枕頭壩一級(jí)水電站二期圍堰設(shè)計(jì)及優(yōu)化

劉儒

(中國水利水電第三工程局有限公司，成都，610045)

1 工程概況

枕頭壩一級(jí)水電站為大渡河干流水電梯級(jí)調(diào)整規(guī)劃的第十九個(gè)梯級(jí)，位于大渡河中下游樂山市金口河區(qū)的核桃坪河段上，上游距離深溪溝電站25km，下游距離枕頭壩二級(jí)電站4.1km。工程區(qū)左岸有成昆鐵路經(jīng)過，附近分布有烏斯河、關(guān)村壩及金口河火車站，306省道從左岸壩肩及庫區(qū)通過，交通條件優(yōu)越。

壩址處控制流域面積73057km2，多年平均流量1360m3/s，枯水期河面高程589m～590m。電站采用堤壩式開發(fā)，初擬正常蓄水位624m，最大壩高86.5m，電站裝機(jī)容量720MW，多年平均發(fā)電量32.90億kW·h，正常蓄水位以下庫容0.435億m3，水庫總庫容0.469億m3，為徑流式電站。開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游用水。工程樞紐布置從左往右依次為:左岸非溢流壩段，河床廠房壩段，左岸1#、2#泄洪閘，排污閘壩段，3#～5#泄洪閘壩段及右岸非溢流壩段。

工程施工導(dǎo)流采用分期導(dǎo)流方式，其導(dǎo)流程序?yàn)?導(dǎo)流一期先圍右岸，在右岸灘地上修筑一期土石子圍堰，在一期基坑中進(jìn)行導(dǎo)流明渠、縱向混凝土導(dǎo)墻的施工。其中，導(dǎo)流明渠結(jié)合3#～5#泄洪閘施工，將3#～5#泄洪閘閘墩提前澆筑10m至595m高程，由束窄后的左岸主河床過流。2011年11月，導(dǎo)流明渠具備過流條件后拆除一期土石子圍堰的進(jìn)、出口橫向部分;2011年11月27日進(jìn)行主河床截流，在二期上下游圍堰保護(hù)下完成左岸非溢流壩段、河床廠房壩段、左岸1#、2#泄洪閘壩段施工;2013年11月～2014年4月，完成3#～5#泄洪閘595m高程以上混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)安裝，此時(shí)段由導(dǎo)流明渠過流。2014年5月拆除二期上下游圍堰，2014年6～9月由1#～5#5孔泄洪閘過流。2014年10月填筑三期下游圍堰，由3#～5#泄洪閘3扇事故門及三期下游圍堰擋水形成三期基坑，完成3#～5#泄洪閘閘墩錨索張拉及弧形工作閘門安裝，此時(shí)段由1#、2#泄洪閘過流。

2 圍堰地形地質(zhì)條件

上游圍堰位于大壩上游約200m，枯水期河面寬80m，水深一般6m～7m，但在河床右側(cè)有一河床深槽，最低高程578.30m，水深達(dá)11.70m，兩岸谷坡坡度40°～50°，兩岸基巖裸露。下游圍堰位于大壩下游約400m，枯水期河谷寬80m，水深6m～7m，兩岸谷坡坡度30°～45°，左岸坡覆蓋層深厚，右岸在620m高程以上基巖裸露，以下坡段地形平緩，被Ⅰ級(jí)階地砂卵礫石層所覆蓋，未見基巖出露。

圍堰地基由河床含漂砂礫石層組成，一般厚35m～50m。漂石塊徑20cm～70cm，表層靠岸坡一帶有大孤石分布，最大塊徑達(dá)5.0m以上;卵礫石粒徑一般4cm～9cm，成分復(fù)雜，以白云巖、砂巖、玄武巖及灰?guī)r為主，磨圓度中等～較差，呈次圓狀，由中粗砂及少量細(xì)砂充填，并間夾有3層相對較連續(xù)的砂層分布。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河床砂卵礫石層中，卵礫石約占70%～90%，砂粒約占30%～10%，上部結(jié)構(gòu)屬中等密實(shí)，下部呈密實(shí)狀態(tài)。

經(jīng)抽水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)，測得壩址河床砂卵礫石層的滲透系數(shù)K=2.28×10－2cm/s～7.5×10－2cm/s，屬強(qiáng)透水層;經(jīng)現(xiàn)場承載力試驗(yàn)，其允許承載力為0.5MPa～0.55MPa，壓縮模量42MPa～60MPa，內(nèi)摩擦角φ=29°～32°。

