白鶴灘水電站大壩上游高土石圍堰設(shè)計

梁現(xiàn)培，蔡建國，王永明，李 軍，任金明

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122)

1 工程概況

1.1 基本概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45 km，電站上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級。電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，并有攔沙、發(fā)展庫區(qū)航運和改善下游通航條件等綜合利用效益，是西電東送骨干電源點之一。

工程樞紐由攔河大壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m。大壩下游布置水墊塘和二道壩，左岸布置3條泄洪隧洞，左右兩岸地下廠房各安裝8臺單機(jī)容量為1 000 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量16 000 MW，水庫總庫容206.27億m3。電站施工導(dǎo)流采用一次斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式，左岸布置3條導(dǎo)流隧洞，右岸布置2條導(dǎo)流隧洞[1]。

1.2 氣象水文條件

白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，金沙江流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)。據(jù)白鶴灘氣象站1994年～2009年資料統(tǒng)計，白鶴灘壩址區(qū)多年平均氣溫21.9 ℃，多年平均年降水量733.9 mm，金沙江流域年最大洪峰的發(fā)生時間主要集中在7、8、9三個月，約占總數(shù)的95%以上，其余5%多發(fā)生在6月下旬和10月上、中旬。

1.3 地形地質(zhì)情況

左岸坡為斜順向坡，680 m高程以下坡度36°，大部分基巖裸露，坡腳處堆積厚約5 m的碎塊石。右岸坡為斜逆向坡，坡度相對較陡，坡度52°，630 m 高程以下為臨江陡壁，坡度達(dá)82°，基巖裸露。河谷呈“V”形，岸邊無漫灘，由于河流側(cè)蝕作用，主流線偏右岸。

河床覆蓋層厚4.5～14.4.0 m不等，覆蓋層主要為漂石夾卵(礫)石，漂石直徑一般20～30 cm，直徑最大達(dá)3 m，漂石占80%～90%，漂石及卵石成分以玄武巖為主，少量卵石為砂巖。覆蓋層內(nèi)未見連續(xù)砂層分布。

堰基范圍無大規(guī)模斷層發(fā)育。左岸發(fā)育NW向斷層F11，左岸層間、層內(nèi)錯動帶發(fā)育，層間錯動帶C3分布于坡腳(595 m高程左右)。右岸主要發(fā)育NE向斷層F4，層間錯動帶C3分布于坡腳570 m高程左右，層內(nèi)錯動帶較左岸不發(fā)育，僅發(fā)育1條[1]。

2 圍堰設(shè)計

2.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

上游圍堰最大高度達(dá)83.0 m，擋水時間長達(dá)4年，攔洪庫容達(dá)4.0億m3，級別選定為3級，擋水標(biāo)準(zhǔn)選定為50年一遇，相應(yīng)設(shè)計洪水流量為28 700 m3/s。

2.2 平面布置

上游圍堰推薦采用復(fù)合土工膜斜墻土石圍堰，最大堰高83.0 m。根據(jù)導(dǎo)流隧洞平面布置、大壩基坑開挖邊線，結(jié)合地形條件，將上游圍堰軸線布置于拱壩拱冠上游約264 m處，下游坡腳距基坑開挖線約20 m，上游坡腳距左岸導(dǎo)流隧洞進(jìn)口約85 m，距右岸導(dǎo)流隧洞進(jìn)口約27 m。

2.3 結(jié)構(gòu)形式

上游圍堰堰頂高程經(jīng)計算分析取658.00 m，堰頂寬度根據(jù)施工運行及構(gòu)造要求取12.0 m，堰頂總長度約為208 m，最大堰高83 m，圍堰上游面621 m高程以下坡比為1∶1.5，621 m高程以上為1∶2.3，下游面坡比為1∶1.75，考慮馬道，綜合坡比為1∶2.25，坡面布置堰后上堰下基坑道路。圍堰戧堤布置在防滲墻下游側(cè)，戧堤頂高程610 m，頂寬32 m，上、下游坡比為1∶1.5，戧堤上游側(cè)布置一層5 m過渡料C，防滲墻兩側(cè)填筑細(xì)石渣料，坡比為1∶1.5，細(xì)石渣料上游側(cè)布置石渣料D(過渡料)，最外側(cè)拋填5 m厚大塊石。下游坡腳布置排水棱體，頂高程605 m，頂寬15 m，上游側(cè)坡比為1∶1.5，下游側(cè)坡比1∶1.75。

堰體防滲采用復(fù)合土工膜斜墻，復(fù)合土工膜下面鋪設(shè)0.6 m厚的墊層料A和3 m厚的過渡料A，復(fù)合土工膜上面噴20 cm厚混凝土進(jìn)行防護(hù)。復(fù)合土工膜底部錨固在防滲墻頂部，并埋置在蓋帽混凝土內(nèi)；兩岸岸坡設(shè)置有混凝土趾板，復(fù)合土工膜錨固在混凝土趾板上，并以二期混凝土進(jìn)行覆蓋。

