黃河海勃灣水利樞紐工程主要技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

阮建飛,翟興無(wú),周志博

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 工程概況

黃河海勃灣水利樞紐位于黃河干流內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，是《黃河流域防洪規(guī)劃》和《“十一五”全國(guó)大型水庫(kù)規(guī)劃》中的黃河干流梯級(jí)工程之一，工程任務(wù)是防凌、發(fā)電等綜合利用。工程左岸為烏蘭布和沙漠，右岸為內(nèi)蒙古新興工業(yè)城市烏海市。壩址上距石嘴山水文站50km，下游87km處為已建的三盛公水利樞紐。

海勃灣水利樞紐總庫(kù)容4.87億m3，電站總裝機(jī)容量90MW，多年平均發(fā)電量3.817億kW·h。工程為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(二)型，樞紐主要建筑物土石壩、泄洪閘、電站等為2級(jí)建筑物，其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，相應(yīng)下泄流量分別為6100m3/s和9100m3/s。

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 樞紐布置

樞紐壩軸線采用折線形布置，如圖1所示。樞紐建筑物從左至右依次為左岸灘地土石壩、土石壩與泄洪閘連接段、河床左岸16孔泄洪閘、河床右岸電站壩段(4臺(tái)機(jī)組)、右岸連接壩段，總長(zhǎng)6918.7m，其中河床樞紐總長(zhǎng)1054.50m。

圖1 樞紐壩軸線平面布置示意圖

樞紐布置型式主要考慮了以下因素：

根據(jù)主河槽內(nèi)地層分布特點(diǎn)：河槽左岸砂礫石層分布較高，右岸由于河道沖刷等影響，形成深厚松散細(xì)砂層。將建基高程較高的泄洪閘布置在主河床左岸，將建基高程較低的電站壩段布置在河床右岸，不但可以充分利用地層有利條件，且對(duì)外交通及生活區(qū)在河床右岸，便于電站的出線和交通布置，運(yùn)行管理方便。

針對(duì)左岸土石壩布置，工程因風(fēng)積砂的水理性質(zhì)較差，經(jīng)水浸泡后，存在滲透穩(wěn)定及繞壩滲流等問(wèn)題，并且活動(dòng)砂丘的不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)水庫(kù)大壩的安全產(chǎn)生不利影響。因此，依據(jù)地形地質(zhì)條件將土石壩分為兩段：其中壩0+493.0m～4+043.3m段將上部風(fēng)積砂全部挖除，采用“黏土心墻土石壩+混凝土防滲墻”型式；壩4+043.3m～6+864.2m段考慮地面較高，風(fēng)積砂層較厚，故僅采用混凝土防滲墻防滲措施，平均墻深16.3m。

2.2 壩型選擇

根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)概況可知，海勃灣壩址處于中強(qiáng)地震區(qū)，地形開(kāi)闊，壩線長(zhǎng)，壩基為巨厚的第四系松散堆積層。從壩址地形地貌和地層巖性等因素判斷，工程區(qū)沒(méi)有修建重力壩和拱壩地形地貌和地質(zhì)條件，而適宜修建土石壩。

土石壩壩型選擇主要是針對(duì)C點(diǎn)以東的土石壩段進(jìn)行的。在初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)該擋水壩段比較了黏土心墻、黏土斜墻、復(fù)合土工膜心墻、復(fù)合土工膜斜墻、瀝青混凝土心墻壩等土石壩壩型，壩基防滲措施比較了復(fù)合土工膜鋪蓋、水平黏土鋪蓋、高噴防滲墻和垂直防滲墻，在對(duì)壩型及壩基防滲分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選后，選取以下三種組合方案對(duì)壩型進(jìn)一步比較：①?gòu)?fù)合土工膜斜墻壩+復(fù)合土工膜鋪蓋；②黏土心墻壩+混凝土防滲墻；③黏土斜墻壩+黏土鋪蓋。

