瀘定水電站粘土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

王黨在，金 偉，王方亮，韓 勇

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 工程概述

瀘定水電站壩址位于四川省瀘定縣城瀘定橋上游2 km處，距下游瀘定縣城2.5 km，控制流域面積58 943 km2。瀘定水電站采用壩式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。瀘定水電站水庫(kù)正常蓄水位1 378.00 m，校核洪水位1 381.22 m，死水位1 375.00 m，總庫(kù)容2.4億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.22億m3，具有日調(diào)節(jié)性能，裝機(jī)容量920 MW。工程樞紐主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物組成。攔河大壩為粘土心墻堆石壩，大壩的抗震設(shè)防級(jí)別為甲類，抗震設(shè)防烈度為8度。

2 壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

壩軸線方位角NE73°44′24″，河床枯水期河水位1 308.2 m，水面寬124 m，正常蓄水位1 378 m時(shí)，谷寬413 m，壩軸線距離下游四灣村古滑坡堆積體約580 m。壩基河床覆蓋層深厚，一般為120～130 m，最大厚度148.6 m，由四大層七個(gè)亞層組成。

左壩肩山體雄厚，基巖裸露，巖性為閃長(zhǎng)巖、花崗巖，邊坡整體基本穩(wěn)定。壩肩巖體裂隙較發(fā)育，局部不利組合可能形成小規(guī)模崩塌破壞。淺表卸荷及風(fēng)化巖體具強(qiáng)～中等透水性，相對(duì)抗水層埋藏較深，存在壩肩繞滲問題。右壩肩地形坡度較緩，邊坡整體穩(wěn)定。

3 大壩設(shè)計(jì)

3.1 壩型及壩線選擇

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，可研階段比較了斜心墻堆石壩、粘土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩3種壩型，綜合抗震性、工期、工程投資、安全性等因素選定壩型為粘土直心墻堆石壩。

壩址區(qū)下游四灣村古滑坡體、河床覆蓋層中的粉細(xì)砂及粉土層，對(duì)壩線選擇限制較大。從防滲結(jié)構(gòu)受力條件、滲流特性、樞紐布置及工程投資等方面考慮，選擇橫Ⅶ線作為推薦壩線。

3.2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大壩壩頂高程 1 385.50 m，最大壩高79.50m，壩頂長(zhǎng)526.70 m，上、下游壩坡均為1∶2，壩頂寬度12 m。心墻頂高程為1 383.00 m，頂寬 4 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，底高程1 306.00 m，底寬48.00 m。心墻底部4m高范圍加寬，加寬后順河向坡度為1∶1。心墻上游設(shè)兩層厚3.0 m的反濾層，下游設(shè)兩層厚4.0 m的反濾層。心墻底部在壩軸線上游設(shè)厚30 cm的反濾料作為復(fù)合土工膜的墊層，心墻底部在壩軸線下游亦設(shè)厚度2 m的反濾料作為復(fù)合土工膜的墊層，并與心墻下游反濾層連接，心墻下游堆石基礎(chǔ)壩基反濾層厚2 m。反濾層與壩殼堆石間設(shè)過渡層，與壩殼堆石接觸面坡度為1∶0.25。上、下游壩腳以外分別設(shè)置了壓重Ⅱ區(qū)和堆石Ⅱ區(qū)。壩體典型剖面見圖1。

3.3 筑壩材料設(shè)計(jì)

3.3.1 心墻粘土料及接觸粘土料

心墻粘土料來自壩址下游約10 km的海子村粘土料場(chǎng)Ⅰ、Ⅲ區(qū)。填筑技術(shù)要求：最大粒徑不大于10 cm；小于5 mm顆粒含量宜大于90%；小于0.075 mm的顆粒含量宜大于60%，小于0.005 mm的顆粒含量宜大于15%。碾壓后的滲透系數(shù)應(yīng)小于5×10-7cm/s， 填筑料施工含水率 （ωop-2%）≤ωf≤（ωop+2%）。

