三溪口河床式水電站工程特點(diǎn)與新技術(shù)應(yīng)用

賴　勇，黃榮衛(wèi)，張永進(jìn)

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

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三溪口河床式水電站工程特點(diǎn)與新技術(shù)應(yīng)用

賴勇，黃榮衛(wèi)，張永進(jìn)

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

摘要：針對(duì)三溪口河床式水電站工程過(guò)閘流量大、基礎(chǔ)為深厚強(qiáng)透水砂礫卵石，防滲及防沖問(wèn)題突出的特點(diǎn)，泄洪閘底板表面考慮抗沖耐磨要求設(shè)置聚丙烯纖維混凝土面層，防沖槽局部以拋石混凝土技術(shù)進(jìn)行加固；樞紐右岸地勢(shì)低，防滲系統(tǒng)封閉困難，利用樞紐右岸上游330國(guó)道路堤兼作擋水溢流壩，并在路堤迎水坡腳設(shè)置懸掛式防滲墻，連接上游山體與閘前垂直式防滲墻構(gòu)建防滲系統(tǒng)；樞紐交通橋兼作左右岸外部交通連接線，基礎(chǔ)承載力要求高，根據(jù)泄洪閘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及河床地質(zhì)條件，以泄洪閘底板作為筏型基礎(chǔ)，低壓注漿技術(shù)在滲流狀態(tài)下強(qiáng)透水地基中被成功運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：三溪口；河床式水電站；懸掛式防滲墻；纖維混凝土；拋石混凝土；低壓注漿

三溪口河床式水電站工程位于浙江省麗水市青田縣境內(nèi)，壩址位于大溪和小溪匯合口下游的甌江干流麗水段，在青田縣城上游約6.0 km，壩址以上集水面積13 380 km2，占甌江全流域集水面積18 100 km2的73.9%，多年平均徑流量1.39×1010m3。工程為Ⅲ等工程，主要建筑物泄洪閘、河床式電站、通航建筑物(船閘上下閘首、閘室)、右岸上游330國(guó)道防護(hù)工程、兩岸接頭建筑物為3級(jí)建筑物，護(hù)坡(岸)、導(dǎo)航和靠船建筑物等次要建筑物為4級(jí)建筑物。泄洪閘共22孔，每孔凈寬12.0 m；電站裝機(jī)3臺(tái)，總裝機(jī)容量100 MW，多年平均發(fā)電量2.664×108kW·h；船閘為Ⅳ級(jí)船閘，通航500 t級(jí)船舶，閘室有效尺度為260.0 m×12.0 m×3.5 m(有效長(zhǎng)度×有效寬度×門檻水深)。

1　工程特點(diǎn)

1.1深厚覆蓋層基礎(chǔ)上的大流量水閘

三溪口河床式水電站工程設(shè)計(jì)洪水對(duì)應(yīng)的洪峰流量(P=1%)為22 600 m3/s，校核洪水對(duì)應(yīng)的洪峰流量(P=0.2%)為30 800 m3/s。樞紐過(guò)閘流量較大，若按最大過(guò)閘流量指標(biāo)，泄洪閘應(yīng)為1級(jí)水工建筑物，但由于泄洪閘所屬樞紐是水電站樞紐，樞紐工程等別是按水電站裝機(jī)容量確定的，而泄洪閘設(shè)計(jì)級(jí)別又是按照樞紐工程等別確定的[1]，因此，僅為3級(jí)建筑物。

樞紐部位河床覆蓋層較厚，自上至下分為3層，表層砂卵礫石厚約12 m～20 m，滲透系數(shù)K=1.02×10-2cm/s～9.31×10-1cm/s，為強(qiáng)透水性，局部K=5.67×10-3cm/s～9.83×10-3cm/s，為中等透水性；中間含少量泥砂礫卵石厚約5.5 m～16.7 m，滲透系數(shù)K=1.19×10-3cm/s～7.82×10-3cm/s，為中等透水性，局部K=1.03×10-2cm/s，為強(qiáng)透水性；底部含泥砂卵礫石厚約8.5 m～24.3 m，滲透系數(shù)K=2.27×10-4cm/s～3.77×10-3cm/s，為中等透水性。