選取在2017年2月至次年2月期間收治的2型糖尿病住院病患共10例,按照隨機(jī)數(shù)字表法均分兩組。對(duì)照組中男女比例為29:26;年齡區(qū)間處于50-72歲,平均年齡(61.78±2.37)歲;糖尿病病程(3.67±1.21)年。觀察組中男女比例為31:24;年齡區(qū)間處于51-73歲,平均年齡(62.04±2.51)歲;糖尿病病程(3.71±1.94)年。兩組均經(jīng)我院確診為2型糖尿病,需日常注射胰島素治療,剔除臟腑功能障礙及嚴(yán)重心血管疾病患者,組間基礎(chǔ)資料無(wú)明顯差異(p>0.05)。

最終通過(guò)比較認(rèn)為：從防滲效果分析，垂直防滲墻防滲效果較好；從投資角度分析，方案①的工程投資最小，方案③的工程投資最大；從施工難易程度和施工質(zhì)量來(lái)看，斜墻和水平鋪蓋的施工難度小且施工質(zhì)量更容易保證；從壩型使用的防滲材料及數(shù)量來(lái)看，方案②使用防滲土料數(shù)量明顯少于方案③，達(dá)到防滲目的同時(shí)可以節(jié)約造價(jià)，至于復(fù)合土工膜防滲體壩，雖然其投資較少，但與黏土心墻壩相比，二者投資相差不大，且規(guī)范規(guī)定“3級(jí)低壩經(jīng)過(guò)論證可采用土工膜防滲體壩”，而對(duì)在2級(jí)壩上的使用，需要論證，且要求嚴(yán)格，應(yīng)慎重使用，故不推薦采用。

綜合考慮，確定壩型為黏土心墻壩，壩基防滲措施采用混凝土防滲墻。

2.3 地基處理

海勃灣壩址區(qū)地層主要由第四系松散堆積物組成，總厚度大于500m，巖性主要由細(xì)砂、壤土、砂壤土、黏土、砂礫石等組成，在8度地震設(shè)防烈度下，存在地震液化、壩基滲漏、滲透穩(wěn)定等問(wèn)題，根據(jù)不同建筑物地基存在的問(wèn)題，具體措施采用如下：

電站基礎(chǔ)坐落在第Ⅲ地質(zhì)單元以粉砂和細(xì)砂為主的土層上，原狀土體主要存在承載力不足、滲透穩(wěn)定等問(wèn)題，另外，對(duì)于施工期開(kāi)挖擾動(dòng)后土體，其在地震情況下也存在液化問(wèn)題，綜合考慮造價(jià)、地基處理效果、施工工藝等，工程采用振沖碎石樁解決地基承載力不足、擾動(dòng)土體液化問(wèn)題，樁距2.0m，樁徑1m，樁長(zhǎng)介于10～16m，等邊三角形布置。采用0.6m厚塑性混凝土防滲墻解決滲透穩(wěn)定問(wèn)題，防滲墻嵌入下部相對(duì)不透水的黏土層不小于1m。

泄洪閘段地基土層以第Ⅱ- 2地質(zhì)單元砂礫石為主，由于其細(xì)顆粒含量較多，初判為可能液化土，需采取相應(yīng)工程措施予以處理。工程采用振沖碎石樁解決土體液化問(wèn)題，樁距2.5m，樁徑1m，樁底嵌入Ⅲ地質(zhì)單元不小于0.5m，等邊三角形布置，采用0.6m厚、40m深塑性混凝土防滲墻解決滲透穩(wěn)定問(wèn)題。

土石壩段其持力層范圍內(nèi)的第Ⅱ- 2地質(zhì)單元沖積砂性土和壤土，均為液化土，需要采取相應(yīng)處理措施，以提高抗震性能。根據(jù)分析比較，結(jié)合開(kāi)挖，針對(duì)液化層深度6m以內(nèi)的區(qū)域，采用強(qiáng)夯進(jìn)行處理，夯點(diǎn)間距3m，梅花形布置，其他區(qū)域采用振沖碎石樁解決土體液化問(wèn)題，施工階段經(jīng)優(yōu)化，局部考慮壓重效應(yīng)樁長(zhǎng)適當(dāng)減短，樁距3m，樁徑1m，等邊三角形布置。針對(duì)滲透穩(wěn)定及繞壩滲流問(wèn)題：BC段采用0.4m厚、20～40m深(CD段采用0.3m厚、15m深)塑性混凝土防滲墻。

