白格堰塞湖影響下葉巴灘水電站施工導流動態規劃研究

彭 崢, 孔 科, 周 順 文, 張 有 山

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

0 引 言

中國目前在建大中型水電站大都位于高山峽谷地區,河道兩岸滑坡、泥石流等地質災害頻發,當滑坡體堵塞河道形成堰塞湖,潰決洪水流量常遠超天然洪水,將給下游帶來巨大危害。周興波[1]等分析了兩次白格堰塞湖的形成過程,在分析堰塞湖成因和堰塞體特征基礎上反演論證了應急搶險關鍵技術方案與工程措施;陳祖煜[2]等對白格滑坡殘留體再次堵江的潰壩洪水進行了模擬,并指出葉巴灘水電站壩前庫容對下游防洪安全具有明顯作用;鄢勇[3]研究了白格堰塞湖潰決對下游梯級電站的影響,分析提出了有效應對措施;周招[4]等通過野外模型試驗研究了不同斷面形式下的引流槽潰決洪水特點,并提出了防護措施以延緩潰決、削減洪峰;李松培[5]分析了梨園水電站在白格堰塞湖事件中應急處置的重難點和對策成效,并提出了寶貴建議。

對下游在建水電工程而言,電站尚未建成投產,未形成完善的防災調度能力,電站施工常遭受到更為嚴重的破壞和影響,工程施工導流風險增大。面臨不可預知的突發災害,在考慮上游堰塞湖的影響下,對水電站施工導流規劃進行動態調整,以適應建設條件的不利變化,降低工程損失,保證在建工程順利建設實施。

1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川白玉縣與西藏貢覺縣交界的金沙江干流降曲河口以下約350 m河段上,是金沙江上游規劃13級開發方案中的第7級,上游為波羅水電站,下游為拉哇水電站。電站壩址控制流域面積為173 484 km2,工程的開發任務為發電,采用壩式開發,正常蓄水位2 889.00 m,相應庫容10.80億m3,調節庫容5.37億m3,具有不完全年調節能力;電站裝機容量2 240 MW,多年平均年發電量為102.05億kW·h。電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物及引水發電建筑物組成?；炷岭p曲拱壩壩頂高程2 894.00 m,最大壩高217.0 m;泄洪消能建筑物由壩身泄洪表孔、深孔、水墊塘及二道壩組成;引水發電建筑物位于河道右岸,采用首部式地下廠房、長尾水的布置方案。葉巴灘水電站樞紐及導流工程平面布置見圖1。

圖1 葉巴灘水電站樞紐及導流工程平面布置

該工程采用隧洞導流方案,初期導流在左右岸各布置了一條12 m×14 m導流洞,由上下游全年土石圍堰擋水,基坑全年施工。按照工程建設進度計劃,原定于2018年11月份導流洞過流并大江截流,形成主體基坑,隨即開始大壩邊坡及基坑主體工程施工。導流工程是電站施工的關鍵工序,大江截流是工程建設的關鍵節點,直接影響到主體工程的順利開工以及電站投產發電時間,經濟效益和社會意義十分重大。

2 白格堰塞湖災害影響

(1)堰塞湖潰決洪水直接破壞水電站。

2018年10月11日和11月3日,位于在建葉巴灘水電站上游的金沙江右岸白格滑坡體先后兩次失穩,滑坡體堵塞河道均形成了巨大的堰塞湖。其中“10·11”堰塞湖庫容2.5億m3,堰塞體自然潰決,潰口處最大洪水流量約11 000 m3/s,葉巴灘壩址最大洪水流量約7 770 m3/s;“11·3”堰塞湖庫容7.75億m3,實施人工干預后堰塞體潰決,潰口處最大洪水流量約33 900 m3/s,葉巴灘壩址最大洪水流量約28 300 m3/s。堰塞湖潰決洪水遠超天然洪水,對在建葉巴灘水電站工程造成了巨大損壞,已投運低線交通道路被沖毀,在建的導流洞工程被破壞,致使原定2018年11月下旬大江截流無法按期實現。堰塞湖潰決洪水直接破壞情況,導流洞進口工程受災情況見圖2,導流洞洞身工程受災情況見圖3,低線交通受災情況見圖4。