由于樞紐過(guò)閘流量大、覆蓋層厚、透水性強(qiáng)，因此，工程防滲及防沖問(wèn)題較突出[2]。對(duì)于樞紐部位防滲，設(shè)計(jì)采用閘前垂直式防滲墻[3]進(jìn)行處理，C15W6混凝土防滲墻厚0.80 m，墻底嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖內(nèi)至少1.00 m，墻體最深約54.50 m。防滲墻頂部范圍1.50 m高度段為C25W4F50鋼筋混凝土頭墻，頂高程與上游鋪蓋頂面高程相同，防滲墻頭墻、鋪蓋、閘底板間伸縮縫均設(shè)銅片止水和652型橡膠止水帶二道止水防滲封閉。

對(duì)于樞紐部位運(yùn)行期防沖，泄洪閘采用了閘室下游“消力池+護(hù)坦+海漫+拋石防沖槽”、閘室上游“拋石防沖槽+護(hù)底+防滲墻+鋪蓋”的典型結(jié)構(gòu)[4]，詳見圖1。鋪蓋、泄洪閘底板、和消力池上游斜坡段設(shè)置了纖維混凝土面層，縱向圍堰上下游盤頭防沖槽部位以拋石混凝土技術(shù)進(jìn)行了加固。

圖1泄洪閘消能防沖結(jié)構(gòu)布置圖

1.2利用路堤結(jié)合式防護(hù)工程構(gòu)建防滲系統(tǒng)

根據(jù)河床式水電站布置經(jīng)驗(yàn)[5-6]，工程主要建筑物泄洪閘、船閘上閘首、發(fā)電廠房設(shè)置在同一軸線上，發(fā)電廠房布置于河道左側(cè)的凹形河道內(nèi)，泄洪閘位于河床中部，船閘布置在河床右岸，泄洪閘與樞紐右岸330國(guó)道之間。發(fā)電廠房基礎(chǔ)為弱風(fēng)化基巖，基礎(chǔ)采用帷幕灌漿防滲，泄洪閘與船閘均座落在強(qiáng)透水性砂礫卵石覆蓋層上，通過(guò)閘前垂直式防滲墻進(jìn)行防滲。

右岸330國(guó)道路基為強(qiáng)透水性的砂礫卵石，樞紐部位路面高程約20.50 m，水庫(kù)正常蓄水位18.00 m，330國(guó)道平常兼作甌江右岸的堤防，在庫(kù)水位超過(guò)50 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，路頂將溢流。公路背水側(cè)地坪高程約12.00 m，與右岸山體距離較大，且中間隔著湖邊坑支流，湖邊坑河道寬度為15.0 m～30.0 m，在樞紐下游下穿330國(guó)道后匯入甌江，流域集水面積31.1 km2，河道長(zhǎng)度13.54 km，20 a一遇設(shè)計(jì)工況洪峰流量455 m3/s，若按常規(guī)的防滲系統(tǒng)向閘壩軸線方向延伸的方法，樞紐上游庫(kù)區(qū)水體將通過(guò)透水的330國(guó)道堤身向湖邊坑滲流，難以實(shí)現(xiàn)防滲系統(tǒng)的封閉。

根據(jù)實(shí)際地形情況，湖邊坑在樞紐上游約500 m處已被山體隔開，330國(guó)道直接與山體接壤，因此，對(duì)樞紐上游約500 m的330國(guó)道迎水坡采用鋼筋混凝土面板進(jìn)行防護(hù)，在迎水坡坡腳，采用基礎(chǔ)深入含泥砂礫卵石或含少量泥砂礫卵石層的懸掛式防滲墻[7-8]進(jìn)行防滲，懸掛式防滲墻頂部采用趾板與面板連接，懸掛式防滲墻下游與船閘上游防滲墻封閉，上游改為高噴防滲墻橫跨330國(guó)道路面并延伸至山體[9]，從而實(shí)現(xiàn)了庫(kù)區(qū)的防滲系統(tǒng)封閉。

懸掛式防滲墻底高程根據(jù)計(jì)算確定，設(shè)計(jì)右岸上游330國(guó)道防滲工程防滲墻底高程-20.00 m～-15.00 m，以防滲墻底高程-15.00 m的樁號(hào)右護(hù)0+211.89斷面作為典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院主編的滲流分析軟件(6.0版)，按有限元法考慮滲流最不利的防護(hù)工程擋水工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算水面與迎水坡應(yīng)相交的原則，臨水側(cè)水位取20.40 m，略低于路頂高程，背水側(cè)按低于地表0.5 m考慮，取為11.50 m。各區(qū)域材料的特性指標(biāo)見表1。滲流計(jì)算成果見圖2、圖3，計(jì)算330國(guó)道防護(hù)工程擋水壩背水側(cè)滲流出口最大滲透比降為0.05，小于砂礫卵石[J]=0.08～0.1，滿足滲透穩(wěn)定要求。

