葉巴灘水電站圍堰堰型方案比選研究

張 永 清， 周 順 文， 相 昆 山， 楊 玉 川， 孔 科

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

西南山區(qū)水電站壩址區(qū)多屬于高山地貌，經(jīng)常出現(xiàn)深切的“V”型河谷。對(duì)于此種地形，多采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，如何合理地確定圍堰，將直接影響導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)度、工程量及投資。因此，圍堰形式的選擇和設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。

本文針對(duì)葉巴灘水電站工程的實(shí)際情況，研究分析表明不宜采用明渠、分期等導(dǎo)流方式，而推薦采用“斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流”的導(dǎo)流方式。根據(jù)圍堰布置原則及該工程特點(diǎn)，對(duì)上下游圍堰進(jìn)行相應(yīng)的方案比選。對(duì)上游圍堰，進(jìn)行了混凝土圍堰與土石圍堰的專題比選；而對(duì)下游圍堰，主要考慮其與二道壩存在結(jié)合布置的可能性，分析結(jié)合與不結(jié)合兩種分案。

1 葉巴灘水電站概況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，壩址位于金沙江支流降曲河口下游600 m處，壩址控制流域面積為17.35萬km2，多年平均流量839 m3/s。

葉巴灘水電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物三大系統(tǒng)組成?；炷岭p曲拱壩壩頂高程2 894.0 m，最大壩高217.0 m。泄洪消能建筑物由壩身5個(gè)泄洪表孔、4個(gè)泄洪深孔、水墊塘及二道壩組成，采用挑流消能，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點(diǎn)[1～3]。

1.2 地質(zhì)條件

壩址區(qū)河道順直，多處跌水險(xiǎn)灘，水流湍急，枯水期江面寬30～70 m，水深5～10 m。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，山勢(shì)巍峨，地形陡峭，山頂高程大于4 000 m，相對(duì)高差大于1 000 m，屬高山地貌。河谷狹窄，谷坡陡峻，一坡到頂，緩坡平臺(tái)不發(fā)育，為基本對(duì)稱的深切“V”型峽谷。壩址區(qū)兩岸多基巖裸露，覆蓋層主要分布于河床、岸坡坡腳及淺溝溝口。無河漫灘、階地發(fā)育。岸坡覆蓋層主要為崩積形成的倒石堆，局部為崩坡積混合堆積。

上游圍堰軸線位于降曲河口下游約260 m。鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂砂卵礫石，層次簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度20～27 m，為中等偏強(qiáng)透水層，基巖為石英閃長(zhǎng)巖，巖石堅(jiān)硬。下游圍堰軸線位于董俄措溝口上游約200 m。鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂砂卵礫石，層次簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度19.40 m。上下游圍堰兩處的河床沖積漂砂卵礫石層均較密實(shí)，承載和抗變形能力均可滿足圍堰要求。

2 施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與方式

2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

葉巴灘水電樞紐工程為一等大(Ⅰ)型工程，永久性主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，永久性次要建筑物為3級(jí)。

根據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5379-2007)及《水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35041-2014)，綜合各方面因素，并參照國(guó)內(nèi)已建和在建的同類工程經(jīng)驗(yàn)，本階段選擇導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。根據(jù)地形地質(zhì)條件、工程區(qū)建筑材料情況及交通條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)及施工進(jìn)度要求，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素綜合考慮，圍堰宜選擇土石類圍堰，對(duì)于4級(jí)土石類導(dǎo)流建筑物，相應(yīng)的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為洪水重現(xiàn)期20～10年。

2.2 導(dǎo)流方式

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，岸坡基巖出露，巖性以石英閃長(zhǎng)巖為主，具有良好的隧洞布置條件。根據(jù)壩址區(qū)地形與地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)及施工進(jìn)度要求，推薦采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。

攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高217.0 m，大壩施工為控制發(fā)電工期的關(guān)鍵項(xiàng)目，基坑過水及過水后的基坑清理等影響發(fā)電工期和工程總工期，經(jīng)濟(jì)損失較大，大壩宜采用全年施工。本河段無通航，干流常年不結(jié)冰，不需考慮通航、排冰設(shè)計(jì)。

根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)、工程施工條件和工期要求，本工程采用“斷流圍堰全年擋水、隧洞導(dǎo)流”的導(dǎo)流方式。

3 圍堰布置方案

本工程施工期設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量為5 670 m3/s，對(duì)于采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，如何合理地確定圍堰及導(dǎo)流洞的規(guī)模，將直接影響導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)度、工程量及投資，因此，根據(jù)圍堰布置原則及工程特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)流擋水建筑物進(jìn)行以下方案比選。

3.1 上游圍堰堰型方案

上游圍堰兩岸基巖裸露，坡腳部位可見崩坡積堆積物，塊徑較大，厚度2～5 m?；A(chǔ)河床覆蓋層為漂(塊)砂卵(碎)礫石及含漂砂卵礫石層，層次簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度20.77～27.32 m。河床覆蓋層以粗顆粒為主，無集中成帶的砂層等細(xì)顆粒分布，承載力較高，堰基不均勻沉陷和抗滑穩(wěn)定問題不突出，施工時(shí)應(yīng)作好防滲處理。此種地形比較適合混凝土圍堰與土石圍堰布置，下面對(duì)其進(jìn)行比較分析。

