毛爾蓋水電站導(dǎo)流洞下閘封堵過程中的風(fēng)險(xiǎn)管控

聶光利，劉國(guó)勇

(1.中水四川水電開發(fā)有限公司毛爾蓋水電有限公司，成都，610041;

2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

毛爾蓋水電站裝機(jī)容量420MW，擋水建筑物為碎石土心墻堆石壩，最大壩高147m，水庫(kù)總庫(kù)容5.35億m3。工程為II等大(2)型工程，首部樞紐由擋水建筑物、溢洪道、放空洞組成。開敞式溢洪道布置在大壩左壩肩，閘室段設(shè)1孔10m×9m的閘孔，堰頂高程為2124.00m。放空洞布置在左岸，底板高程為2040.00m。

本工程壩區(qū)樞紐施工采用斷流圍堰擋水、隧洞過流，壩體工程施工采用全年導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞布置于左岸，導(dǎo)流洞洞身斷面為城門洞型，過水凈斷面為8m×9.5m(寬×高)，圍堰高度43m。導(dǎo)流洞進(jìn)口閘室底板頂高程為1994.00m，設(shè)8m×9.5m(寬×高)平板封堵門一扇。

本工程位于四川省阿壩州黑水河干流上，年內(nèi)洪枯流量相差大，壩址處黑水河分期設(shè)計(jì)洪水見表1。

表1 黑水河毛爾蓋電站壩址分期設(shè)計(jì)洪水成果單位:m3/s

2 導(dǎo)流洞提前下閘時(shí)間分析及經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)河道水文特征和工程規(guī)劃總體施工進(jìn)度安排，導(dǎo)流洞于2006年7月開工至2008年10月完工，2008年11月初導(dǎo)流洞過水，河道截流。2011年12月初，引水發(fā)電系統(tǒng)具備首臺(tái)機(jī)組發(fā)電的條件。同時(shí)根據(jù)首部工程的施工進(jìn)度安排，2011年11月初，導(dǎo)流洞下閘封堵。下閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水，月平均流量80.4m3/s，對(duì)應(yīng)下閘前水位1997.54m。2011年11月～2012年4月進(jìn)行導(dǎo)流洞的封堵施工，封堵期間攔河大壩擋水，放空洞過流，渲泄施工期間設(shè)計(jì)洪水(11月到次年4月20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn))Q=248m3/s時(shí)，上游水位2057.40m。導(dǎo)流洞封堵后，2012年汛前首部工程完工，汛期各永久水工建筑物投入正常運(yùn)行。

根據(jù)工程2010年實(shí)際施工進(jìn)度情況，大壩、溢洪道、放空洞可以在2011年4月底完工，比原來規(guī)劃進(jìn)度提前12個(gè)月，首部樞紐具備提前下閘蓄水的條件。提前下閘蓄水將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

導(dǎo)流洞洞身結(jié)構(gòu)按安全抵擋74m外水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)擋水位為2068.0m。倘若由于其他不確定因素導(dǎo)致5月前不能完成一期堵頭封堵施工，上游最高庫(kù)水位將超過洞身結(jié)構(gòu)安全承載水位，結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。即導(dǎo)流洞一期封堵施工的安全時(shí)段截至2011年4月底，為此要求導(dǎo)流洞一期堵頭應(yīng)在4月底前完成。根據(jù)一期堵頭施工進(jìn)度分析成果，在施工較為順利的情況下導(dǎo)流洞下閘至一期堵頭完建共需31天，因此，導(dǎo)流洞下閘時(shí)間應(yīng)在2011年3月31日前。

影響工程下閘時(shí)間的因素主要有:工程建設(shè)進(jìn)度，移民安置進(jìn)度，環(huán)保審查，下閘蓄水驗(yàn)收流程。根據(jù)工程建設(shè)進(jìn)度安排，溢洪道及廠房進(jìn)水口工程在2011年1月20日前全部完建，2011年3月中旬大壩填筑可達(dá)到2124.0m(溢洪道進(jìn)口底板高程)，工程建設(shè)進(jìn)度不影響下閘計(jì)劃;根據(jù)移民安置驗(yàn)收節(jié)點(diǎn)時(shí)間要求，工程區(qū)移民及庫(kù)底清理應(yīng)于2011年1月5日前完成，2011年1月31日通過省移民局終驗(yàn)并獲取終驗(yàn)報(bào)告;根據(jù)“環(huán)保驗(yàn)收節(jié)點(diǎn)時(shí)間”要求，2010年11月30日前提出水庫(kù)蓄水環(huán)保專項(xiàng)驗(yàn)收申請(qǐng)，2011年2月21～28日，組織水庫(kù)蓄水環(huán)保專項(xiàng)驗(yàn)收;環(huán)保專項(xiàng)驗(yàn)收通過后再進(jìn)行水庫(kù)蓄水安全鑒定驗(yàn)收。根據(jù)各項(xiàng)驗(yàn)收程序通常用時(shí)情況，分析得出工程下閘蓄水最早時(shí)間為2011年3月15日。