接觸粘土料填筑技術(shù)要求：最大粒徑應(yīng)不大于20 mm，小于0.075 mm的顆粒含量應(yīng)大于80%；小于0.005 mm的顆粒含量應(yīng)大于25%。滲透系數(shù)應(yīng)小于 5×10-7cm/s， 填筑含水率 （ωop+1%） ≤ωf≤ （ωop+4%）。心墻粘土料和接觸粘土壓實(shí)度和全料干密度指標(biāo)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)P5控制干密度確定，碾壓后粘土心墻粘土料壓實(shí)度≥99%，碾壓后粘土心墻料復(fù)合土工膜上第一層及左岸蓋板接觸粘土料壓實(shí)度應(yīng)≥94%，廊道兩側(cè)接觸粘土壓實(shí)度應(yīng)≥96%。

3.3.2 反濾料

大壩心墻上下游反濾料F1、F2和壩基反濾料主要來自壩址左岸上游6 km左右的岔道料場(chǎng)。

反濾料F1填筑技術(shù)要求：最大粒徑不大于20 mm， D85=2.7～9.5 mm， D15=0.12～0.4 mm， 小于 0.075 mm土料含量不大于5%。反濾料F2填筑技術(shù)要求：最大粒徑不大于80 mm，D85=17～45 mm，D15=0.8～4.5 mm，小于0.075 mm土料含量不大于5%，壓實(shí)后的相對(duì)密度控制在0.8～0.9。

3.3.3 過渡料

過渡料來自壩前左岸的九叉樹料場(chǎng)。過渡料飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于40 MPa，最大粒徑不大于300 mm；D15≤20 mm，壓實(shí)后滲透系數(shù)應(yīng)大于 5×10-2cm/s，小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%。上游過渡料小于5 mm的顆粒含量≤24%，下游過渡料小于5 mm的顆粒含量≤20%。壓實(shí)后的相對(duì)密度Dr≥0.8，孔隙率不大于20%。

3.3.4 堆石料

堆石料來自壩前左岸的九叉樹料場(chǎng)。堆石料飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于45 MPa，要求級(jí)配連續(xù)良好，最大粒徑不大于800 mm；小于5 mm的顆粒含量應(yīng)不大于15%；≤0.075 mm粒徑含量應(yīng)不大于5%，不均勻系數(shù)應(yīng)大于10，滲透系數(shù)應(yīng)大于5×10-2cm/s，壓實(shí)后孔隙率應(yīng)不大于22%。

圖1 壩體典型剖面

3.4 壩基及兩岸基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

3.4.1 大壩基礎(chǔ)防滲墻設(shè)計(jì)

可研階段,根據(jù)國(guó)內(nèi)防滲墻施工能力，懸掛式防滲墻深度80 m，封閉范圍為高程1 300～1 220 m，防滲墻厚度1 m。

技施階段的防滲墻試驗(yàn)結(jié)果表明，在瀘定壩基深厚覆蓋層上作110 m深防滲墻是可行的?？紤]2009年汛期利用防滲墻擋水，河床段防滲墻頂高程抬高到1 306.0 m，河床段防滲墻底高程降低到1 200.0 m，最大深度110 m（防滲墻底到施工平臺(tái)1 310.0 m高程），防滲墻設(shè)計(jì)成墻面積2.6萬(wàn)m2。應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果表明，防滲墻頂部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，為了對(duì)壩基灌漿廊道起 “頂托”作用、保證壩基灌漿廊道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、確保防滲墻與灌漿廊道接頭連接牢靠，在防滲墻頂部設(shè)鋼筋籠。

瀘定水電站壩基覆蓋層深厚，壩基防滲處理難度大，壩基110 m深防滲墻是國(guó)內(nèi)已建最深的防滲墻工程。

3.4.2 壩基固結(jié)灌漿

為減小壩體沉降，壩基固結(jié)灌漿深度加深。河床段壩軸線上游壩基覆蓋層固結(jié)灌漿深10 m；河床段壩軸線下游壩基覆蓋層固結(jié)灌漿深12 m。左岸心墻基礎(chǔ)壩軸線上、下游各3排基巖固結(jié)灌漿深12 m，其余深10 m。左岸心墻基礎(chǔ)設(shè)0.4 m厚的混凝土蓋板，以封閉基巖表面裂隙，同時(shí)作為固結(jié)灌漿蓋重。右岸斜坡段心墻基礎(chǔ)覆蓋層固結(jié)灌漿深8 m。固結(jié)灌漿間排距均為3 m。