表1　滲流分析材料特性指標(biāo)表

圖2典型斷面壓力水頭等值線圖

圖3典型斷面總水頭等值線圖

1.3兼作外部交通的樞紐交通橋及左右岸連接線

青田縣城區(qū)上游甌江兩岸交通發(fā)達(dá)，壩址附近左岸為49省道和金麗溫高速公路，右岸為330國(guó)道和金麗溫鐵路，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的要求以及本工程施工招投標(biāo)期間青田縣交通部門的規(guī)劃，需在青田上游甌江兩岸建設(shè)一座跨江大橋。青田縣城區(qū)上游20 km范圍內(nèi)甌江兩岸均為峽谷地形，狹長(zhǎng)的甌江兩岸交通布置已近飽和。建設(shè)溝通甌江兩岸的跨江大橋?qū)Φ匦蔚囊蠛芨?，本工程地形上是一處建設(shè)跨江兩岸大橋較為理想的位置。經(jīng)樞紐上游布置跨江大橋、樞紐下游布置跨江大橋以及結(jié)合樞紐建設(shè)布置跨江大橋的三方案比選論證，結(jié)合樞紐工程布置跨江大橋，樞紐交通橋兼作工程外部跨江橋是最佳的方案。

樞紐部位原設(shè)計(jì)交通橋總寬度為6.5 m，其中發(fā)電廠房、泄洪閘及船閘上閘首墩墻頂部寬度4.5 m，上游懸臂長(zhǎng)度2.0 m；原設(shè)計(jì)左右岸上壩公路分別布置在電站尾水渠左岸和船閘右側(cè)，與樞紐交通橋連接部位轉(zhuǎn)角均為90°，轉(zhuǎn)彎半徑較小，但能滿足樞紐內(nèi)部交通的要求。

樞紐內(nèi)部交通橋功能轉(zhuǎn)變后，在保持閘軸線不變的前提下，對(duì)發(fā)電廠房、泄洪閘及船閘上閘首墩墻順?biāo)鞣较蜻M(jìn)行了加寬3.0 m，交通橋懸臂長(zhǎng)度由2.0 m加大到3.3 m的調(diào)整，從而使交通橋總寬達(dá)到10.8 m，扣除兩側(cè)護(hù)欄各0.4 m和上游側(cè)增設(shè)的2.0 m寬的人行道，車道總凈寬仍有8.0 m，能滿足二級(jí)公路設(shè)計(jì)速度為80 km/h時(shí)兩車道寬度不小于7.5 m的標(biāo)準(zhǔn)。

樞紐左岸緊鄰49省道，現(xiàn)狀地面高程約23.0 m，對(duì)49省道在樞紐部位局部進(jìn)行加高改造，改造后49省道在樞紐左岸高程為26.9 m，樞紐左岸連接壩高程為26.8 m，因此，改造后的49省道可以和左岸接頭壩平順連接。樞紐右岸為330國(guó)道，現(xiàn)狀路面高程為20.5 m左右。為連接右壩頭與330國(guó)道，形成右岸上壩交通通道，在壩軸線延伸方向設(shè)上壩引橋，引橋橫跨330國(guó)道后呈近似半圓形向下游彎曲與330國(guó)道相連，引橋?qū)挾?0.9 m，頂高程27.5 m～21.1 m，總長(zhǎng)約270 m。樞紐交通橋及左右岸連接線優(yōu)化后，樞紐上游立視圖見圖4。

圖4樞紐上游立視圖

2　新技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)工程特點(diǎn)，新技術(shù)在消能防沖結(jié)構(gòu)防護(hù)以及基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)過(guò)程中被大膽采用，其中應(yīng)用較為成功的包括聚丙烯纖維混凝土面層在閘底板及消力池底板表面的應(yīng)用、拋石混凝土在防沖槽及導(dǎo)流明渠護(hù)腳中的應(yīng)用、滲流狀態(tài)下低壓注漿技術(shù)在閘底板砂礫卵石強(qiáng)透水地基加固中的應(yīng)用等。

