圍堰和堆石壩作為臨時(shí)導(dǎo)流建筑物的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

［巴西］ M.S.弗賴塔斯 等

1 概述

高壩施工導(dǎo)流期所需的臨時(shí)工程和措施通常是在大江大河上進(jìn)行，此時(shí)必須填筑高圍堰并使其高度滿足設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期的要求。最近幾十年，在巴西和中國(guó)的一些大型水利工程中，河流流量2000～4000 m3/s的導(dǎo)流工程都取得了成功。圍堰和堆石壩保護(hù)的前期土建工程設(shè)施準(zhǔn)備，通常在大且狹窄的山谷中進(jìn)行。在圍堰填筑過程中或截流之后，突發(fā)的地質(zhì)、巖土工程和地形問題會(huì)延遲工期，并增加基礎(chǔ)處理的費(fèi)用，這些都屬于施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，主要發(fā)生在交鑰匙總包的基礎(chǔ)工程中。在某些實(shí)例中，建議雇用潛水員進(jìn)行水下檢查。由于在可行性研究階段或投標(biāo)過程中缺乏深入的勘察，河床區(qū)域也可能出現(xiàn)未知的古河道或者巖溶地層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)問題。

在施工導(dǎo)流階段，圍堰和主壩(部分為堆石壩)填筑階段，無論是否采用洪峰期漫頂方案，采用水文重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，都可得到最優(yōu)化并節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。無論是否將漫頂作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，都能實(shí)現(xiàn)臨時(shí)建筑物規(guī)模設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，包括壩體填筑保護(hù)，隧洞開挖(狹窄山谷中)等。

巴西裝機(jī)1200MW的塞拉達(dá)梅薩(Serra da Mesa)壩為一大型水電工程，其圍堰和堤壩都設(shè)計(jì)了保護(hù)設(shè)施，進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，并且已在汛期成功實(shí)施。從有關(guān)文獻(xiàn)中得知，在汛期采用加筋堆石體直接過水的方案已在一些實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

2 施工導(dǎo)流期的主要影響因素

除了在圍堰頂高程計(jì)算和導(dǎo)流布置中需要考慮的水文問題之外，設(shè)計(jì)人員和施工人員還必須考慮其他一些非常重要的關(guān)鍵因素，如:①河床的地形和地質(zhì)勘察結(jié)果;②大壩布置和導(dǎo)流期設(shè)計(jì);③水文與環(huán)境影響問題。為了降低沿基礎(chǔ)管涌及圍堰失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加的可能性，施工規(guī)劃和導(dǎo)流作業(yè)需依靠一些與河床地形測(cè)量、河床深度測(cè)量、等深度圖相關(guān)的前期信息。導(dǎo)流工程通常需要進(jìn)行三維模型研究，再現(xiàn)壩址區(qū)河道走向地形。此外，需要利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行圍堰的水力學(xué)計(jì)算。

前期圍堰施工之后，圍堰基礎(chǔ)處防滲心墻區(qū)的沖積(砂和礫石)材料需要事先進(jìn)行疏浚處理。如果河床在大范圍內(nèi)其沖積(砂和礫石)層厚度達(dá)到8 m以上，則疏浚程序技術(shù)上不可行，或者費(fèi)用太高。因此圍堰基礎(chǔ)需要考慮采用地下連續(xù)墻或噴射注漿法(兩列或三列)進(jìn)行防滲處理。由于水下拋填過程中潛在的顆粒分離風(fēng)險(xiǎn)，堆石圍堰防滲心墻中還有一個(gè)重要的問題就是過渡帶的粗粒材料。此外，為了防止防滲心墻與基巖的接觸面減少并因此危及防滲區(qū)，防滲心墻與基巖的接觸區(qū)必須考慮基巖表面的急劇變化。

3 基礎(chǔ)處理

河床區(qū)域的巖基處理工作已經(jīng)引起水電工程承包商和業(yè)主的關(guān)注。在EPC(設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工)/交鑰匙總包合同中，如果在設(shè)計(jì)階段或投標(biāo)過程中不能準(zhǔn)確勘測(cè)到不可預(yù)見的地質(zhì)問題，如古河道或地質(zhì)斷層/斷裂等，將可能增加工程造價(jià)，并延長(zhǎng)導(dǎo)流階段的計(jì)劃工期。

必須在有高級(jí)地質(zhì)學(xué)家和巖土工程專家深度參與的情況下進(jìn)行地形勘測(cè)作業(yè)和精確的地質(zhì)勘察。

4 圍堰河床處理實(shí)例

圣安東尼奧(Santo Ant^onio)工程坐落于巴西馬德拉(Madeira)河上。馬德拉河長(zhǎng)1200km，是亞馬遜河最大且最重要的支流。大壩形成的水庫(kù)面積為350km2，其徑流式電站將安裝44臺(tái)燈泡式水輪機(jī)機(jī)組，每臺(tái)裝機(jī)容量為71.6MW，總裝機(jī)3150.4MW，第1臺(tái)機(jī)組于2012年3月投入商業(yè)運(yùn)行，截止2013年4月，已有12臺(tái)機(jī)組投入使用。最后一臺(tái)機(jī)組將于2015年11月投運(yùn)。馬德拉河壩址處流量2400～47000 m3/s。導(dǎo)流階段圍堰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a和1000 a一遇的洪水。

