巴西圣安東尼奧水電站圍堰施工中的創新經驗

[] W.

1 工程總布置

工程包括4座廠房、2條泄洪道，主壩段為RCC壩，兩端為土壩壩段。大壩擋水形成的電站水頭為13.9 m。電站裝有44臺燈泡貫流式水輪發電機組，裝機總容量為3 150 MW。

工程于2008年9月開工，2012年完成導流施工，機組開始發電。

2 工程地質

壩址基巖為多組不連續面巖體，其構造主要為兩個相互正交的不連續面，基巖表面的不連續面近乎水平。主要不連續面為S1(和馬德拉河床平行)、S2(與S1正交)和S3，近水平的裂縫起因于島嶼表面的形成過程。上述狀況是形成各種不同形態不連續面巖體的主要原因。除此以外，幾乎整個基巖(花崗巖-片麻巖)都很粗糙，縱橫裂縫隨處分布。

鑒于上述狀況，從土工方面考慮的LR3圍堰段設計條件為：

(1) 由于土石壩段基巖存在穿透表層巖體或不連續面的張裂裂縫，因此具有發生管涌的高風險；

(2) 完成圍堰基礎處理的工期非常短；

(3) 橫跨河流的河床基巖面崎嶇不平。

3 圍堰設計和細部結構

圖1所示為LR3圍堰的總體規劃圖，沿中心線標出了各個橫截面位置。

圖1 圍堰總體規劃和馬德拉河群島

3.1 橫截面1

橫截面1——普雷西迪奧島。圍堰建成一座標準的均質土壩，壩體結構包括垂直反濾層、水平排水，以及防滲墻(如圖2所示)。

圖2 橫截面1和各分區采用的物料

圖3 橫截面2

3.2 橫截面2

橫截面2——普雷西迪奧島和蒙坦特島之間的區域。施工于2010年枯水期開始，并提前一年即2011年7月開始導流施工。當時河道流量較小，靠近右壩肩兩島嶼之間的區域已部分圍合，LR3上游部分已加高至高程51 m。沿中心線的中間位置，建有一堵寬10 m的RCC溢流墻，以確保有效的基礎處理，并在汛期后不再采取任何基礎處理措施的情況下可繼續進行圍堰施工。另外，這還有助于保護上游側已完工的土壩壩段，因為此壩段也是上游圍堰LR1的組成部分，有利于進行LR3圍堰段的施工，如圖3。

3.3 橫截面3

橫截面3——蒙坦特島和卡蘇愛拉島之間的區域。在完成上下游圍堰(LR1和LR1')導流施工后，發現了一個意外情況，即河床中島嶼之間有一深槽，深度在高程-5.0 m，并有表層巖石裸露，不連續面張開，裂縫發育。為防止出現管涌這類問題，一般采取清除塊石、表層區域回填混凝土、同時進行大量灌漿的處理方法。但由于進入深槽底部基巖區較為困難，因此采取了另一種解決方案，即構建一個寬15.5 m、一直修建到高程12.0 m的混凝土墻(如圖4所示)。在此高層上，以40 cm厚的壓實層填筑圍堰，將在下文詳述。見圖4。

3.4 橫截面4

橫截面4——卡蘇愛拉島與安特娜島之間及兩島以上區域。在該區域，河床中也有一條深槽，但不如上節中所述的那條那么深。此處施工過程中未出現新問題，如圖5所示。

圖4 橫截面3

圖5 橫截面4

此截面處，島嶼上方所面臨的最大問題是基礎處理。一方面需處理大量的松散大塊徑塊石，另一方面，還需決定基礎處理的范圍，至少在沿圍堰中心線方向寬10 m范圍內，要求進行仔細處理。進行深層基礎處理時，仍采用灌注水泥砂漿的常規方式。

3.5 橫截面5

橫截面5——安特娜島與左壩肩之間的區域。由于該部分前期未和彎段的堆石體相連(此擋水段為過渡段填料和黏土，作為一部分構成LR1下游輔助圍堰)，于是修建了一大型平臺，用于臨時堆存人工碎石，包括各種尺寸塊石、過渡段填料和反濾料，以備導流施工所用。

