瀑布溝水電站尾水出口施工圍堰優化設計及施工實踐

陳仁峰

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

瀑布溝水電站位于大渡河中游的四川省漢源縣及甘洛縣境內，樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、左岸地下廠房系統、左岸岸邊開敞式溢洪道、左岸泄洪洞、右岸放空洞及尼日河引水工程等組成。工程等別為Ⅰ等，主要水工建筑物為1級。裝機容量為600×6=3 600(MW)，多年平均發電量為145.8×108kW·h。瀑布溝水電站地下廠房洞室群由主廠房、主變室、尾水閘門室、引水隧洞、母線洞、尾水連接洞、2條無壓尾水隧洞及其出口閘室組成。

電站尾水出口位于尼日河下游及泄洪洞上游，主要施工項目有:尾水出口邊坡開挖支護、尾水出口檢修閘門室、尾水渠基坑開挖和混凝土襯砌。尾水出口最低高程為659.7 m，位于河底高程以下，施工時必須要進行擋水和防滲。擋水圍堰主要起擋水、防滲、防洪等作用，擋水圍堰施工的好壞直接對尾水出口各項施工起決定作用。

工程區氣候較濕潤，多年平均氣溫為17.8℃，極端最高氣溫為40.9℃，極端最低氣溫為 －3.3℃;多年平均年蒸發量1 395.6 mm;多年平均相對濕度68%;最大風速15.3 m/s;多年平均年降水量748.4 mm，歷年最大日降水量168.2 mm，年平均降水日數為143 d。

壩址處多年平均流量為1 230 m3/s，平均最小流量為924 m3/s，平均最大流量為1 650 m3/s。壩址汛期10%、5%頻率最大瞬時流量分別為6 370 m3/s、6 960 m3/s。年最大洪水出現在6～9月份，7月份的出現幾率最多，占總頻率的56.1%。

尾水出口處大渡河左岸地形陡峻，谷坡坡度為50°～60°，局部呈陡崖直壁，基巖裸露，風化嚴重，裂隙發育，巖性為花崗巖。高程750 m以下至河床地形較緩，多為坡積物覆蓋，河床由漂卵石和塊卵石組成，河床覆蓋層厚約40 m。經施工期對尾水渠處進行地質鉆探，表明尾水渠末端處覆蓋屋厚約23～31 m，比設計推測的基巖頂板線有所提高。

2 圍堰設計

2.1 設計標準

考慮到尼日河對出口水位的影響，尾水出口圍堰擋水標準采用全年10年一遇洪水，設計流量為7 190 m3/s，對應水位高程667.35 m。

2.2 投標階段施工圍堰采用的設計方案

采用全年圍堰擋水的水流控制方案。圍堰采用在預留的枯水期土埂上填筑土石料的土石圍堰型式。堰頂高程678 m，最大堰高8 m，迎水面及背水面坡比均為1∶1.5，堰頂寬12 m，軸線長280 m。堰體防滲采用土工布，堰基防滲為懸掛式高噴防滲墻(圖1、2)。

主要工程量:石渣4.42萬 m3，塊石0.33萬m3，墊層沙卵石 0.64 萬 m3，土工膜 3 168 m2，高噴防滲墻6 750 m2，預留土埂7.91萬 m3。圍堰填筑及防滲費用計639.47萬元。

2.3 優化方案

2.3.1 優化設計的思路

圖1 投標階段尾水出口圍堰布置圖

圖2 投標階段尾水出口圍堰斷面圖

由于設計方案中的永久結構混凝土范圍增加，如仍用全年擋水圍堰擋水，圍堰軸線將增長310 m，高噴防滲墻面積增至12 890 m2，各項工程量及經費增加很多，據測算，僅高噴防滲墻一項就超過原投標經費521.9萬元，資金壓力大;(2)現場鉆探揭示，尾水隧洞出口處基巖頂板出露比原設計推測的要高，隧洞出口距相應的基巖面較遠，故有條件利用原巖體(預留)阻擋洪水。

基于上述情況，經反復研究，提出了采用高水位高擋、低水位抵擋的分期圍堰優化方案。

2.3.2 第一次優化

根據尾水出口時的施工情況、開挖揭露的地質條件及調整后的施工總進度安排，尾水出口圍堰按不同時段采用相應的設計標準，即分別采用高水位和低水位兩道圍堰。

(1)高水位圍堰(預留石坎)。

按照“2009年7月1日首臺機組發電調整施工總進度”，2007年10月～2008年9月，尾水出口主要進行尾水渠及閘室開挖、閘室及排架結構混凝土澆筑，以及閘門、啟閉機安裝等。該時段需要在2008年汛期高水位條件下施工，圍堰防洪標準采用全年十年一遇，流量為7 190 m3/s，相應水位高程677.35 m(簡稱高水位圍堰)，圍堰結構采用在尾水出口巖石部位預留巖坎的形式，巖坎頂面高程為678 m，見圖3、4。