3.1.1 混凝土圍堰

混凝土圍堰的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇洪水，相應(yīng)流量為Qp=10%=5 050 m3/s。經(jīng)計(jì)算，在相同的導(dǎo)流洞規(guī)模的前提下，堰前設(shè)計(jì)水位為2 755.50 m，選擇圍堰頂高程為2 758.00 m，圍堰建基于III2類基巖上，建基面高程為2 690.00 m，最大堰高約68.0 m；基礎(chǔ)防滲采用帷幕灌漿，并設(shè)置排水孔；經(jīng)初步分析計(jì)算，碾壓混凝土圍堰頂寬取5.0 m，上游采用直立邊坡，下游坡比為1∶0.8。碾壓混凝土總工程量約11.2萬m3。

為保證混凝土圍堰的施工，圍堰之前需增設(shè)一道枯期土石圍堰，該土石圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇設(shè)計(jì)洪水，擋水時(shí)段為11月～5月，相應(yīng)流量為Qp=20%=1 110 m3/s；經(jīng)計(jì)算，土石圍堰頂高程為2 729.00 m，最大堰高約21.0 m，土石圍堰及其基礎(chǔ)采用混凝土防滲墻，防滲墻深約38.0 m，墻下中等透水的Ⅲ2、Ⅲ1類巖體中設(shè)置帷幕灌漿，最大灌漿深度約23.0 m，碾壓混凝土圍堰的布置如圖1所示。

圖1 碾壓混凝土圍堰剖面圖

3.1.2 土石圍堰

土石圍堰的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇洪水，相應(yīng)流量為Qp=5%=5 670 m3/s。在相同的導(dǎo)流洞規(guī)模的前提下，圍堰頂高程為2 766.00 m，最大堰高約58.0 m，經(jīng)初步分析計(jì)算，土石圍堰頂寬取10.0 m，上游坡比采用1∶2，下游坡比為1∶1.75，堰體采用土工膜心墻防滲，堰基采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻深約38.0 m，墻下中等透水的Ⅲ2、Ⅲ1類巖體中設(shè)置帷幕灌漿，最大灌漿深度約22.0 m。土石圍堰的布置如圖2所示。

圖2 土石圍堰剖面圖

3.1.3 方案比選

土石圍堰對(duì)地基的要求較低，可充分利用工程開挖料，造價(jià)低廉；混凝土圍堰所需的水泥、粉煤灰等主要建材均需外購，而本工程地理位置偏遠(yuǎn)，海拔較高，對(duì)外交通條件較差，運(yùn)費(fèi)較高。

土石圍堰施工受氣候影響小，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，可組織高強(qiáng)度施工，一個(gè)枯水期內(nèi)完成約58.0 m高的土石圍堰(含38.0 m深混凝土防滲墻)保證率較高。而混凝土圍堰方案需先施工枯期土石圍堰，而后進(jìn)行基坑排水、混凝土圍堰基礎(chǔ)開挖和處理，然后才能進(jìn)行混凝土圍堰澆筑施工。根據(jù)施工進(jìn)度分析，防滲墻施工需要3個(gè)月，圍堰基礎(chǔ)開挖和處理需要2個(gè)月，枯期(11月～5月)剩余2個(gè)月難以完成68 m高的混凝土圍堰施工(即使按20 m/月的碾壓混凝土上升速度，混凝土圍堰要到7月中旬才能澆筑到頂)，不能滿足度汛要求。

如采用增大導(dǎo)流洞，降低混凝土圍堰高度的布置方式，至少需將圍堰頂高程降低30 m左右，即頂高程降至2 728.00 m，這將與上游枯期圍堰頂高程相同，這種布置幾乎無意義。

土石圍堰易于布置下基坑道路，混凝土圍堰的背坡不能布置下基坑道路，基坑出渣繞行下游圍堰再到降曲河渣場(chǎng)，運(yùn)距增大，不經(jīng)濟(jì)。

近年來在金沙江、雅礱江和大渡河上設(shè)計(jì)、施工了多座60 m左右的土石圍堰，積累了較多的工程經(jīng)驗(yàn)。通過以上綜合分析比較，土石圍堰的優(yōu)點(diǎn)突出，故推薦采用土石圍堰。

3.2 下游圍堰堰型方案

葉巴灘水電站初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)流量為5 670 m3/s，下游圍堰設(shè)計(jì)水位2 732.04 m，考慮波浪爬高和安全超高后，確定下游圍堰頂高程為2 734.00 m。

二道壩頂高程為2 730.00 m，與下游圍堰頂高程僅相差4m，施工期適當(dāng)加高二道壩即可作為下游圍堰使用，即下游圍堰與二道壩存在結(jié)合布置的可能性。下面對(duì)結(jié)合和不結(jié)合布置方案進(jìn)行比較選擇。

