雙江口水電站泄洪系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

張 巖， 肖 培 偉， 邢 丹

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 馬爾康 624005)

雙江口水電站泄洪系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

張 巖， 肖 培 偉， 邢 丹

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 馬爾康 624005)

泄洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，與大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)相比，受重視的程度仍然不夠，進(jìn)度上一般作為次要關(guān)鍵線路考慮，現(xiàn)場管理力量的配置也相對薄弱。鑒于雙江口水電站泄洪系統(tǒng)工程規(guī)模大、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、施工難度大、質(zhì)量控制嚴(yán)的情況，參建各方技術(shù)人員應(yīng)經(jīng)常深入現(xiàn)場，掌握高邊坡、地下洞室開挖揭露的巖石地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)面特征，與原地勘資料對比分析，結(jié)合監(jiān)測資料進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核，為下一步施工制定更有針對性、更經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

泄洪系統(tǒng)；招標(biāo)設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)；對策

1 工程概況

雙江口水電站是大渡河流域水電規(guī)劃“3庫22級”開發(fā)方案的第5級，位于四川省阿壩州馬爾康市、金川縣境內(nèi)大渡河上源足木足河、綽斯甲河匯口以下約2 km河段。壩址處多年平均流量504 m3/s，水庫正常蓄水位2 500 m，總庫容為28.97億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。

雙江口水電站樞紐工程由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物等組成，其中泄洪系統(tǒng)布置格局為右岸布置1條洞式溢洪道、1條深孔泄洪洞和1條利用中期導(dǎo)流洞改建的泄洪放空洞，左岸布置1條利用后期導(dǎo)流洞改建的豎井泄洪洞[1]。

2 工程地質(zhì)

2.1 地形地貌

泄洪系統(tǒng)區(qū)河流總體由S45°～60°E流入，折向近E流出，枯水期河水面寬33 m～93 m，正常蓄水位2 500 m高程對應(yīng)谷寬595 m。河谷屬高山深切曲流河谷，發(fā)育于花崗巖體中，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，臨河坡高1 000 m以上。自然坡度左岸35～50°、右岸45～60°，坡面基巖裸露，植被較發(fā)育。

2.2 地質(zhì)條件

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體布置

泄洪建筑物的布置型式、結(jié)構(gòu)尺寸及泄量量指標(biāo)詳見表1。

3.2 體型結(jié)構(gòu)

3.2.1 洞式溢洪道

由進(jìn)口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成，總長2 172 m；過流區(qū)采用C9040或C9050高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土；進(jìn)口洞臉邊坡最大開挖高度約179 m，出口洞臉邊坡最大開挖高度132 m。

3.2.2 深孔泄洪洞

采取短有壓進(jìn)口接無壓隧洞形式，由岸塔式進(jìn)口、無壓隧洞、挑流鼻坎組成，縱剖面采用一坡到底的直坡型式；無壓隧洞全長2 022 m，過流區(qū)采用C9040或C9050高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土；進(jìn)口洞臉邊坡最大開挖高度110 m，出口兩側(cè)邊坡最大開挖高度100 m。

3.2.3 豎井泄洪洞

由短有壓進(jìn)口、無壓隧洞上平段、渦室、豎井、無壓隧洞下平段及出口挑流鼻坎組成，下平段無壓隧洞全長990 m；無壓上平段過流區(qū)采用C9035抗沖耐磨混凝土，其余過流區(qū)采用C9040或C9050抗沖耐磨混凝土；進(jìn)口邊坡開挖高度約45 m，出

表1 泄洪建筑物工程特性表

口邊坡與尾水出口邊坡結(jié)合布置。

3.2.4 放空洞

采用有壓隧洞接無壓隧洞型式，由進(jìn)口段、有壓隧洞段、閘門豎井段、工作閘室段、無壓隧洞段及出口段組成；有壓隧洞總長419 m，無壓隧洞段總長1 530 m；過流區(qū)采用C9040或C9050抗沖耐磨混凝土；進(jìn)口豎井邊坡最大開挖高度75 m、出口兩側(cè)邊坡最大開挖高度115 m。

4 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

本工程壩址河谷狹窄、壅水水頭高，泄洪最大水頭約250 m，最大泄洪流量為8 102 m3/s，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時具有“高海拔、高寒、高應(yīng)力”的地理環(huán)境特點(diǎn)，決定了工程本身仍有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要深入研究，并制定相應(yīng)的對策措施。

4.1 右岸出口片區(qū)施工問題

右岸泄洪系統(tǒng)出口片區(qū)邊坡陡峭、地形狹窄，明槽段、挑流鼻坎及出口段連成一片，洞臉及兩側(cè)邊坡開挖高度在100 m～130 m之間，土石方開挖總量約130萬方，混凝土澆筑總量約16萬m3，上、下施工作業(yè)面高差超過200 m，存在明顯的平面、立體交叉干擾，該部位施工通道布置難度大、工期要求緊，直接影響出口片區(qū)施工效率及場內(nèi)交通總體規(guī)劃布局。

