底嵌入巖石）、橫向圍堰水平黏土鋪蓋防滲、基坑設(shè)降水井方案。

懸掛截滲方案：縱向圍堰全截?cái)嗍椒罎B墻、橫向圍堰懸掛式防滲墻、基坑設(shè)降水井方案。

全截滲方案：縱向圍堰和上下游橫向圍堰均為全截?cái)嗍椒罎B墻。

圈式全截滲方案：在右岸高漫灘上增加一道縱向圍堰，與上下游橫向圍堰與左側(cè)縱向圍堰組成一圈封閉的基坑，防滲型式采用基礎(chǔ)全截?cái)嗍?，防滲墻上接復(fù)合土工膜心墻型式。

通過(guò)三維滲流計(jì)算，分析了不同滲控措施的成效，主要結(jié)論為：

一是對(duì)于深厚透水地基，懸掛式防滲墻的滲控作用有限；延長(zhǎng)水平滲徑不易達(dá)到有效的滲控效果。采用全封閉垂直防滲，則滲漏量大大減小，對(duì)基坑滲透穩(wěn)定較有利。

二是僅設(shè)置懸掛式防滲墻或一定長(zhǎng)度的水平鋪蓋防滲，在廠房、船閘等深基坑開(kāi)挖后，滲流量將明顯增大?；拥椎拇怪焙退奖冉狄泊笥诜奂?xì)砂的允許比降，會(huì)產(chǎn)生滲透破壞問(wèn)題，必須采取一定的降水措施。

三是全截滲方案在漢江右岸高漫灘處未設(shè)置防滲墻，受端部繞滲作用影響，對(duì)廠房和船閘基坑有不利的影響，基坑底垂直和水平比降也大于粉細(xì)砂的允許比降，會(huì)產(chǎn)生滲透破壞問(wèn)題，也必須采取一定的降水措施。

四是對(duì)于水平防滲方案、懸掛截滲和全截滲方案，為使地下水水位降至建基面高程以下，必須設(shè)置對(duì)深入砂礫石層的深井進(jìn)行降水，深井?dāng)?shù)量多，抽水量大，運(yùn)行費(fèi)用高。

五是圈式全截滲方案，可基本截?cái)嗌舷掠蝸?lái)水對(duì)基坑開(kāi)挖區(qū)域的流量補(bǔ)充，只需配合一般性降水措施將基坑內(nèi)地下水疏干。

綜合研究后，選擇防滲效果好、可靠度高、降水運(yùn)行費(fèi)低的圈式全截滲方案。增加的右側(cè)縱向圍堰長(zhǎng)814.1 m，堰頂高程39.0 m。圈式圍堰內(nèi)基坑面積為95萬(wàn)m2。

圈式圍堰在高程35～36 m以下采用塑性混凝土防滲墻，墻體厚80 cm，平均深度約60 m，底部進(jìn)入基巖1 m；墻頂上接復(fù)合土工膜。塑性混凝土防滲墻周長(zhǎng)3 949.2 m，面積24萬(wàn)m2。興隆工程防滲墻平均深度和成墻面積，在我國(guó)水利水電工程中名列前茅。

四、建筑物地基存在承載能力小、沉降量大、不均勻沉降和飽和砂土液化問(wèn)題，采用格柵式水泥土攪拌樁處理地基工程規(guī)模為我國(guó)大型水利水電工程之最

泄水閘、船閘和電站廠房等主要建筑物的地基均為較深厚的粉細(xì)砂和含泥粉細(xì)砂層，土層結(jié)構(gòu)松散，局部夾有淤泥質(zhì)透鏡體，地基承載力特征值為120～140 kPa。電站廠房及船閘各部位的基底應(yīng)力較大；泄水閘、船閘和電站廠房的地基沉降量大；船閘上、下閘首設(shè)有人字閘門(mén)，門(mén)軸柱偏斜影響人字門(mén)的開(kāi)合，對(duì)地基不均勻沉降較為敏感；電站廠房燈泡式機(jī)組也對(duì)不均勻沉降的要求較為嚴(yán)格，粉細(xì)砂地基上的水電站國(guó)內(nèi)尚無(wú)工程先例；地震條件下以及泄水閘局部開(kāi)啟、電站機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，存在誘發(fā)飽和粉細(xì)砂液化的可能。建筑物地基存在的主要問(wèn)題有：承載能力不足；沉降量大；不均勻沉降；飽和粉細(xì)砂的液化。