防滲墻為塑性混凝土，墻厚1 m，墻頂高程615 m，最大深度51 m，為保證防滲效果，根據(jù)規(guī)范要求，墻底嵌入基巖1 m。

2.4 基礎(chǔ)防滲處理

2.4.1 河床部位基礎(chǔ)處理

上游圍堰處覆蓋層主要為漂石夾卵(礫)石(厚度4.50～14.40 m)，覆蓋層滲透系數(shù)K為10-3～10-1cm/s，屬中等透水層；巖體表層由于卸荷、風(fēng)化等綜合作用，使巖體裂隙擴(kuò)張，透水性變大。強(qiáng)卸荷帶巖體透水率一般為10 Lu，為中等透水，弱卸荷帶巖體透水率一般為3～10 Lu，平均5 Lu。

根據(jù)圍堰堰基處的地質(zhì)條件，堰基防滲可采用高噴灌漿和混凝土防滲墻。高噴灌漿具有施工速度快的特點，適用于軟弱土層，如第四紀(jì)的沖(淤)積層、殘積層以及人工填土等；混凝土防滲墻施工速度較慢，但防滲效果較好，國內(nèi)有比較成熟的施工經(jīng)驗，適用于各種地質(zhì)條件。本工程堰基處漂石占80%～90%，同時考慮上游圍堰擋水水頭高，為確保防滲效果，采用全封閉混凝土防滲墻。

白鶴灘上游圍堰基礎(chǔ)覆蓋層厚4.50～14.40 m，采用地下連續(xù)墻方式防滲，由于圍堰高達(dá)83.0 m(擋水水頭約95.0 m)，如果采用高彈性模量的剛性混凝土防滲墻在上部荷載的作用下，周圍土層的沉降比防滲墻大得多，使得墻體承受巨大的周圍土體的側(cè)面拖拽力，可能引起墻體內(nèi)部產(chǎn)生巨大的壓應(yīng)力而導(dǎo)致墻體破壞，因此基礎(chǔ)防滲選擇彈性模量低，適應(yīng)變形能力強(qiáng)的塑性混凝土材料。

通過國內(nèi)工程實踐和大量研究認(rèn)為，尤其是三峽二期圍堰的實踐表明，圍堰防滲墻采用高強(qiáng)度低彈模的塑性混凝土能較好地與周圍土體協(xié)調(diào)分配荷載，防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)較好。

防滲墻下帷幕灌漿采用單排孔，孔距1.5 m，要求貫穿C3層間錯動帶不小于3 m，穿過3 Lu線不小于2 m控制。

2.4.2 兩岸堰肩防滲處理

根據(jù)DL/T5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》8.4.8條規(guī)定[2]，帷幕灌漿的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按灌漿后巖體的透水率控制。根據(jù)壩的級別和壩高確定，1級、2級和高壩的透水率宜為3～5 Lu，3級以下的中低壩的透水率宜為5～10 Lu，基巖相對不透水層透水率的控制標(biāo)準(zhǔn)同上。

上游圍堰堰基巖體表層由于卸荷、風(fēng)化等綜合作用，使巖體裂隙擴(kuò)張，透水性變大。強(qiáng)卸荷帶巖體透水率一般為10 Lu，為中等透水，弱卸荷帶巖體透水率一般為3～10 Lu，平均5 Lu。層間錯動帶C3工程類型為巖屑夾泥型，試驗表明，其滲透系數(shù)為10-4cm/s。

考慮到本圍堰設(shè)計擋水水頭達(dá)95.0 m，以及圍堰工程的重要性，結(jié)合上游圍堰的基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件，層間錯動帶C3分布于左岸595 m高程左右，為解決堰肩和堰基基巖透水層防滲問題，在防滲墻下部及混凝土趾板下部設(shè)置防滲帷幕，防滲帷幕灌穿過q=3 Lu線以下深度3～5 m(同時保證帷幕灌穿左岸及堰基C3埋深較淺部位)，并將防滲帷幕向兩岸延伸，左、右岸分別延伸75.0 m和右岸40.0 m，左岸堰肩帷幕灌漿深度約35～60 m，右岸帷幕灌漿深度25～55 m。

表2 上游圍堰堰坡抗滑穩(wěn)定計算成果

2.5 圍堰滲流及穩(wěn)定分析

2.5.1 滲流計算

針對上游圍堰在50年一遇設(shè)計洪水位655.58 m的工況下的穩(wěn)定滲流情況，進(jìn)行了計算，圍堰下游坡腳水位假定在基坑底部545.00 m。不同填筑區(qū)域材料的滲透系數(shù)參考類似工程經(jīng)驗取值，計算軟件采用在巖土工程中應(yīng)用極為廣泛的Geo-Seep/W進(jìn)行計算。圖1、2分別為計算工況簡圖、等水頭線圖，計算結(jié)果見表1。