圍堰下伏基巖頂面高程548m～533m，巖性為玄武巖，多為弱風(fēng)化狀態(tài)，裂隙中等～較發(fā)育，巖體總體較堅(jiān)硬，基巖淺部呈中等透水性。

兩岸堰基仍為玄武巖，上游圍堰兩岸基巖裸露，多為強(qiáng)～弱風(fēng)化，裂隙發(fā)育，部分裂隙卸荷張開成10cm～30cm寬縫。推測強(qiáng)卸荷帶水平深10m～20m，弱卸荷帶水平深達(dá)50m～60m，兩岸地下水位低平，受裂隙及風(fēng)化卸荷的影響，堰肩巖體水平向滲透性較強(qiáng)。下游圍堰在600m高程以下均為覆蓋層，其物質(zhì)組成主要為碎塊石及階地砂卵礫石層，粘土含量較少，透水性較強(qiáng)。

上、下游圍堰以含漂砂卵礫石層作為基礎(chǔ)，其地基承載力和變形滿足要求，存在的主要問題是強(qiáng)透水的砂卵礫石層的防滲及下部間夾砂層的抗滑穩(wěn)定問題。

圖1 二期上下游圍堰工程地質(zhì)剖面圖

3 圍堰設(shè)計(jì)思路及方案

3.1 圍堰工程特點(diǎn)

與國內(nèi)同類圍堰工程相比，枕頭壩一級(jí)水電站二期上、下游圍堰具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn):

(1)堰基河床覆蓋層深厚。覆蓋層深度最大達(dá)50m，堰頂距基坑深度達(dá)73m;

(2)圍堰基礎(chǔ)防滲工程量巨大。上游圍堰防滲墻面積為6883m2，最大深度63m;下游圍堰防滲墻面積10357m2，最大深度59m。圍堰施工工期相當(dāng)緊張;

(3)由于堰基覆蓋層深厚，圍堰堰腳防淘刷方案顯得尤為重要;

(4)枕頭壩一級(jí)上游的瀑布溝水電站已建成運(yùn)行，瀑布溝水電站為季調(diào)節(jié)水庫，圍堰施工時(shí)可對洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)上游具備較為完善的自動(dòng)水情測報(bào)系統(tǒng)，洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率較高。

3.2 設(shè)計(jì)思路

針對枕頭壩一級(jí)水電站二期上下游圍堰的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)做好以下幾個(gè)方面的工作:

(1)收集類似深厚覆蓋層土石不過水圍堰的工程實(shí)例，為設(shè)計(jì)提供參考;

(2)先后委托兩家科研院校對導(dǎo)流模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，篩選方案;

(3)結(jié)合模型試驗(yàn)，優(yōu)化防護(hù)方案;

(4)針對深厚覆蓋層堰腳抗淘刷薄弱處，采取針對性防護(hù)設(shè)計(jì);

(5)圍堰型式力求結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，在計(jì)劃工期內(nèi)完成。

3.3 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二期上、下游圍堰均為土石不過水圍堰，建筑物級(jí)別為4級(jí)，按全年20年一遇洪水重現(xiàn)期設(shè)計(jì)，相應(yīng)流量為6600m3/s(考慮瀑布溝調(diào)蓄后流量)。

二期上游圍堰堰頂高程613m，圍堰最低高程585.00m，最大堰高28m，堰頂寬10.0m，堰頂長度172.2m。上游迎水面邊坡為1∶2.0，下游背水面邊坡為1∶2.0。堰體由護(hù)坡塊石、鋼筋籠護(hù)面、過渡層、夾土石渣及防滲體組成，其防滲型式:602m高程以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，厚1.0m;602m高程以上采用HDPE復(fù)合土工膜防滲，土工膜結(jié)構(gòu)采用“之”字形布置。上游堰面水面以下采用大塊石拋填護(hù)腳，水面以上采用鋼筋籠護(hù)坡，作為抗沖防掏、鎮(zhèn)腳穩(wěn)定。

二期下游圍堰堰頂高程600m，圍堰最低高程583m，最大堰高17.0m，堰頂寬10.0m，堰頂長度204m。堰體由塊石、過渡層、夾土石渣、防滲體組成，上游背水面邊坡為1∶2.0，下游迎水面邊坡為1∶2.0。右岸端頭33m范圍594m高程以下部分，采用C20混凝土面板護(hù)面，同時(shí)布置一排厚度1m、最大深度10m的混凝土連續(xù)墻作為防淘墻，保護(hù)堰腳。堰體防滲型式，594m高程以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，厚1.0m;594m以上采用HDPE復(fù)合土工膜防滲，土工膜結(jié)構(gòu)采用“之”字形布置。下游堰面水面以下采用大塊石拋填護(hù)腳，水面以上采用鋼筋籠護(hù)坡，作為抗沖防掏、鎮(zhèn)腳穩(wěn)定。