設(shè)計(jì)階段經(jīng)強(qiáng)夯法、振沖法、鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁法等多方案比選后，初選以攪拌樁法來(lái)進(jìn)行地基處理。但將攪拌樁法用于興隆工程地基處理需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是現(xiàn)有攪拌樁工程實(shí)例大多數(shù)是處理黏性軟土，摩阻力較小，大面積用于處理摩阻力大的砂層能否適用，工效是否滿足要求；二是為保持干地施工，圈式截滲的基坑中有一般性降水措施，地下水水位呈現(xiàn)漏斗形態(tài)，最大滲透坡降為0.06，在有流動(dòng)地下水的地基中能否保證攪拌樁的成樁質(zhì)量。通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，證明攪拌樁是適用于處理興隆粉細(xì)砂地基的，有流動(dòng)地下水的條件下通過(guò)適當(dāng)增加摻灰量能保證成樁質(zhì)量。

泄水閘、船閘和電站廠房均采用攪拌樁進(jìn)行地基處理。布置采用格柵式，可以約束震動(dòng)時(shí)地基的剪切變形，從而提高地基抗液化能力。攪拌樁的置換率根據(jù)承載能力和格柵式布置要求綜合確定，置換率泄水閘閘室為20%，船閘上閘首為50%，船閘閘室為30%，船閘下閘首為40%，電站廠房為50%，船閘和電站廠房的地基置換率高。攪拌樁樁徑泄水閘為600 mm，船閘和電站廠房均為800 mm。攪拌樁樁長(zhǎng)根據(jù)抗液化要求和控制沉降量及不均勻沉降的要求，樁長(zhǎng)泄水閘為12 m，船閘上閘首為9.7 m，船閘閘室為10 m，船閘下閘首為8.6 m，電站廠房為6.6 m。

攪拌樁設(shè)計(jì)指標(biāo)為樁體28天抗壓強(qiáng)度值不小于2.5 MPa，滲透系數(shù)不大于i×10-6cm/s。施工單位進(jìn)行了有關(guān)室內(nèi)配合比試驗(yàn)和生產(chǎn)性試驗(yàn)，確定水泥標(biāo)號(hào)為P.O 42.5，水泥摻量為18%，水灰比1∶1，漿液密度1.51 g/cm3，施工工藝為四噴四攪即兩沉兩升，下沉和提升最大速度不超過(guò)0.67 m/s，首次下沉和提升噴漿量為總量的60%，第二次循環(huán)為總量的40%，水泥漿壓力不小于0.5 MPa。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，由于粉細(xì)砂地基遇漿時(shí)自密性較強(qiáng)，容易產(chǎn)生板結(jié)，攪拌樁機(jī)在提升時(shí)阻力較大，一般鏈條式深攪機(jī)由于功率偏小、傳動(dòng)軸及連接八爪材質(zhì)強(qiáng)度不足、提升能力有限而不能滿足在粉細(xì)砂中施工，因此對(duì)設(shè)備要加以選擇。泄水閘施工中選用了SPM-5Ⅲ型深攪機(jī)，對(duì)深攪設(shè)備鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，由平面攪拌葉片改進(jìn)成30°左右的傾斜葉片，并加焊了攪拌葉片，以減少在粉細(xì)砂層中的阻力。經(jīng)過(guò)施工初期摸索適應(yīng)后，工效大幅度提高，高峰期投入12臺(tái)深攪機(jī)日進(jìn)度突破3 000 m。

攪拌樁處理工程量泄水閘為35.9萬(wàn)m，船閘為8.0萬(wàn)m，電站廠房為7.4萬(wàn)m，攪拌樁工程量為我國(guó)大型水利水電工程之最。同時(shí)興隆電站也是國(guó)內(nèi)第一座建設(shè)在粉細(xì)砂地基上的電站。