2.1聚丙稀纖維混凝土

工程用聚丙烯纖維[10-11]是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，有波型、網(wǎng)狀、束狀等類型。摻入聚丙烯纖維的混凝土抗裂、抗沖、抗磨、抗?jié)B和抗凍功能均得到改善，綜合使用性能得到提高，具有摻加工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

泄洪閘閘底板及消力池斜坡段底板均采用了波型聚丙烯纖維，摻聚丙烯纖維C40W4F100混凝土閘室及消力池面層設(shè)計(jì)最小水泥用量360 kg/m3、最大水灰比0.40，骨料最大粒徑不大于4 cm；聚丙烯纖維摻量5.0 kg/m3，纖維技術(shù)參數(shù)：直徑0.9 mm，長(zhǎng)度50 mm，伸長(zhǎng)率15%，抗拉強(qiáng)度大于530 MPa。

泄洪閘閘室上游鋪蓋采用了束狀聚丙烯纖維，摻聚丙烯纖維C30W4F100混凝土鋪蓋面層設(shè)計(jì)最小水泥用量340 kg/m3、最大水灰比0.45，天然骨料最大粒徑不大于4 cm；聚丙烯纖維摻量1.2 kg/m3，纖維設(shè)計(jì)指標(biāo)：纖維長(zhǎng)度19 mm，束狀單絲抗拉強(qiáng)度大于280 MPa，彈性模量大于3 800 MPa。

聚丙烯纖維混凝土使用時(shí)，不改變?cè)炷僚浜媳龋┕r(shí)，將一定比例的纖維與骨料等一起投入攪拌機(jī)，邊攪拌邊加水，適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間60 s以上，也可將纖維先與水泥以及其他骨料攪拌均勻后，再加水?dāng)嚢?，使纖維在混凝土中分散均勻即可使用。

根據(jù)2013年底蓄水驗(yàn)收前，對(duì)一期深槽區(qū)泄洪閘施工導(dǎo)流后的現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，采用了聚丙稀纖維混凝土的泄洪閘底板面層不僅溫度裂縫少，磨損程度也較未采用的部位輕，耐磨效果顯著。

2.2拋石混凝土

拋石混凝土[12]與灌砌石混凝土原理較為相近，按常規(guī)方法施工拋填塊石后，在拋石表面以現(xiàn)場(chǎng)自制塌落度不小于16 cm的高流動(dòng)C15混凝土進(jìn)行灌注[13]，利用混凝土自身流動(dòng)性在粒徑較大的塊石內(nèi)隨機(jī)充填形成混凝土拋石體。拋石混凝土具有水泥用量少、水化溫升小、綜合成本低、施工速度快、良好的體積穩(wěn)定性、層間抗剪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，除膠接防沖槽塊石外，拋石混凝土還可膠接防沖槽下部原河床砂礫卵石，增強(qiáng)防沖槽結(jié)構(gòu)的整體性以及抗沖性能。三溪口河床式水電站工程縱向圍堰上下游盤頭部位的防沖槽以及岸坡護(hù)腳部位均采用了這一技術(shù)。根據(jù)施工導(dǎo)流期間的運(yùn)行情況以及2013年底蓄水以來(lái)多次泄洪、行洪的情況，采用了拋石混凝土防護(hù)的部位，抗沖刷效果明顯要好得多。

2.3砂礫卵石低壓注漿

樞紐內(nèi)部交通橋功能轉(zhuǎn)變后，發(fā)電廠房基礎(chǔ)為弱風(fēng)化基巖，基礎(chǔ)承載力不存在問(wèn)題，泄洪閘和船閘上閘首持力層為深厚砂礫卵石覆蓋層，受影響較大，為提高閘室下部砂礫卵石地基承載力并減少沉降[14]，特別是減少車流量加大后的動(dòng)荷載對(duì)散粒體地基的影響，設(shè)計(jì)除了嚴(yán)格要求回填地基分層碾壓回填，并采用壓實(shí)指標(biāo)控制外，還采用砂礫卵石低壓注漿技術(shù)[15]，對(duì)閘底板下一定深度的砂礫卵石進(jìn)行孔隙填充及膠接。注漿孔按矩形狀分布，孔距2.0 m×2.0 m，孔深深入砂礫石層內(nèi)2.5 m，水泥水灰比為2∶1～0.5∶1，采用小口徑鉆孔、花管注漿，分二序施工，注漿工作面在閘底板頂面以下0.5 m，注漿壓力要求不大于0.2 MPa，注漿時(shí)須進(jìn)行底板抬動(dòng)觀測(cè)，防止底板抬動(dòng)。灌注水泥用量設(shè)計(jì)按平均不小于150 kg/m進(jìn)行控制，即各注漿孔灌注水泥用量不小于375 kg。泄洪閘為兩孔一聯(lián)布置結(jié)構(gòu)，實(shí)際施工過(guò)程中左岸深槽區(qū)泄洪閘水泥注漿情況見表2。