圖3 分期圍堰平面布置圖

圖4 高水位圍堰——預留石坎斷面圖

預留石坎圍堰頂寬8 m，外邊坡為1∶0.3，內邊坡為1∶0，由原生花崗巖構成，長200余m，石坎內坡距閘室3 m左右。為防超標洪水，在坎頂設子堰。

巖坎穩定分析:

從現場巖坎實際地質情況看，該部位預留巖坎穩定分析安全系數可參照土石圍堰壩坡安全系數取值。其安全系數見表1。

表1 土石圍堰堰坡的抗滑穩定安全系數表

圍堰穩定性計算采用瑞典圓弧法。假定巖坎失穩破壞可簡化為一平面應變問題，破壞滑動面為一圓弧形面，將面上作用力相對于圓心形成的阻滑力矩與滑動力矩的比值定義為圍堰的穩定安全系數，則其穩定分析受力如圖5所示，計算公式如下:

圖5 預留巖坎圍堰穩定分析示意圖

式中 i為下標，代表土條編號;W為土條重量;u為孔隙水壓力;l、a分別為土條沿滑裂面的長度和坡角;c、φ為有效抗剪強度指標。

上述計算中取一個單位堰坡進行計算。將已知條件 l=1/cosa=1/cos(8°)=1.01，W=25 kN，a=8°，c取8 kPa(根據經驗數據取值)，代入計算得KC=1.22。通過以上計算得出，該工程預留巖坎滿足圍堰級別3類以上，故該巖坎是穩定的。

預留巖坎的加固處理:

①根據施工的實際情況，若預留區巖坎高程較低、單薄、有缺口等，應視具體情況用C15混凝土補缺、加高、培厚，以達到設計標準。

②為了確保預留巖坎自身的穩定性，對預留巖坎進行噴錨支護，支護型式采用:錨桿φ22，L=3 m，間排距200 cm，梅花型布置，噴C20混凝土，厚度為3～5 cm。

③當預留區巖石節理、裂隙發育有可能滲水時，進行固結灌漿處理，如2#尾水隧洞出口。

④在預留巖坎高程678 m以上及其附近進行爆破作業時，應嚴格控制單響藥量，將爆破震速控制在10 cm/s以內。

⑤預留巖體臨山側直立面開挖應分層預裂，并嚴格控制爆破參數，防止爆破對預留巖坎產生嚴重破壞，影響圍堰擋水。

(2)枯水圍堰(低水位圍堰)。

2008年11月～2009年4月進行尾水出口基坑水面以下的開挖、巖坎拆除、尾水渠底板及邊墻混凝土澆筑等工作。該時段在枯水期進行施工，圍堰設防流量為1 120 m3/s，相 應 水 位 高 程669.55 m(簡稱低水位圍堰)，采用粘土心墻的結構形式，堰頂高程為670 m。

低線公路靠山側將1#、2#尾水洞出口反坡段全部包圍，兩端與山體相接，呈折線形，軸線長310 m，堰頂高程670 m，頂寬12 m，內 外 邊 坡 為1∶1.5，堰體由預留土體碎石土或卵石形成，堰高5 m。堰體及堰基防滲采用粘土心墻，如圖3、6所示。

圖6 尾水出口低水位圍堰斷面圖

2.3.3 再次優化

將低水位土石圍堰裁彎取直，取消粘土心墻防滲，加大排水能力，實行強排水方案。在成功實施預留巖坎、安全度過2008年汛期、滿足施工的情況下，2008年冬實施枯水期低水位圍堰施工時，考慮到以下幾個條件:①據預報和近幾年的實踐，2008年冬春枯期流量為平水年;②尾水渠低水圍堰在經歷2008年汛期后，泥沙淤積對基坑和堰體進行了封閉，滲透水量會有所減小;③仍利用老路堤作低水圍堰，不另修新的，原預留土埂滲透相對較小;④對1#尾水渠延長段(伸入河床內的部分)請設計作適當修改，使圍堰軸線順直?；谏鲜稣J識，取消了粘土防滲，實行強排水。

3 圍堰施工實踐

2007年10月以后，隨著尾水出口邊坡開挖下降，按優化方案預留巖坎并進行補缺、裂隙破碎帶固結灌漿等，安然度過2008年汛期。同年冬季及2009年春在老路堤低水位圍堰保護下，安裝了8臺12″泵(含備用)，實施基坑強排抽水，排水強度達2 600 m3/h，保證了尾水渠基坑旱地施工。

4 結語

通過對瀑布溝水電站尾水出口圍堰進行的優化，達到了預期的目標，為實現首臺機組提前發電創造了條件，獲得了較好的經濟效益。