五、河床粉細(xì)砂層厚度大，抗沖能力低，沖刷危害大，泄水閘防沖措施采用地下連續(xù)墻垂直防淘與新型柔性海漫水平防沖相結(jié)合

興隆河床的粉細(xì)砂中值粒徑僅0.09～0.18 mm，水深1 m時(shí)抗沖流速為0.20～0.25 m/s，加之粉細(xì)砂無(wú)黏性，水下休止角小，一旦出現(xiàn)沖刷則深度大、發(fā)展過(guò)程快、擴(kuò)散范圍大（水下穩(wěn)定坡比約1∶8～1∶12），溯源沖刷很快直接危及泄水閘安全，采取補(bǔ)救措施難度大。為確保工程安全，泄水閘采取地下連續(xù)墻垂直防淘與新型柔性海漫水平防沖相結(jié)合的防沖措施。

泄水閘泄洪經(jīng)過(guò)底流消能后，出消力池水流紊動(dòng)仍較劇烈，底部流速大，還必須設(shè)置海漫，進(jìn)一步削減剩余能量，調(diào)整流速分布，使水流接近天然流態(tài)，減輕對(duì)下游河床的沖刷。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)，確定海漫長(zhǎng)度為70 m。按抗沖要求與作用不同，將海漫分為剛性和柔性?xún)刹糠?，海漫?0 m為剛性海漫，采用的是50 cm厚的常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在海漫下游端齒槽下設(shè)垂直防淘墻，墻體采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，墻深12 m，墻體厚度60 cm，墻頂與海漫連接，混凝土強(qiáng)度為C30，可阻止溯源沖刷，不危及泄水閘主體的安全。后50 m為柔性海漫。墻深、墻厚及結(jié)構(gòu)配筋按承受墻后的塌陷深度確定，模型試驗(yàn)未考慮柔性海漫塊體下土工布所起的隔離作用，以模擬可能出現(xiàn)的施工缺陷。

柔性海漫起始斷面高程28 m，與末端防沖槽相接處高程25.5 m，布置上向下游傾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，緩減流速，在進(jìn)一步消能的同時(shí)調(diào)整流速分布。這部分海漫應(yīng)具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性。常用的海漫型式如堆石、干砌石、格賓海漫等為散粒體，沒(méi)有整體性，出現(xiàn)局部損壞時(shí)流態(tài)惡化易向周邊擴(kuò)大，可靠度不高，保證施工質(zhì)量的難度大。受嵌套式護(hù)坡植草磚啟發(fā)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種嵌套式混凝土柔性海漫。用于嵌套的塊體平面設(shè)計(jì)成“H”形，單塊長(zhǎng)度和寬度都為48 cm，單個(gè)凈面積0.131 4m2，腿高14.5 cm，腰高19 cm，兩腿內(nèi)細(xì)外粗，腿間內(nèi)空則口小腔大，拼裝后相鄰塊體能相互嵌套；此外為增加糙率及便于搬運(yùn)，腰部設(shè)了兩個(gè)7×10 cm開(kāi)孔，腰間也內(nèi)收2.5 cm拼裝后形成開(kāi)孔。拼裝方式為，橫水流方向同排中心線間距為25 cm，順?biāo)鞣较蛑行木€間距為35.5 cm，塊體間凈間距2 cm。從粉細(xì)砂河床表面自下而上，柔性海漫構(gòu)造依次為土工布（400 g/m2）、碎石墊層（厚度20 cm，粒 徑2～4 cm）、土 工 網(wǎng)（CE121）和嵌套混凝土塊體。拼裝后面積開(kāi)孔率為26%。塊體厚度為25 cm，單塊重量約79 kg。塊體強(qiáng)度等級(jí)為C20，采用干硬性混凝土擠壓成型，既工效高容易保證質(zhì)量，又施工簡(jiǎn)便。經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證，其整體性?xún)?yōu)良，抗沖能力強(qiáng)，是一種高可靠度的海漫型式。

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