主要建筑物基礎(chǔ)區(qū)域存在的主要問題如下:巖石裂隙管涌和相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn);沿壩軸線巖基的急劇變化;基礎(chǔ)處理的工期安排。

馬德拉河的高流量和低流速，再加上圍堰基礎(chǔ)處(上游和下游)河床急劇變化的地質(zhì)地形，使得必要的詳細(xì)勘察在設(shè)計(jì)階段難以實(shí)現(xiàn)。在圍堰施工階段，勘測(cè)到巖基高程比較低，范圍從高程+10.0 m(與前期估計(jì)值相同)到高程－8.0 m。此外，在該區(qū)域還發(fā)現(xiàn)層厚8 m的沖積基巖料。

根據(jù)需要，圍堰上游區(qū)采用磚紅色粘土結(jié)合主壩碾壓心墻，可以確保壩體具有很好的抗?jié)B條件。在壩址區(qū)進(jìn)行深層基巖處理之前，先要進(jìn)行灌漿作業(yè)并覆蓋混凝土底板。

在二期導(dǎo)流截流階段，馬德拉河流量為11755～7882 m3/s。2011年7月，河流導(dǎo)流的整個(gè)低頂堰(泄水建筑物)完工。在最后2 a，圍堰內(nèi)部沒有檢測(cè)到明顯的滲漏，圍堰安全穩(wěn)定，工作性能良好。

5 汛期漫頂實(shí)例

塞拉達(dá)梅薩壩坐落于托坎廷斯(Tocantins)河上，其常規(guī)開敞式溢洪道，最大設(shè)計(jì)流量為14750 m3/s。花崗巖中開挖的一地下廠房，裝機(jī)容量為1200MW。該粘土心墻堆石壩在河床處的最大高度為154 m，總堆石量為12619 m3。

施工分5個(gè)階段進(jìn)行，在第1個(gè)階段，堆石壩按在雨季允許漫頂設(shè)計(jì)。大壩漫頂截面設(shè)計(jì)在兩個(gè)RCC過水圍堰之間，可支持大流量和高流速的過流。

根據(jù)水工模型(比尺1∶100)試驗(yàn)結(jié)果和水力分析，堆石壩第一個(gè)溢流階段設(shè)計(jì)有2.0 m厚的堆石層。保護(hù)壩堤的總堆石量為69000 m3。安裝了以下儀器用于漫頂檢測(cè):10個(gè)氣壓式孔隙水壓計(jì)(其中3個(gè)置于基巖處)，3個(gè)氣壓式壓力盒，1個(gè)配有磁環(huán)可測(cè)量垂直和水平位移的測(cè)斜儀。3個(gè)水壓計(jì)布置在壩頂附近，即在洪水經(jīng)過發(fā)生漫頂時(shí)可能的飽和區(qū)域。

從1989年12月到1990年3月，已出現(xiàn)的最大入流量為9200 m3/s。大壩圍堰在第1階段出現(xiàn)的第1次漫頂是從1989年12月11日到1990年1月16日，再次出現(xiàn)漫頂則是從1990年1月28日到1990年3月2日。最大水頭為17 m，出現(xiàn)在1989年12月到1990年2月之間的行洪期。

過水圍堰在塞拉達(dá)梅薩壩中的應(yīng)用，使大壩總填筑量節(jié)省了10%，即聯(lián)合圍堰方量為150萬m3(包括堆石、過渡料和防滲材料)。此案例說明，結(jié)合溢流階段設(shè)計(jì)大壩是可行的方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)施工進(jìn)度和工程費(fèi)用的優(yōu)化。

6 與導(dǎo)流階段相關(guān)的評(píng)述

對(duì)于設(shè)計(jì)及其準(zhǔn)備工作，為了降低基礎(chǔ)圍堰以及主壩額外處理工程的風(fēng)險(xiǎn)，必須具有與河床地形測(cè)量相關(guān)的前期信息，包括等深線圖、地質(zhì)及巖土勘察結(jié)果?；A(chǔ)區(qū)域的地質(zhì)斷層、不可預(yù)知的古河道或易腐蝕的砂巖或巖溶地質(zhì)形態(tài)，在投標(biāo)設(shè)計(jì)階段無論是否探測(cè)到，都會(huì)增加EPC模式下承包商在施工過程中的費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，因此，承包商將承擔(dān)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，并要做出總包(lump sum)價(jià)預(yù)算。

對(duì)于圍堰深基礎(chǔ)處理，噴射灌漿是一個(gè)可行的方案。在厚沖積層(礫石和(或)層厚度超過8 m)中，噴射灌漿可代替疏浚工作，以節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，并且能夠控制基礎(chǔ)滲漏。

圍堰和主堆石壩或堆石防滲心墻可設(shè)計(jì)為在汛期或者導(dǎo)流階段允許漫頂，優(yōu)化永久導(dǎo)流建筑物如隧洞尺寸、廊道尺寸等。

加筋堆石(金屬籠，鋼筋)保護(hù)措施可以保護(hù)堆石體在過水時(shí)不被侵蝕和不坍塌。這些方案在巴西兩座大型堆石壩，即科倫巴一級(jí)(Corumbá I)和塞拉達(dá)梅薩壩中均得到應(yīng)用。在所有的這些工程實(shí)例中，過水之后的局部檢測(cè)表明堆石體受損并不明顯，這證明在施工過程中通過對(duì)導(dǎo)流建筑物規(guī)模的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以節(jié)省費(fèi)用，并縮短工期。