圖6 橫截面5

因施工計劃具有動態調整的特點，為優化施工，贏取進度時間，決定將先前設計的輔助圍堰和圍堰主體并為一體，以有助于主壩段的上升。

雖然采取了各種預防措施，但仍有較大不確定性，即河床中可能出現裂縫巖體和松散塊石。為解決此問題，在堆石擋水段和低滲透圍堰段(用磚紅壤土和薄碎石建成)之間，較大范圍地堆填過渡料，設法填充圍堰基礎中可能的空隙，不過這種方法不能確保達到預期結果。為防止LR2和LR3圍堰保護區域水位下降期間以及整個施工過程出現任何問題，在堆填過渡料部位的上游建有一旋噴灌漿帷幕，但眾所周知，此方案即為在基礎的張裂縫和塊狀巖體帶注漿的方法，效率并不高。因此布置了5排旋噴灌漿樁形成帷幕，深入拋填土部分3 m，伸入基巖內5 m，再灌入水泥砂漿。另外，2處進行了直徑1.2 m的旋噴柱灌漿，伸入基巖達5 m深，且灌漿直達拋填土圍堰的頂部，高程約為57 m。詳見圖6。

4 90%壓實度的填土圍堰

巴西的大多數碾壓土壩，采用黏土和無渣土時，其填筑層厚度均為20～25 cm。對比這種情況，考慮到LR3圍堰段壓實度(90%壓實度)并不很高且有別于一般的土壩，因此填筑層厚度采用30 cm。

為評估其效果，進行了專門的試驗，以確定新的設計參數。采用這些參數，再對圍堰的抗剪強度、滲透性和壓縮性進行新的評估。

用于LR3圍堰段的土料具有如下主要特點：

(1) 最大干密度為1.52 g/cm3；

(2) 最佳含水量為25.5%；

(3) 塑性指數為32%。

根據固結排水試驗得出的有效應力強度(不考慮粘聚力)為：壓實度95%時摩擦角為32°，壓實度90%時摩擦角為31°。

對于不固結不排水剪切試驗，90%壓實度時，摩擦角為26°。

基于上述結果，根據摩擦角28°的壓實土的有效應力強度，確定LR3圍堰段的斜坡。

另外還觀察到一個標準特性，即在90%壓實度的固結試驗結果中，試件在飽和狀態下承受80 kPa拉應力時未發生崩塌。

試驗得出的滲透性指標如下：

(1) 95%壓實度：k=8×10-5cm/s (160 kPa) 和3×10-5cm/s(320 kPa)。

(2) 90%壓實度：k=2×10-4cm/s (160 kPa) 和1×10-5cm/s(320 kPa)。

5 施工工序

2009～2012年間的某些施工階段，從兩壩肩部位開始拋石，直至導流完工。部分施工工序如下。

(1) 左岸至安特娜島之間拋石。

(2) 圍堰閉合并帶有一處人工碎巖儲備的施工場地。圍堰之間的基坑是待進行旋噴灌漿的位置。

(3) 普雷西迪奧島和蒙坦特島之間的水道被截斷，以便碾壓混凝土墻和輔助圍堰的施工。

(4) 在填土區進行了旋噴灌漿。

(5) 安特娜島和卡蘇愛拉島之間的水道被截斷。輔助圍堰LR1是LR3的組成部分。

(6) 圍堰閉合，基坑準備抽干。

(7) 蒙坦特和卡蘇愛拉島之間最深槽的最深處高程為-5.0m，該處的圍堰高程也最高，達80 m。在槽底部建有一個10 m×15 m的混凝土墻，因為采用土壩施工機械無法到達如此深度，圍堰在槽底上方15 m處開始填筑。

(8) 馬德拉河的河流改道完成，河流穿過左側主泄洪道閘孔。LR3和LR2之間區域已抽干，河床中整個區域的開挖工作已準備就緒。

6 水庫蓄水與觀測儀器

工程所用的觀測儀器主要是安特娜島和左壩肩之間壩段基礎中安裝的測壓計，用于檢測旋噴灌漿帷幕和處理后的基礎情況。另外還安裝有一臺流量計，觀測到的滲流量約為2.0 L/s(或0.85 L/s/m)，對于該區域頂長為140 m的圍堰，該觀測值在容許范圍內。

觀測表明，在河槽邊緣處，水位相對較高，表明滲流被防滲墻截住，但在河槽底部有兩處測壓管顯示的水位較低，可能表示有滲流穿過防滲墻。盡管如此，流量計測得的滲透流量較小，說明該基巖區內可能無松散塊石或張裂縫，滲透性因此而不大。上述測壓管顯示的數值降低的原因，可能是受到下游水位的控制。在其余斷面，也未觀測到大的滲流量。

現場檢測未發現任何裂縫，尤其是在最深河槽的兩壩肩部位。

7 結 語

圣安東尼奧大型水電工程，從施工開始后不到3 a時間，首臺發電機組便投入運行，這是設計、施工和工程監理等參建各方共同努力的結果。

該工程雖然工期緊張、困難重重，且面臨大型工程固有的各種技術難題，但仍在規定時間完工，實現了預期發電目標。