圖1 白鶴灘上游圍堰平面滲流計算剖面示意

圖2 上游圍堰等水頭線及浸潤線

單寬滲流量/m3·(d·m)-1防滲墻承受的最大水力坡降防滲墻后浸潤線高程/m邊坡出逸比降邊坡岀逸高程/m13.9184.10571.330.14568.38

在上述假定條件下，滲流計算成果表明，通過堰體和堰基的最大單寬滲流量為13.91 m3/(d·m)-1，防滲墻內(nèi)最大水力坡降84.10，未超過混凝土防滲墻一般允許坡降；逸出點位于圍堰的下游坡腳處，逸出段水力坡降為0.14，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗及長科院土工試驗結(jié)果[2]，上游堰趾處覆蓋層臨界比降為0.1～0.2，因此，存在發(fā)生滲透破壞的可能，同時考慮到實際情況與計算模型假定條件的差異，宜在上游圍堰的下游坡腳處覆蓋層采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以免造成坡腳覆蓋層發(fā)生滲透破壞。

2.5.2 堰坡穩(wěn)定分析

根據(jù)滲流計算成果，對上游圍堰進(jìn)行與滲流耦合的邊坡穩(wěn)定分析。

根據(jù)《水電工程圍堰設(shè)計導(dǎo)則》[3]，并結(jié)合DL/T5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》第10.3.2條規(guī)定，“控制抗滑穩(wěn)定的有施工期(包括竣工時)、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況”[4]，對圍堰的上述4種工況進(jìn)行邊坡穩(wěn)定復(fù)核，計算結(jié)果見表2。

根據(jù)表2可知，各種工況下上游圍堰上、下游邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，圍堰邊坡是安全的。

2.6 圍堰填筑料要求[5- 6]

2.6.1 石渣料

石渣料級配要求：①石塊飽和抗壓強(qiáng)度>35 MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑800 mm(圍堰防滲墻區(qū)域采用細(xì)石渣料，最大粒徑300 mm)，小于5 mm的顆粒含量不超過20%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%；③石渣料A區(qū)(水上碾壓部分)填筑設(shè)計指標(biāo)要求為，孔隙率不大于24.5%，干密度不小于2.05 g/cm3，滲透系數(shù)不小于1×10-1cm/s。

2.6.2 過渡料

過渡料級配要求：①石塊飽和抗壓強(qiáng)度>35 MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑150～300 mm，小于5 mm的顆粒含量不超過20%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%；③填筑設(shè)計指標(biāo)要求為孔隙率不大于24.0%，干密度不小于2.05 g/cm3，滲透系數(shù)控制在1×10-2～5×10-2cm/s。過渡料與石渣料之間需滿足層間系數(shù)要求。

2.6.3 墊層料

級配要求：①級配連續(xù)，最大粒徑20 mm，小于5 mm的顆粒含量不少于50%，小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%；②設(shè)計指標(biāo)要求為相對密度不小于0.75，干密度不小于1.98 g/cm3，滲透系數(shù)控制在5×10-3～10×10-3cm/s。墊層料與過渡料之間需滿足層間系數(shù)要求。

為保證墊層料在施工過程中不刺破土工膜，應(yīng)安排生產(chǎn)性試驗進(jìn)行驗證。在具備條件的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能利用天然砂礫料作為墊層料，如果采購不到或總量不足，墊層料可采用人工碎石料。

2.6.4 排水棱體

排水棱體填料采用弱風(fēng)化開挖料，巖塊濕抗壓強(qiáng)度大于40 MPa，要求粒徑為600～800 mm。

2.6.5 碎石土料

要求碎石土最大粒徑不大于100 mm，粒徑大于5 mm的顆粒不宜超過50%；壓實度控制在0.98以上，采用壩址區(qū)進(jìn)水口開挖的碎石土料。

3 圍堰施工

圍堰施工節(jié)點為：2015年11月27日圍堰戧堤進(jìn)占合龍，大江截流；2015年12月16日開始防滲墻槽孔施工；2016年1月15日防滲墻首倉澆筑；2016年3月5日防滲墻澆筑完成；2016年4月17日墻下帷幕灌漿施工全部完成；2016年6月7日上游圍堰填筑完成至658 m高程；2016年6月14日上游圍堰斜墻復(fù)合土工膜敷設(shè)、焊接、檢查完成。

4 結(jié) 語

目前，上游圍堰已經(jīng)過兩個汛期的考驗，圍堰坡腳沒有發(fā)現(xiàn)大的滲水點，上、下游邊坡穩(wěn)定安全，運行情況良好，為大壩澆筑、水墊塘等基坑內(nèi)工作面正常施工提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司. 金沙江白鶴灘水電站大壩上、 下游圍堰招標(biāo)設(shè)計報告[R]. 杭州： 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司， 2013．

[2] 長江水利委員會長江科學(xué)院.金沙江白鶴灘水電站可研階段土石圍堰土工試驗及結(jié)構(gòu)應(yīng)力滲流與穩(wěn)定分析研究報告[R]. 武漢： 長江水利委員會長江科學(xué)院， 2013．

[3] NB/T 35006—2013 水電工程圍堰設(shè)計導(dǎo)則[S]．

[4] DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]．

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