招標(biāo)階段提出了該部位施工通道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及推薦方案，設(shè)計(jì)等級為場內(nèi)三級，荷載等級為汽-40；結(jié)合現(xiàn)場地形條件及設(shè)計(jì)技術(shù)要求，推薦方案路線縱坡不超過9%，最小平曲線半徑15 m，單車道路面寬度4.5 m，滿足《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》(DL/T5243-2010)中場內(nèi)三級公路其他技術(shù)參數(shù)要求，規(guī)劃路線總長2.9 km[2]，具體由承包人自行設(shè)計(jì)、施工。該施工通道主線應(yīng)滿足通往泄洪出口建筑物、過壩交通12號隧道出口的要求，支線應(yīng)滿足至泄洪出口片區(qū)開口線高程的要求，存在突破設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和路基高邊坡、高擋墻引起的施工難度、投資增加及部分部位不具備路線成型條件等風(fēng)險。

因此，要充分利用承包人進(jìn)場開展準(zhǔn)備工作的有限時間，業(yè)主代表應(yīng)組織參建各方測量、地質(zhì)、施工等專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘，結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)及施工條件，依據(jù)路線特征部位現(xiàn)場放樣成果，對承包人自行設(shè)計(jì)施工通道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核研究。依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測放樣成果及技術(shù)要求，督促承包人對道路總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，即充分利用規(guī)范關(guān)于“條件受限施工交通最大縱坡可增加1%～2%”的要求，轉(zhuǎn)彎路段橫斷面設(shè)計(jì)采用最大限度的超高、加寬方案，路基橫坡較陡路段以高擋墻為主、路基橫坡較緩路段以開挖為主，確保路線平、縱、橫三要素滿足設(shè)計(jì)要求。同時，研究沿河布置攔渣設(shè)施、提前施工機(jī)械便道至開挖工作面、落實(shí)灑水降塵措施，實(shí)施自上而下拋渣施工的可行性。最終，從安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行綜合比選、并經(jīng)專家咨詢評審后，確定該部位的實(shí)施方案。

4.2 高地應(yīng)力區(qū)巖爆防治

泄洪系統(tǒng)地處高地應(yīng)力區(qū)，實(shí)測最大主應(yīng)力變化于20 MPa～30 MPa之間，最大主應(yīng)力達(dá)38 MPa。《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50287-2006)根據(jù)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比(即為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力的比值)對巖爆等級進(jìn)行劃分，并提出不同等級巖爆的主要現(xiàn)象，依據(jù)該規(guī)范判定本工程巖爆分級以中等巖爆為主、局部為強(qiáng)烈?guī)r爆。鑒于巖爆發(fā)生機(jī)理、控制因素及治理措施等暫無一致認(rèn)同的觀點(diǎn)和方法，因此，高地應(yīng)力區(qū)巖爆防治是本工程需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

受現(xiàn)場地形及布置條件限制，招標(biāo)階段泄洪系統(tǒng)的洞線選擇、斷面形狀及支護(hù)方案并未針對巖爆影響進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，提出由承包人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定巖爆防治措施。施工準(zhǔn)備階段，委托設(shè)計(jì)單位開展高地應(yīng)力區(qū)長、大洞室的巖爆防治措施專題研究，并組織有關(guān)技術(shù)人員開展高地應(yīng)力區(qū)地下洞室施工的專題調(diào)研，作為本項(xiàng)目實(shí)施前的技術(shù)儲備。

實(shí)施過程中，主要從預(yù)測預(yù)報、前期預(yù)防、優(yōu)化開挖方案、加強(qiáng)支護(hù)等方面入手，控制和減小巖爆發(fā)生的概率。采用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比法、綜合地質(zhì)分析法，并利用微震監(jiān)測技術(shù)對洞壁圍巖微裂隙發(fā)展情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，預(yù)判巖爆發(fā)生的可能。針對強(qiáng)烈?guī)r爆，采取高壓噴水、打應(yīng)力釋放孔，降低圍巖應(yīng)力、改變圍巖變形特征。開挖過程中，優(yōu)先采用多臂鉆鉆孔，避免突發(fā)性巖爆引起的人身傷亡事故，采用光面爆破、淺孔多循環(huán)、嚴(yán)格控制單響最大藥量及分部導(dǎo)洞開挖方案，減少圍巖應(yīng)力集中。充分利用開挖后6小時內(nèi)巖爆發(fā)生概率較小的有利時機(jī)，加快實(shí)施柔性噴錨支護(hù)，優(yōu)先采用徑向錨桿、水脹式錨桿及鋼纖維混凝土；強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)柔性支護(hù)完成后，為避免再次出現(xiàn)塌方、掉塊，洞室頂拱可鋪設(shè)主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行被動臨時防護(hù)[3]，能夠取得較好的防護(hù)效果。