3.2.1 結(jié)合方案

施工期將二道壩頂高程加高4 m至2 734.00 m高程，作為下游全年擋水圍堰使用，其建基面高程2 688.00 m，最大壩高46 m(不含齒槽)，混凝土總量約20.3萬m3，導(dǎo)流洞下閘前將頂部4m混凝土爆破拆除，將頂高程恢復(fù)至3 730.00 m，滿足二道壩永久運(yùn)行要求。

二道壩軸線處河床覆蓋層厚度約23.0 m，為施工二道壩，需先修建枯期土石圍堰。枯期土石圍堰按5年一遇枯期洪水考慮(11月～5月)，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為Qp=20%=1 100 m3/s，設(shè)計(jì)水位為2 722.05 m，堰頂高程為2 724.00 m?？萜谕潦瘒叻罎B墻施工平臺(tái)高程2 724.00 m，混凝土防滲墻最大深度約35.0 m。

二道壩基坑開挖需在上游圍堰防滲墻和下游枯期圍堰防滲墻全部完工后才能進(jìn)行。經(jīng)施工進(jìn)度分析，河床截流后上、下游兩道防滲墻施工需3個(gè)月，二道壩基礎(chǔ)開挖和基礎(chǔ)處理需2個(gè)月，枯期期(11月～5月)剩余2個(gè)月難以完成46 m高的二道壩(全年圍堰)施工。構(gòu)皮灘電站下游混凝土圍堰(二道壩)最大堰高47.60 m，混凝土總量約13.28萬m3，碾壓混凝土最高月澆筑強(qiáng)度5.0萬m3，實(shí)際施工歷時(shí)3.5個(gè)月。

因此，下游枯期土石圍堰需按過水圍堰設(shè)計(jì)。過水圍堰的堰頂考慮防滲墻施工要求，寬度取25.0 m，上游堰坡坡比1∶2.5，下游堰坡坡比1∶2.5，過流堰面采用1.0 m厚大塊石進(jìn)行護(hù)面，圍堰的布置如圖3所示。

圖3 結(jié)合方案圍堰剖面圖

3.2.2 不結(jié)合方案

下游圍堰采用土石圍堰，堰頂高程2 734.00 m，最大堰高約24.0 m。防滲墻施工平臺(tái)高程2 724.00 m，混凝土防滲墻最大深度約35.0 m；防滲墻施工平臺(tái)以上堰體高度10 m，采用土工膜心墻防滲，圍堰的布置如圖4所示。

圖4 不結(jié)合方案圍堰剖面圖

3.2.3 方案比選

結(jié)合方案的枯期土石圍堰(汛期過水)底寬約100 m，不結(jié)合方案的全年擋水土石圍堰底寬約87 m，兩者基本相當(dāng)，對(duì)導(dǎo)流洞出口布置沒有影響，亦即不能減短導(dǎo)流洞長(zhǎng)度。

結(jié)合方案二道壩需加高4 m，增加混凝土量約3 200 m3，增加投資約320萬元；且加高部分需導(dǎo)流洞下閘前采用控制爆破拆除，施工工藝要求較高。

結(jié)合方案的枯期土石圍堰(汛期過水)需做好堰面過流保護(hù)，堰面防護(hù)大塊石約8 600 m3，施工相對(duì)復(fù)雜，且造價(jià)相對(duì)較高；不結(jié)合方案的全年擋水土石圍堰2 724 m高程以上為10 m高的土石填筑體，填筑量約2.7萬m3，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，且造價(jià)低。大塊石單價(jià)按120元/ m3考慮，土石填筑單價(jià)按30元m3考慮，結(jié)合方案的枯期土石圍堰較不結(jié)合方案的全年擋水土石圍堰直接投資高22萬元。

結(jié)合方案第三年汛期基坑灌水，影響大壩基坑開挖，且二道壩需安排在枯水期施工，占用較多施工資源，影響關(guān)鍵線路上的大壩工程施工；不結(jié)合方案二道壩可選擇合理的時(shí)段進(jìn)行施工，可與大壩施工協(xié)調(diào)安排。

綜上所述，本階段不推薦下游圍堰與二道壩結(jié)合布置，推薦采用獨(dú)立布置的下游全年擋水土石圍堰方案。

4 結(jié) 語

由于圍堰形式選擇的合理與否，直接關(guān)系到導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)度、工程量及投資等方面，因此，在可行性研究階段正確選擇圍堰形式至關(guān)重要。

根據(jù)葉巴灘水電站上下游圍堰方案比選可知，圍堰型式選擇主要從地質(zhì)情況、施工條件、工期及經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。最終確定上游圍堰采用土石圍堰，下游圍堰采用不與二道壩結(jié)合的方案，而且是比較合理的，對(duì)于今后類似水電工程圍堰型式選擇有一定的指導(dǎo)價(jià)值。