通過以上分析認(rèn)為，本工程導(dǎo)流洞下閘封堵時(shí)間最遲不晚于2011年3月31日，在有條件情況下，應(yīng)盡早提前下閘。綜合分析影響工程下閘時(shí)間的各因素，為確保各流程的順利實(shí)施，推薦本工程導(dǎo)流洞下閘時(shí)間為2011年3月15日。

提前下閘蓄水給毛爾蓋電站帶來巨大經(jīng)濟(jì)利益，可增加毛爾蓋電站發(fā)電量約3.03億kW.h，增加發(fā)電效益約13089.60萬(wàn)元。毛爾蓋水電站提前下閘蓄水，給下游色爾古電站、柳坪電站帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，共可增加發(fā)電量約0.23億kW.h，可增加發(fā)電效益約2793.60萬(wàn)元。因此毛爾蓋電站提前下閘蓄水可以帶來15882.6萬(wàn)元發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)計(jì)算，導(dǎo)流洞一、二期封堵(含加固費(fèi)用)共需費(fèi)用437.7萬(wàn)元，與原設(shè)計(jì)相比增加費(fèi)用159.4萬(wàn)元。

因此提前下閘可帶來直接經(jīng)濟(jì)效益15723.2萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)上十分可觀。

3 風(fēng)險(xiǎn)管理措施

針對(duì)實(shí)際的施工進(jìn)度，調(diào)整了工程施工導(dǎo)流規(guī)劃，根據(jù)研究導(dǎo)流洞必須于汛前3月中旬下閘蓄水，比原計(jì)劃提前8個(gè)月。下閘后，導(dǎo)流洞封堵期正是汛期，按規(guī)范要求計(jì)算閘門的最大擋水水頭達(dá)到139m，超過了原閘門擋水能力(74m)。因此，導(dǎo)流洞提前下閘蓄水帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也帶來了大的工程風(fēng)險(xiǎn)。綜合分析后認(rèn)為主要有以下風(fēng)險(xiǎn):(1)閘門擋水風(fēng)險(xiǎn);(2)導(dǎo)流洞原襯砌結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn);(3)堵頭施工安全風(fēng)險(xiǎn);(4)導(dǎo)流洞進(jìn)口突然潰決的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 閘門擋水風(fēng)險(xiǎn)管控

閘門擋水水平由原設(shè)計(jì)的74m提高到139m，且閘門、閘室已施工，改建已不可能。根據(jù)計(jì)算，導(dǎo)流洞閘門設(shè)計(jì)水頭74m時(shí)，導(dǎo)流洞門葉主梁的最大彎曲應(yīng)力σ=202.6MPa，已經(jīng)很接近Q345B的鋼材容許應(yīng)力［σ］=205MPa;門槽主軌底板彎曲應(yīng)力σ=154.3MPa＜［σ］=171MPa。由于閘室門槽預(yù)埋件已埋設(shè)，門槽主軌已安裝，且導(dǎo)流洞已過水，金屬結(jié)構(gòu)能加固的只有門葉，通過對(duì)門葉進(jìn)行加固處理后，門槽主軌能承受的最大水頭為81m，也遠(yuǎn)低于封堵期外水水頭。針對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)研究后采用在門后回填15m長(zhǎng)的混凝土，其長(zhǎng)度除填滿閘門后閘室段空腔外，再進(jìn)入導(dǎo)流洞2m?；靥罨炷劣袃蓚€(gè)主要作用，一是能擋封堵期外水推力，二是加固導(dǎo)流洞進(jìn)口邊坡。

3.2 導(dǎo)流洞原襯砌和堵頭施工期風(fēng)險(xiǎn)管控

導(dǎo)流洞洞身全長(zhǎng)869.91m，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，進(jìn)口段多為Ⅳ類圍巖，襯砌厚度1.0m;洞身中間段圍巖主要為Ⅲ－2類，其次為Ⅳ類，局部Ⅴ類，襯砌厚度為0.6m～1.0m;出口段圍巖主要為Ⅴ類，襯砌厚度1.0m。其中，對(duì)進(jìn)出口及處于強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的洞段圍巖，進(jìn)行固結(jié)灌漿。