2.4 建筑方案選擇

海勃灣水利樞紐工程位于烏海市濱河新區(qū)，為內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)工程，工程的建成會(huì)使烏海市惡劣的自然環(huán)境得到大的改善，可極大地提高烏海市的旅游地位。故業(yè)主對(duì)工程提出了更高的要求，要把本工程建設(shè)成為精品工程，建成標(biāo)志性建筑物。經(jīng)過(guò)多次外檐方案比選，最終確定“展翅騰飛的天鵝”作為實(shí)施方案。在造型設(shè)計(jì)中，結(jié)合輕型屋頂，力求把本工程塑造成即將展翅騰飛的天鵝。在建筑設(shè)計(jì)中，把烏海市的書法元素融入其中，外墻面采用仿石材鋁板幕墻和玻璃幕墻相結(jié)合的形式，鋁板幕墻上開(kāi)出大小不一的方窗，形成各種巖畫中動(dòng)物的形狀，并通過(guò)燈光處理，玻璃窗及幕墻上映襯出各種文字，主色彩采用紅色、白色和灰色，充分體現(xiàn)了烏海市書法城的特點(diǎn)。

目前，海勃灣水利樞紐工程以其獨(dú)特的建筑造型，已經(jīng)成為烏海市的一張名片。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

3.1 多泥沙河流上的徑流電站布置

在充分考慮樞紐壩址處地形條件、水庫(kù)運(yùn)行方式、水沙條件等重要影響因素后，汲取了黃河干流工程成功的樞紐布置和排沙設(shè)施運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。提出了右岸電站設(shè)一機(jī)一孔排沙、左岸低底坎開(kāi)敞式泄洪閘的布置方案。對(duì)于確定的樞紐布置進(jìn)行了電站排沙孔斷面水工模型試驗(yàn)和樞紐整體水工模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，排沙孔體型設(shè)計(jì)合理，電站的排沙設(shè)施可以保證電站“門前清”，泄洪閘排沙作用明顯，按設(shè)計(jì)要求在汛期適時(shí)降低水位排沙既可控制庫(kù)區(qū)淤積形狀，確保水庫(kù)的有效庫(kù)容。

3.2 深厚覆蓋層的防滲方案選擇

在初步設(shè)計(jì)階段，壩基防滲方案比較了水平和垂直防滲兩種方案，本工程地基允許滲透坡降為0.14，經(jīng)計(jì)算分析，采用100m長(zhǎng)的黏土鋪蓋(平均厚度2m)和40m深的防滲墻均能滿足允許滲透坡降的要求，通過(guò)造價(jià)分析表明，水平防滲無(wú)論是采用黏土鋪蓋，還是采用混凝土鋪蓋，其單位長(zhǎng)度造價(jià)均較混凝土防滲墻高，綜合分析，本工程采用混凝土防滲墻方案。

結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工工藝及造價(jià)進(jìn)一步分析，本工程上下游最大水頭差不超過(guò)11m，土石壩段最大壩高16.2m，泄洪閘段最大壩高19.8m，電站壩段最大壩高35.2m，經(jīng)計(jì)算，防滲墻承受的總體應(yīng)力水平不高，采用0.4m(或0.6m)厚剛性混凝土或塑性混凝土防滲墻均可滿足要求，且塑性混凝土防滲墻的應(yīng)力變形協(xié)調(diào)性相對(duì)更優(yōu)，同時(shí)節(jié)約造價(jià)，綜合考慮施工孔斜率控制等工藝要求，河床樞紐壩段最終確定采用0.6m厚塑性混凝土防滲墻。