3.4.3 帷幕灌漿

通過多次三維滲流計(jì)算分析確定，河床段基礎(chǔ)防滲需在防滲墻底設(shè)帷幕灌漿。懸掛防滲墻段墻內(nèi)通過兩排預(yù)埋灌漿管進(jìn)行墻下基巖帷幕灌漿，墻外上、下游各一排覆蓋層帷幕灌漿，孔距2 m。壩基左、右岸在防滲墻內(nèi)通過墻內(nèi)兩排預(yù)埋灌漿管進(jìn)行基巖固結(jié)灌漿，深、淺帷幕深度分別按照基巖透水率小于3、5 Lu確定，河床段帷幕底高程至1 155 m，左、右岸分別延伸96.5、118.9 m。

3.4.4 壩基振沖碎石樁及高壓旋噴處理

可研、招標(biāo)階段，經(jīng)過初判及復(fù)判分析，壩基左岸②-3粉細(xì)砂不會(huì)液化，但根據(jù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，需對(duì)其進(jìn)行振沖碎石樁處理；且為減少沉降，右岸斜坡段附近心墻基礎(chǔ)砂層需進(jìn)行高壓旋噴處理。

技施階段，壩基砂層振沖碎石樁試驗(yàn)情況表明，覆蓋層鉆孔難度較大，塌孔嚴(yán)重?？紤]到壩體施工工期的緊迫性，經(jīng)過壩坡穩(wěn)定分析復(fù)核，取消了壩基砂層振沖碎石樁，采用上、下游壩腳以外加大壓重平臺(tái)方案；同時(shí)，取消了砂層高壓旋噴處理措施，以加深壩基固結(jié)灌漿措施減小壩基沉降。

3.5 抗震設(shè)計(jì)

壩址區(qū)場(chǎng)地基本烈度為VIII度，大壩按50年基準(zhǔn)期超越概率10% （相應(yīng)的基巖水平峰值加速度246.0 cm/s2）的概率水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；按50年超越概率5% （相應(yīng)的基巖水平峰值加速度325.0 cm/s2）的概率水準(zhǔn)進(jìn)行大壩抗震穩(wěn)定復(fù)核；采用擬靜力法進(jìn)行壩坡抗震穩(wěn)定性分析。

壩頂寬度、壩坡、馬道設(shè)置及壩頂高程確定均考慮了大壩抗震要求；同時(shí)，采用提高壩體填筑料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高抗震能力。

根據(jù)壩體動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，并參考類似土石壩工程的經(jīng)驗(yàn)，在壩體1 350.0 m高程以上的壩體堆石和過渡區(qū)設(shè)置豎直向間距2 m的柔性土工格柵；并在1 365.0、1 371.0、 1 377.0 m高程壩體堆石和過渡區(qū)設(shè)3個(gè)水平層混凝土抗震框格梁，與上、下游壩坡面混凝土抗震框格梁連接成整體。

3.6 壩基灌漿廊道

河床段廊道尺寸3.5 m×4.5 m，廊道底板高程抬高到1 310.5 m，右岸斜坡段廊道尺寸3 m×4 m，廊道軸向長(zhǎng)462 m。瀘定壩基覆蓋層最大深度148.6 m。在如此深厚的覆蓋層上修筑灌漿廊道實(shí)屬罕見，設(shè)計(jì)難度相當(dāng)大。三維應(yīng)力變形分析結(jié)果表明，廊道內(nèi)拉應(yīng)力超過混凝土允許值。為保證廊道的安全性，在拉應(yīng)力較大部位，采取強(qiáng)配筋措施；在廊道左端基巖平臺(tái)上，設(shè)結(jié)構(gòu)縫適應(yīng)廊道與壩體的不均勻變形；在廊道兩岸拉應(yīng)力區(qū)表面，設(shè)置特種瀝青防滲膜；同時(shí)廊道混凝土中摻加聚丙烯纖維，以提高廊道的抗裂、抗?jié)B、抗老化等性能；并在廊道外表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶型XYPEX（賽柏斯）防水堵漏劑。

4 結(jié)語(yǔ)

瀘定水電站粘土心墻堆石壩壩基覆蓋層深厚、地震烈度高、距離縣城近。為此，各階段進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)研究工作，以確保壩體結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)處理等措施安全可靠。目前，壩體已填筑至1 355.0 m高程，根據(jù)施工規(guī)劃2011年3月底填筑至1 365.0 m高程，4月底填筑至1 380.0 m高程，以確保5月底首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。