3月中旬下閘封堵導(dǎo)流洞，封堵施工的安全時(shí)段僅為3月～4月。根據(jù)對(duì)導(dǎo)流洞永久堵頭施工進(jìn)度分析，由于永久堵頭施工工序復(fù)雜(排水、澆筑混凝土、灌漿等項(xiàng)目)，在下閘后的一個(gè)月內(nèi)不能完成永久堵頭封堵的全部項(xiàng)目。進(jìn)入汛期后，永久堵頭封堵施工期進(jìn)口閘門及洞身段結(jié)構(gòu)將面臨極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。而若將堵頭分段施工，利用較為安全的3～4月施工一期堵頭，并利用一期堵頭來抵擋二期堵頭施工期的高外水，既可滿足一期堵頭施工期安全，又可降低二期堵頭施工期的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)本工程下閘蓄水實(shí)際情況，在下閘封堵工期相對(duì)較緊的情況下，研究采用了永久堵頭分期分段施工。

導(dǎo)流洞原設(shè)計(jì)封堵期最大外水壓力74m，現(xiàn)封堵期可能面對(duì)的外水壓力比其高了65m，洞身結(jié)構(gòu)安全復(fù)核選擇導(dǎo)流洞進(jìn)口段0+030.0m斷面。根據(jù)洞身開挖揭示的圍巖情況，對(duì)洞周進(jìn)行固結(jié)灌漿加固，選取外水折減系數(shù)為0.6。在洞身現(xiàn)有結(jié)構(gòu)配筋情況下，底板中部、邊墻下部及中部結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度將達(dá)到0.51mm，且邊墻中部受拉鋼筋最大拉應(yīng)力達(dá)到324.8MPa，均超過規(guī)范要求范圍，結(jié)構(gòu)安全性無法保證。其風(fēng)險(xiǎn)是外水將使混凝土襯砌開裂，洞內(nèi)滲水劇增，封堵施工無法進(jìn)行。對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)，加固襯砌也是一種辦法，但將使施工工期大增，4月底無法完工，無法避開度汛風(fēng)險(xiǎn)。因此，導(dǎo)流洞封堵如何分段設(shè)置，以避開襯砌結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。

原導(dǎo)流洞永久堵頭布置在洞身0+530.0m～0+560.0m。根據(jù)永久堵頭布置，一期堵頭可考慮設(shè)置在緊鄰閘門后及二期堵頭前兩種方案。

通過對(duì)洞身穩(wěn)定復(fù)核成果分析，在導(dǎo)流洞下閘后工程不同蓄水方案情況下，若將一期堵頭設(shè)置在進(jìn)口閘門后，一、二期堵頭間洞身結(jié)構(gòu)裂縫均超過規(guī)范規(guī)定值，洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全風(fēng)險(xiǎn)均較大。此外，導(dǎo)流洞運(yùn)行已超過2年，洞身襯砌可能的沖蝕破壞將使導(dǎo)流洞承擔(dān)外水能力進(jìn)一步降低，洞身滲水量增大，甚至可能造成結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，由于閘門密封不嚴(yán)等問題造成的滲漏，將增大二期堵頭施工期排水難度，影響二期堵頭施工進(jìn)度，二期堵頭施工期面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

將一期堵頭布置在二期堵頭前，與二期堵頭緊鄰布置，可有效避免洞身及閘門大量滲水以及洞身段結(jié)構(gòu)破壞給二期堵頭施工帶來的施工、安全風(fēng)險(xiǎn)。二期堵頭施工期由一期堵頭承擔(dān)封堵期高外水，一期堵頭的穩(wěn)定可通過封堵長(zhǎng)度解決，但因二期堵頭下游洞身襯砌結(jié)構(gòu)外水水頭仍較高，需復(fù)核堵頭下游原襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

二期堵頭下游洞身選取典型斷面0+530.0m為結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算代表性斷面，該段圍巖類別為Ⅳ類，襯砌厚度80cm，考慮到二期堵頭段洞身施工中已進(jìn)行了固結(jié)灌漿(樁號(hào)0+530.0m～0+560.0m段，灌漿壓力3.0MPa～4.5Mpa，且質(zhì)量檢測(cè)成果表明，檢查孔壓水試驗(yàn)最大透水率為0.868Lu)，并且大壩帷幕灌漿已完成，實(shí)際灌漿壓力為3.2MPa～3.6MPa，質(zhì)量檢測(cè)成果表明，檢查孔壓水試驗(yàn)最大透水率為0.638Lu。同時(shí)，考慮到該段洞身布設(shè)排水孔折減外壓作用，根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5077－1997)規(guī)定，重力壩在采用防滲帷幕和排水孔時(shí)，排水孔后水壓折減系數(shù)可取為0.2，洞身結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算中外水水頭折減系數(shù)取為0.2。計(jì)算結(jié)果顯示，最大裂縫開展寬度0.2mm，鋼筋最大應(yīng)力111MPa，滿足規(guī)范要求。

因此，通過合理地增加封堵混凝土段長(zhǎng)，分期施工，避開了導(dǎo)流洞原襯砌結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)和堵頭汛期施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 導(dǎo)流洞進(jìn)口突然潰決的風(fēng)險(xiǎn)管控