圖2 導流洞進口工程受災情況

圖3 導流洞洞身工程受災情況

圖4 低線交通受災情況

(2)殘留堰塞滑坡體持續威脅水電站。

洪災過后,白格堰塞滑坡體未得到徹底處置,河床仍然殘留大量堰塞堆積體;河道兩岸岸坡仍有大規?；挛ｋU體,經初步評估,滑坡后(側)緣殘留體總方量約340萬m3,其中處于蠕滑階段的開裂破壞危險體約230萬m3,存在隨時加速滑動失穩垮塌的風險;處于蠕動變形階段的開裂變形危險體110萬m3,存在進一步變形蠕滑的可能。一旦邊坡開裂破壞危險體失穩下滑,可能會再次堵江形成較大規模的堰塞湖,潰決洪水對在建的葉巴灘水電站大壩造成新的破壞。河床殘留堰塞堆積體現場圖見圖5,河道兩岸滑坡危險體分布情況見圖6。

圖5 河床殘留堰塞堆積體現場圖

圖6 河道兩岸滑坡危險體分布情況

3 考慮堰塞湖洪災影響下葉巴灘水電站導流動態規劃研究

3.1 導流方案動態調整

受到堰塞洪災影響,左右岸導流洞不能按原計劃如期過流,截流時間預計將推遲至2019年3月底,原設計土石全年圍堰無法在2019年汛前施工完成,且在建工程、施工交通以及場地設備均受到損壞,施工外部環境和內部條件均發生較大變化,導流方案需根據實際狀況、結合項目建設需要進行動態調整。

導流方案動態調整主要考慮到下述原則:①為應對白格堰塞湖再次滑坡堰塞風險,從根本上提高金沙江流域防災減災能力方面考慮,需加快葉巴灘工程建設;②導流程序的調整應確保在現有條件下,大壩主體工程邊坡與基坑開挖盡早實施,以挽回電站的受災工期損失;③應有效控制初期導流期間再次堰塞潰決洪水對基坑及下游的破壞風險。

基于上述原則,導流方案調整總體思路為:將初期導流細分為兩個階段,第一階段是2019年3月—2021年4月,為壩肩開挖期,大壩上下游采用土石過水圍堰擋水(攔渣),進行常年水位以上壩肩開挖;第二階段是2021年5月—2024年4月,為基坑開挖和混凝土澆筑期,由大壩上下游由主體圍堰擋水度汛,進行基坑開挖和大壩混凝土澆筑。調整后初期導流程序表見表1。

表1 調整后初期導流程序表

調整后的導流方案有利于大壩邊坡按期開挖,減少白格堰塞湖兩次滑坡堰塞對電站主體工程施工的影響;即便在壩肩開挖期間再次遭遇潰堰洪水,過水圍堰不會再發生潰決,不會額外增加下游的洪水災害和損失。

3.2 主體圍堰結構方案調整研究

初期導流第一階段由土石過水圍堰擋水,進行大壩邊坡開挖施工;第二階段仍采用全年主體不過水圍堰擋水圍護基坑。根據大壩工程施工進度初步分析,2021年4月開始大壩基坑開挖,2021—2023年汛期需要主體圍堰擋水度汛。為提高該工程建設期的抗災能力,并考慮盡量減輕下游災害,筆者分別研究了“碾壓混凝土上游主體圍堰”方案和“土石圍堰”方案,并進行了綜合對比。

(1)“碾壓混凝土圍堰”方案

上游碾壓混凝土圍堰建筑物級別為4級,設計標準為10年重現期洪水,相應流量為Qp=5%=5 050 m3/s,圍堰上游水位為2 756.50 m,考慮波浪爬高和安全超高后,確定圍堰頂高程為2 758.00 m,建基面高程為2 688.00 m,最大堰高70.00 m。堰頂考慮交通要求,圍堰頂寬8.00 m,堰頂軸線長135.00 m。

上游混凝土圍堰施工:根據現場情況初步安排在2019年汛后枯水期進行上游土石過水圍堰防滲墻施工;2020年汛后開始混凝土圍堰基坑開挖和混凝土澆筑,并在2021年汛前完工,具備擋水度汛條件。上游碾壓混凝土圍堰結構斷面見圖7。