黃河海勃灣水利樞紐壩基覆蓋層深厚，采用混凝土防滲墻截?cái)鄩位鶟B流符合一般工程處理措施，但由于剛性深而薄的混凝土墻夾在較柔軟的砂性土壩基中，如何考慮接觸面形式及參數(shù)，對(duì)防滲墻應(yīng)力及變形會(huì)產(chǎn)生較大的影響，本工程在防滲墻結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，考慮了防滲墻與壩基土體之間泥皮作用，采用接觸單元，適當(dāng)減少摩擦系數(shù)，得出的防滲墻應(yīng)力及變形能較好符合其實(shí)際運(yùn)用情況，為防滲墻設(shè)計(jì)提供了較好的依據(jù)。

3.3 砂礫石液化地基的處理及效果評(píng)價(jià)

海勃灣壩址工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.228g，相應(yīng)地震基本烈度為8度，在地震荷載作用下，泄洪閘地基Ⅱ- 2地質(zhì)單元砂礫石存在局部液化可能，為此，設(shè)計(jì)采用了振沖碎石樁予以處理。但在實(shí)際操作過(guò)程中，雖經(jīng)多次咨詢論證，針對(duì)地基砂礫石層液化處理仍存在一定爭(zhēng)議。一方面砂礫石液化工程案例并不多見(jiàn)，國(guó)內(nèi)類似可借鑒經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，而工程區(qū)域砂礫石層厚度普遍較大，最厚處達(dá)13m，對(duì)于振沖設(shè)備及施工工效都是一種考驗(yàn)，通過(guò)振沖碎石樁處理能否達(dá)到預(yù)期效果有待驗(yàn)證；另一方面目前對(duì)砂礫石液化評(píng)價(jià)尚無(wú)一套成熟的理論體系，剪切波速法、剪應(yīng)力對(duì)比法等一般只適用于液化土體的初判，通常采用相對(duì)密度測(cè)試法也有局限性，常規(guī)鉆孔取樣對(duì)樣品擾動(dòng)較大，而挖探坑進(jìn)行原位取樣存在排水困難、后期回填處理等一系列問(wèn)題，給施工檢測(cè)帶來(lái)諸多不便。因此，如何驗(yàn)證振沖碎石樁擠密效果，確定砂礫石層施工檢測(cè)方法，建立一套符合本工程特點(diǎn)的地基處理評(píng)價(jià)體系，是本工程需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

為此，本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，積極探尋本工程區(qū)砂礫石層相對(duì)密度Dr和動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5之間關(guān)系，確定砂礫石相對(duì)密度0.75所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5，為施工生產(chǎn)的檢測(cè)提供操作性和可靠的控制標(biāo)準(zhǔn)，并為最終單元工程質(zhì)量評(píng)定提供必要依據(jù)。

從整體趨勢(shì)來(lái)看，通過(guò)對(duì)砂礫石層動(dòng)力觸探和相對(duì)密度的檢測(cè)，顯示了動(dòng)力觸探擊數(shù)增大，相對(duì)密度相應(yīng)提高的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者相關(guān)性較好，且可以看出，本工程Ⅱ- 2地質(zhì)單元砂礫石相對(duì)密度Dr=0.75所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5為30擊。其擬合曲線如圖2所示。

圖2 砂礫石相對(duì)密度Dr—?jiǎng)恿τ|探擊數(shù)N63.5關(guān)系曲線

3.4 粉細(xì)砂地基的消能防沖設(shè)計(jì)

由于泄洪閘段下游沖刷區(qū)地層均由第四系全新統(tǒng)松散堆積物組成，抗沖刷能力差，其不沖刷流速分別為：第Ⅱ- 1地質(zhì)單元粉細(xì)砂為0.4～0.5m/s；第Ⅱ- 2地質(zhì)單元砂礫石層為0.8～0.9m/s，在較高流速水流作用下會(huì)產(chǎn)生沖刷破壞，甚至?xí)斐伤菰刺晕g破壞。通過(guò)計(jì)算并結(jié)合模型試驗(yàn)表明，在各種運(yùn)行工況下，下游沖刷區(qū)域內(nèi)的流速均超過(guò)了允許抗沖流速，局部最大底部流速可達(dá)5m/s，會(huì)對(duì)下游河床造成沖刷破壞，常規(guī)運(yùn)行工況下，最大沖刷坑深度約為9.3m，最不利工況下即校核工況下沖刷坑深度可達(dá)到約30m。