圖2 二期上、下游圍堰典型斷面示意

4 圍堰設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 堰面防護(hù)優(yōu)化

水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，上游來水量在3510m3/s～6600m3/s時(shí)，上游圍堰堰前水流流態(tài)平穩(wěn)，圍堰附近流速小于0.1m/s;下游圍堰迎水面回流流速約1m/s，只在河道左岸回流流速較大，約5m/s，洪水回流對圍堰堰腳產(chǎn)生淘刷的可能性較小。因此，設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際情況及模型試驗(yàn)成果，對上下游圍堰堰面防護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，取消大部分鋼筋籠護(hù)面，只保留上游圍堰0+000.00m～0+080.00m、高程594m～604m，下游圍堰左岸堰邊0+210.15m～0+230.15m、高程591m～600m部分的鋼筋籠護(hù)面。其余部位堰面防護(hù)型式調(diào)整為直接掛網(wǎng)噴C20混凝土，厚10cm，鋼筋網(wǎng)φ8mm@20cm×20cm;噴混凝土護(hù)面范圍內(nèi)設(shè)φ100mm排水孔，預(yù)埋φ100mmPVC管，管內(nèi)設(shè)φ90mm塑料盲材，長60cm，外露5cm，俯角5°，間排距2.5m×2.5m。

4.2 圍堰體型調(diào)整

二期上游圍堰右岸存在基巖陡坎，導(dǎo)致防滲墻未真正深入基巖，存在較大的滲漏通道，需對滲漏通道進(jìn)行帷幕灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理。由于處理難度較大，至2012年5月初仍未完成帷幕灌漿補(bǔ)強(qiáng)，要在2012年5月底達(dá)到度汛面貌，還需完成二期上游圍堰602m～613m的圍堰填筑及土工膜施工，原設(shè)計(jì)方案土工膜需待防滲墻施工完畢后才能施工，度汛形勢十分嚴(yán)峻。為加快二期上游圍堰施工進(jìn)度，保證防滲墻帷幕灌漿與土工膜同步施工，滿足二期上游圍堰汛前達(dá)到度汛面貌，確?；禹樌妊?，設(shè)計(jì)對二期上游圍堰防滲墻施工平臺(tái)以上體型進(jìn)行了優(yōu)化。將二期上游圍堰迎水面堰頂邊線由原設(shè)計(jì)位置向下游移至圍堰軸線處，迎水面603m高程以上坡比由1∶2.0調(diào)整為1∶1.75，603m高程以下坡比不變;背水側(cè)堰頂邊線向下游偏移4m，堰體坡比仍為1∶2.0，600m高程馬道由3m調(diào)整為2m，堰頂寬度由10m調(diào)整為9m;取消復(fù)合土工膜迎水面的砂墊層及過渡料，采用在復(fù)合土工膜上直接掛網(wǎng)噴C20混凝土作為護(hù)面。

5 結(jié)語

通過取消鋼筋籠護(hù)面，優(yōu)化圍堰護(hù)面結(jié)構(gòu)，直接節(jié)約工程投資約800萬元。通過合理調(diào)整二期上游圍堰的體型，在602m高程預(yù)留出8m寬的平臺(tái)，可作為防滲墻灌漿補(bǔ)強(qiáng)的施工平臺(tái)，防滲墻灌漿與土工膜可以同步施工，特別是采用直接在土工膜上掛網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行防護(hù)，大大加快了二期上游圍堰602m～613m高程的填筑和護(hù)面施工進(jìn)度，確保了圍堰在2012年汛前達(dá)到設(shè)計(jì)要求的度汛面貌。

2012年7月28日，大渡河上游普降暴雨，枕頭壩一級(jí)壩址處最大洪水達(dá)到6100m3/s，超過5000m3/s以上的洪水歷時(shí)長達(dá)10余天，在經(jīng)歷了長歷時(shí)、大流量洪水考驗(yàn)后，圍堰護(hù)面結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，二期上下游圍堰運(yùn)行安全，二期上下游圍堰迎水面水流流態(tài)、回水流速與水工模型試驗(yàn)基本一致，這說明結(jié)合水工模型試驗(yàn)，對二期上下游圍堰護(hù)面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是合理的。

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