導(dǎo)流洞堵頭采用分期分段施工方式，二期堵頭施工期間由原導(dǎo)流洞閘門及洞身抵擋封堵期外水，若上游水位超過原結(jié)構(gòu)承載能力，將由一期堵頭承載。但原襯砌結(jié)構(gòu)在承載高外水時(shí)發(fā)生突潰，將對(duì)一期堵頭結(jié)構(gòu)造成威脅。針對(duì)此風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)導(dǎo)流洞地質(zhì)情況進(jìn)行分析研究。

根據(jù)洞身開挖揭示情況，進(jìn)口段0+000.0～0+030.0m洞身整體為Ⅴ類圍巖，巖體風(fēng)化卸荷較強(qiáng)，裂隙發(fā)育，裂面普遍銹染、張開，為強(qiáng)卸荷弱風(fēng)化巖體，呈碎裂結(jié)構(gòu);0+030.0m～0+224.0m洞身整體為Ⅳ類圍巖，巖體微～弱風(fēng)化，完整性差～較破碎，多呈互層狀～碎裂結(jié)構(gòu)，進(jìn)口洞段開挖揭示表明，洞室洞壁干燥或局部濕潤(rùn)，說明洞室?guī)r體透水性較弱。以上洞段實(shí)施了固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿入巖深度4m，灌漿壓力0.8MPa，以加固圍巖。

導(dǎo)流洞進(jìn)口段洞身上覆巖體最小厚度約14m，近2倍隧洞寬度，在二期封堵期施工高外水139m作用下，水力坡降約為9.2，考慮圍巖加固后可以滿足滲透破壞要求。同時(shí)，類比瀑布溝導(dǎo)流洞下閘情況，其封堵期實(shí)際外水水頭為117m，隧洞洞徑13m×16.5m(寬×高，大于本工程8m×9.5m)，洞頂巖體覆蓋厚度為18m(含混凝土回填厚度)，圍巖類別為Ⅳ類，通過監(jiān)測(cè)，封堵期施工安全沒有出現(xiàn)問題;為保證洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從安全的角度出發(fā)，在下閘前對(duì)進(jìn)口洞臉邊坡進(jìn)行固結(jié)灌漿施工，以提高圍巖整體承載力，經(jīng)過固結(jié)灌漿加固后，在高外水作用下發(fā)生突潰可能性較小。

4 導(dǎo)流洞下閘封堵施工預(yù)案

導(dǎo)流洞在汛前下閘封堵，增加了導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)本身和封堵期施工安全風(fēng)險(xiǎn)，雖然采取工程措施后，風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍，但仍需采取一定的施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。經(jīng)研究后采取以下措施和預(yù)案。

(1)下閘前對(duì)導(dǎo)流洞閘門及門槽重新檢修;

(2)為解決下閘后因閘門安裝不到位或門葉間縫隙過大造成的滲漏量大等問題，在進(jìn)口準(zhǔn)備足量堵漏材料(可采用棉被、黃豆、粘土袋等)，并確保導(dǎo)流洞進(jìn)口道路暢通;

(3)導(dǎo)流洞封堵施工通道為導(dǎo)流洞出口，下閘后應(yīng)立即填筑出口圍堰和洞內(nèi)道路。但因洞身及閘門滲漏量過大可能導(dǎo)致圍堰填筑困難，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行堵漏處理，洞身則需在下閘前進(jìn)行洞外灌漿處理。在導(dǎo)流洞出口準(zhǔn)備足量的填筑料，并配備一定數(shù)量的抽水泵備用;

(4)若一期堵頭施工期間洞內(nèi)滲水量較大，將對(duì)封堵施工造成影響，應(yīng)增加洞內(nèi)排水鋼管數(shù)量，并配有相應(yīng)的閥門，堵頭下游應(yīng)備足量的抽排設(shè)備。若施工過程中堵頭段洞身滲漏量大影響堵頭混凝土澆筑，應(yīng)采取有效的防水、排水措施，如高壓灌漿止漏、遮雨棚、排水管等，保證混凝土澆筑進(jìn)度和質(zhì)量。若二期堵頭施工期間發(fā)生設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，首先應(yīng)根據(jù)堵頭下部埋設(shè)鋼管出流量及上游監(jiān)測(cè)成果，判斷堵頭前洞身是否平壓，考慮到一期堵頭施工質(zhì)量及齡期保證性差，應(yīng)及時(shí)組織專家組討論是否將排水鋼管關(guān)閉。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過上述風(fēng)險(xiǎn)分析和提出的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，導(dǎo)流洞提前下閘方案通過了主管部門的審核批準(zhǔn)。2011年3月22日，毛爾蓋水電站導(dǎo)流洞比可研階段審定日期提前8個(gè)月下閘。2011年7月10日，二期堵頭施工完畢，水庫(kù)順利蓄水，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)。