圖7 碾壓混凝土圍堰典型斷面圖

(2)“土石圍堰”方案

上游土石圍堰建筑物級別為4級,設計標準為20 a重現期洪水,相應流量為Qp=5%=5 670 m3/s,圍堰上游水位為2 763.21 m,考慮波浪爬高和安全超高后,確定圍堰頂高程為2 766.00 m,最大堰高約58.0 m。圍堰基礎防滲采用混凝土防滲墻,最大防滲深度約39.0 m;堰體采用土工膜心墻防滲,最大防滲高度約38.0 m,復合土工膜兩側采用過渡料和墊層料保護;河床基巖進行墻下帷幕灌漿,帷幕灌漿深度應深入相對不透水層(透水率<10 Lu)5.0 m,墻下帷幕采用埋管法施工,最大造孔深度約60.0 m,單排孔的孔距1.5 m;兩岸堰肩采用帷幕灌漿進行防滲處理,以減少地下水流繞滲量,帷幕灌漿最大造孔深度約為63.00 m?？紤]交通要求,圍堰頂寬10.00 m,堰頂軸線長149.40 m。土石圍堰典型斷面見圖8。

圖8 土石圍堰典型斷面圖

(3)比較與選擇

①從施工進度來看:“混凝土圍堰”方案和“土石主體圍堰”方案均需要先期實施一期過水圍堰,但是“土石主體圍堰”方案在完成圍堰混凝土防滲后就可進行圍堰填筑施工,而“碾壓混凝土圍堰”方案在混凝土防滲墻施工完成后需要進行基坑排水、混凝土圍堰基礎開挖和處理,然后才能進行混凝土圍堰澆筑施工?！巴潦黧w圍堰”方案工期保證性高于“碾壓混凝土圍堰”方案。

②從施工交通條件來看:“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,基坑出渣需繞行下游圍堰至渣場,運距增大,經濟性差。

③從再次堰塞潰決對圍堰的影響來看:根據電站風險評估及潰堰洪水專題分析研究成果,若白格滑坡殘留體再次下滑堵江,無論采用“土石圍堰”還是“碾壓混凝土圍堰”,都無法抵御堰塞體潰決的洪水,都會帶來不可避免的損失。當采用土石圍堰時,白格滑坡體再次發生200萬m3以上方量的滑坡堰塞,可通過及時拆除圍堰,避免圍堰潰決后的洪水疊加影響。

④從工程投資來看:“土石圍堰”對地基的要求較低,可充分利用工程開挖料,造價低廉;“混凝土圍堰所需”的水泥、粉煤灰等主要建材均需外購,而該工程地理位置偏遠,海拔較高,對外交通條件較差,運費高昂。經投資估算,“碾壓混凝土圍堰”方案較“土石圍堰”方案投資增加約9 500萬元。

經綜合分析比較,推薦采用“土石主體圍堰方”案。

4 方案實施及運行情況

白格堰塞湖事件之后,葉巴灘水電站導流洞工程于2019年3月基本完工并開始過流, 2019年3月30日大江成功截流。一期上、下游過水圍堰于2019年3月31日開工,4月19日填筑到頂開始擋水度汛。2021年4月,二期主體圍堰加高填筑到頂,開始擋水度汛。一期過水圍堰安全運行23個月,安全度過2個汛期,期間多次汛期過水。主體圍堰至今已安全運行24個月,安全度過2個汛期。大壩邊坡開挖于2019年4月開始,2022年8月8日完成大壩邊坡及基坑開挖施工,8月31日大壩首倉混凝土開始澆筑。一期過水圍堰防沖面板見圖9,一期圍堰汛期過水見圖10,一期圍堰成功度汛見圖11,主體上游圍堰運行見圖12。

圖9 一期過水圍堰防沖面板

圖10 一期圍堰汛期過水

圖11 一期圍堰成功度汛

圖12 主體上游圍堰運行

運行實踐證明,針對白格堰塞湖洪災對主體工程施工的影響,對施工導流方案的動態規劃調整和圍堰結構的分期設計,符合工程建設實際,有效降低了導流風險,為主體工程順利施工保駕護航。

5 結 語

筆者在考慮白格堰塞湖災害對在建葉巴灘電站施工的影響下,對電站施工導流規劃進行了動態調整研究,達到了降低工程損失、提高工程防災能力的效果。將葉巴灘電站初期導流細分為兩階段:第一階段實施一期過水土石圍堰,并在2019年3月份大江成功截流,保證了大壩邊坡盡早開挖施工;第二階段實施全年擋水圍堰,保證了大壩基坑開挖及壩體澆筑施工順利進行;經研究比較選擇了經濟合理的主體圍堰結構型式,降低了導流風險,節約了工程投資。