防沖措施的選擇需考慮如下幾個(gè)因素：

(1)區(qū)域內(nèi)土體抗沖流速低，完全采用水平防護(hù)并不能完全解決其下游河床的沖刷。

(2)根據(jù)計(jì)算，需要的最大海漫長(zhǎng)度約為105m，工程量較大，措施選定還需考慮投資及實(shí)際效果問(wèn)題。

(3)在設(shè)計(jì)和校核工況下，假定計(jì)算后的下游河床沖坑深度均較大，前者約為17m，后者約為30m，結(jié)合周邊地形分析，實(shí)際上此時(shí)下游河床水位均已超過(guò)了左岸灘地高程，行洪斷面已超出了河床斷面，其單寬流量會(huì)進(jìn)一步減少，實(shí)際沖刷坑深度應(yīng)小于假定計(jì)算深度，且上述兩種工況出現(xiàn)概率小，歷時(shí)短，采用上述標(biāo)準(zhǔn)控制偏高，故結(jié)合有關(guān)規(guī)范對(duì)消能防沖要求，在制定防沖措施時(shí)，應(yīng)以防護(hù)常規(guī)運(yùn)行工況為主，而在非常規(guī)工況下可允許其產(chǎn)生破壞，但局部可能產(chǎn)生的破壞應(yīng)不致于對(duì)主體建筑物造成較大影響，以達(dá)到節(jié)省工程投資的目的。

基于上述因素考慮，海勃灣樞紐工程防沖措施選用“水平+垂直”兩種相結(jié)合的防護(hù)方式：遠(yuǎn)離主體建筑物區(qū)域采用水平防護(hù)措施，即采用具備一定抗沖刷能力且造價(jià)相對(duì)低廉的漿砌石海漫，在其后布置拋石防沖槽；靠近主體建筑物區(qū)域采用垂直防護(hù)措施，即在消力池與海漫間的混凝土護(hù)坦末端，設(shè)置一道“工”字形鋼筋混凝土防沖墻，考慮其后采取了海漫防護(hù)措施，即使局部產(chǎn)生破壞也可采取拋石等措施進(jìn)一步防護(hù)，綜合考慮防沖墻深度按常規(guī)運(yùn)行工況控制。

泄洪閘于2013年5月底投入運(yùn)行，期間海漫局部區(qū)域形成了較大的沖坑，但護(hù)坦末端由于設(shè)置了防沖墻而安然無(wú)恙，保證了主體建筑物的安全，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了防沖墻設(shè)置的必要性及可靠性。為保證后期運(yùn)行安全，后對(duì)海漫沖坑采用拋石回填修復(fù)加固處理。

4 結(jié)語(yǔ)

黃河海勃灣水利樞紐工程是中國(guó)實(shí)施“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，也是黃河內(nèi)蒙古段唯一一座以防凌為主的大型水利樞紐工程。工程自2013年5月底運(yùn)行以來(lái)，主體建筑物總體運(yùn)行良好，發(fā)揮了其防凌效益的同時(shí)，還帶來(lái)了良好的發(fā)電效益，對(duì)于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境也起到了非常重要作用。

黃河海勃灣水利樞紐工程涉及專業(yè)多、內(nèi)容廣，在樞紐布置、壩型選擇、地基處理及建筑設(shè)計(jì)等技術(shù)方案選擇上均有其顯著特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，該工程重點(diǎn)解決了多泥沙河流上徑流電站布置、深厚覆蓋層的防滲方案選擇、砂礫石液化地基的處理及效果評(píng)價(jià)、粉細(xì)砂地基消能防沖等問(wèn)題。針對(duì)泄洪閘下游粉細(xì)砂地基抗沖刷能力不足等問(wèn)題，工程采用了“工”字形防沖墻，以策安全。在施工階段，針對(duì)防滲墻、碎石樁復(fù)合地基的效果評(píng)價(jià)等還多次組織專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)咨詢，保證了工程建設(shè)的順利推進(jìn)及后期運(yùn)行安全可靠。