4.3 高標(biāo)號抗沖耐磨混凝土

本工程泄洪期間的最大下泄流速達(dá)46 m/s，高速水流的長期沖蝕、氣蝕、磨蝕極易導(dǎo)致過流區(qū)混凝土出現(xiàn)破壞，后期修補(bǔ)難度大、造價高且質(zhì)量難以保證，因此，高標(biāo)號抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)是本工程要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

可研階段，結(jié)合泄洪系統(tǒng)運(yùn)行條件及工況，開展了水力學(xué)模型試驗(yàn)及抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)研究工作。針對高速水流氣蝕破壞，采取適應(yīng)水流流態(tài)的流線形設(shè)計(jì)，并增設(shè)摻氣坎、補(bǔ)氣洞等設(shè)施。針對高速水流的沖蝕、磨蝕破壞且骨料強(qiáng)度偏低，提出了抗沖耐磨混凝土的設(shè)計(jì)要求，如：進(jìn)口及有壓洞身段過流面采用C40高強(qiáng)混凝土，無壓洞段、豎井及出口段過流面采用C50高強(qiáng)混凝土。

招標(biāo)設(shè)計(jì)方案評審過程中，有關(guān)專家提出了延長混凝土齡期、采用硅粉混凝土及增設(shè)環(huán)氧涂層等措施，確保配置混凝土的力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合泄洪系統(tǒng)工程招標(biāo)、進(jìn)場工作計(jì)劃，將委托設(shè)計(jì)單位編制高標(biāo)號抗沖磨混凝土研究試驗(yàn)大綱，利用料場開采料或前期洞挖料、明挖料，現(xiàn)場取樣進(jìn)行抗沖磨混凝土的復(fù)核性試驗(yàn)。同時，委托國內(nèi)相關(guān)科研單位開展高標(biāo)號抗沖磨混凝土對比試驗(yàn)研究工作，充分利用當(dāng)?shù)毓橇?，通過采用新材料或新技術(shù)優(yōu)化前期配合比試驗(yàn)研究成果。

4.4 過流面混凝土質(zhì)量控制

國內(nèi)已建工程泄洪建筑物運(yùn)行的實(shí)踐表明，絕大部分泄洪建筑物的過流面混凝土出現(xiàn)不同程度的破壞，個別工程甚至由于過流面混凝土的嚴(yán)重破壞而影響正常運(yùn)行，主要原因是過流面混凝土的表面質(zhì)量缺陷及結(jié)構(gòu)混凝土體型控制不達(dá)標(biāo)引起混凝土表面沖蝕破壞加劇。

招標(biāo)階段，雙江口針對過流面混凝土的質(zhì)量控制提出相應(yīng)技術(shù)要求，并強(qiáng)調(diào)了過流面混凝土表面質(zhì)量及結(jié)構(gòu)體型控制的重要性。過流面混凝土的表面質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在蜂窩、麻面、氣泡、局部不密實(shí)、表面裂縫等缺陷上，結(jié)構(gòu)體型控制問題主要表現(xiàn)在不平整、錯臺、線形不滿足設(shè)計(jì)要求等方面。

實(shí)施過程中，針對過流面混凝土的質(zhì)量控制應(yīng)重點(diǎn)做好事前預(yù)防、事中管控、事后處理。事前預(yù)防，即：要求承包人制定過流面混凝土施工及表面保護(hù)專項(xiàng)方案，采用定型模板或滑膜施工，并使用合適的運(yùn)輸、入倉設(shè)備，預(yù)防過流面混凝土出現(xiàn)質(zhì)量問題。實(shí)際過程即加強(qiáng)原材料、中間產(chǎn)品及混凝土拌合物的質(zhì)量檢測，加強(qiáng)鋼筋、模板、澆筑、收面工序的過程控制，特別重視冬夏兩季混凝土的澆筑溫度控制及表面保溫保濕[4]，保證混凝土的成型質(zhì)量。事后控制，即遵循“邊施工、邊檢查、邊處理”的原則及時對過流面混凝土的質(zhì)量缺陷處理，表面缺陷、不平整經(jīng)打磨或鑿毛后采用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧膠泥抹面處理，局部不密實(shí)、表面裂縫經(jīng)鑿除表面混凝土后采用環(huán)氧砂漿或環(huán)氧膠泥塊置換并灌注聚氨酯材料填充密實(shí)。

對于過流面混凝土的模板、澆筑、收面、缺陷處理等重要工序應(yīng)定人、定工具、定設(shè)備，承包人嚴(yán)格落實(shí)“三檢制”，監(jiān)理實(shí)施全過程旁站監(jiān)督，設(shè)計(jì)單位針對不同流速分區(qū)提出缺陷處理技術(shù)要求，由建設(shè)單位牽頭成立過流面混凝土質(zhì)量控制QC小組，嚴(yán)格執(zhí)行“一倉一總結(jié)”。

4.5 泄洪霧化影響區(qū)邊坡穩(wěn)定

泄洪系統(tǒng)“水頭高、泄量大、流速快”決定了運(yùn)行期間水流摻氣、散裂和水舌高速下落產(chǎn)生的激濺，形成霧化流，受上游大氣來流、水舌風(fēng)及下游地形條件的綜合影響，在樞紐區(qū)附近形成密集雨霧。國內(nèi)已建工程由于泄洪霧化影響導(dǎo)致河道邊坡滑坡、塌方及由此改變水庫運(yùn)行方式的案例較多，因此，泄洪霧化引起的高邊坡安全穩(wěn)定是本工程的技術(shù)難題[5]。

可研階段，設(shè)計(jì)單位委托中國水利水電科學(xué)研究院開展泄洪霧化影響專題研究，結(jié)合二灘水電站泄洪霧化原型觀測資料，對泄洪霧化影響范圍、降雨強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測。結(jié)合可研階段研究成果及設(shè)計(jì)邊界條件，對霧化影響范圍內(nèi)高邊坡的安全穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，初步制定了加固、防護(hù)、排水等綜合處治方案。

下一步，將針對泄洪霧化影響區(qū)主要邊坡開展補(bǔ)充地勘工作，加深對霧化區(qū)邊坡地質(zhì)條件的認(rèn)知，并結(jié)合泄洪霧化模型試驗(yàn)和原型觀測資料，對初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的深化和細(xì)化，結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件及影響程度，分區(qū)域確立霧化區(qū)邊坡處治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充霧化影響因素監(jiān)測設(shè)計(jì)，制定有針對性的霧化區(qū)邊坡處治方案。

5 結(jié) 語

泄洪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，與大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)相比，受重視的程度仍然不夠，進(jìn)度上一般作為次要關(guān)鍵線路考慮，現(xiàn)場管理力量的配置也相對薄弱。鑒于雙江口水電站泄洪系統(tǒng)工程規(guī)模大、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、施工難度大、質(zhì)量控制嚴(yán)的情況，參建各方技術(shù)人員應(yīng)經(jīng)常深入現(xiàn)場，掌握高邊坡、地下洞室開挖揭露的巖石地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)面特征，與原地勘資料對比分析，結(jié)合監(jiān)測資料進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核，為下一步施工制定更有針對性、更經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。

高邊坡的安全穩(wěn)定、地下洞室圍巖的穩(wěn)定以及高地應(yīng)力區(qū)巖爆等均具有復(fù)雜和不確定性的特點(diǎn)，利用“智慧工程”的智能預(yù)警與智慧決策系統(tǒng)，應(yīng)用信息化技術(shù)手段，能充分獲取監(jiān)測、試驗(yàn)信息，以指導(dǎo)施工，優(yōu)化施工程序、確定施工時機(jī)、評價穩(wěn)定狀態(tài)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為安全預(yù)警、現(xiàn)場組織及宏觀決策提供依據(jù)。

[1] 雙江口水電站可行性研究報告[R].中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院,2012.

[2] 水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范(DLT5243-2010).

[3] 楊安林,趙桂連.錦屏輔助洞工程巖爆特征和綜合防治[J].人民長江,2009,40(8):47～48.

[4] 陳葉文,段亞輝.溪洛渡泄洪洞有壓段圓形斷面襯砌混凝土溫控研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2009,(5):116～119.

[5] 大渡河瀑布溝水電站溢洪道陡槽段霧化邊坡穩(wěn)定性研究[D].成都理工大學(xué),2007,呂輝.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

[TM622]；N945.2；TV551.1+6

B

1001-2184(2017)02-0140-04

張 巖(1981-)，男，遼寧錦州人，畢業(yè)于三峽大學(xué)水利水電工程專業(yè)，工程師，從事水電工程技術(shù)管理工作；

肖培偉(1980-)，男，重慶人，畢業(yè)于四川大學(xué)水利水電工程專業(yè)，高級工程師，從事水電工程技術(shù)管理工作；

邢 丹(1984-)，男，河南南陽人，畢業(yè)于武漢大學(xué)水利水電工程專業(yè)，工程師，從事水電工程技術(shù)管理工作.