表2　泄洪閘低壓灌漿各分序孔的水泥平均注入量

實(shí)際施工時(shí)，在0.2 MPa恒定壓力下，注入水泥漿達(dá)到一定質(zhì)量后基礎(chǔ)即不再吸漿，表明砂礫卵石基礎(chǔ)孔隙填充效果較好。另外，由表2數(shù)據(jù)可見，緊臨廠房的1#～6#泄洪閘位于廠房放坡開挖后回填的砂礫卵石基礎(chǔ)上，相比7#～12#泄洪閘原狀砂礫卵石基礎(chǔ)明顯吸漿量要大，而11#、12#泄洪閘為一期工程兼作縱向圍堰的閘段，緊鄰導(dǎo)流明渠，基礎(chǔ)滲流較大，因此，吸漿量比7#～10#泄洪閘要大，雖然泄洪閘由于底板已澆筑不能進(jìn)行基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)，但恒定壓力下的吸漿量飽和情況以及Ⅰ、Ⅱ序孔的吸漿平均單耗差異情況已較好地反映了基礎(chǔ)承載力提高情況及規(guī)律。

3　結(jié)　論

山區(qū)、丘陵區(qū)河流，一般而言洪水暴漲暴落、峰高量大，河道坡降較大，由于上下游過(guò)閘水位差的加大，致使過(guò)閘水流的動(dòng)能更大，對(duì)于基礎(chǔ)座落于深厚強(qiáng)透水地基上的河床式水利樞紐工程，防滲及防沖問(wèn)題更為突出。根據(jù)本工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及采用新技術(shù)后的應(yīng)用情況，可以得出以下結(jié)論：

(1)本工程實(shí)際應(yīng)用表明，纖維混凝土可有效改善混凝土表面抗沖耐磨能力，拋石混凝土可有效提高防沖槽的抗沖刷能力。

(2)深厚強(qiáng)透水覆蓋層基礎(chǔ)上的水利樞紐工程，在滿足滲流安全及滲漏量不影響工程效益的前提下，可以考慮設(shè)置懸掛式防滲墻或部分設(shè)置懸掛式防滲墻。

(3)對(duì)于滲流狀態(tài)下的砂礫卵石強(qiáng)透水基礎(chǔ)，采用低壓注漿技術(shù)提高基礎(chǔ)整體性以及承載力在施工工藝上是可行的，實(shí)施時(shí)需注意分序，控制水泥水灰比，并嚴(yán)格控制灌漿壓力避免抬動(dòng)底板。

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CharacteristicsofSanxikouWater-retainingHydropowerStationandItsApplicationofNewTechnology

LAI Yong,HUANG Rong-wei,ZHANG Yong-jin

(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydro-electricPower,Hangzhou,Zhejiang310002,China)

Abstract：Sanxikou hydropower station is a water-retaining station with large flow,it is located on the foundation of thick permeable gravel pebbles,which causes the problem of seepage and erosion.Regarding to these problems,FRC(fiber reinforced concrete)was used on the floor of the gate and RFC(rocked-filled concrete)was used in anti-scour channel for energy dissipation and erosion control.The embankment of State Road 330 located at the right bank of the upstream was served as water-retaining and overfall dam,due to the low-lying right bank of the river which made it hard to seal the anti-seepage system.In addition,Suspended cut-off wall was constructed at the heel of the riverside slope to connect the anti-seepage system between the upstream mountain and the vertical cut-off wall in front of the gate.The traffic bridge as the connecting media between the left and right bank,the bearing capacity of its foundation was set high.According to the structural characteristics and the geological condition of the sluice,the floor of the sluice was used as raft foundation and low pressure grouting method in sandy gravels were applied on strong permeable foundation successfully in the state of seepage.

Keywords：Sanxikou;water-retaining hydropower station;suspended cut-off wall;fiber reinforced concrete;rocked-filled concrete;low pressure grouting method

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.010

中圖分類號(hào)：TV61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0054—05

作者簡(jiǎn)介：賴勇(1978—)，男，江西奉新人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)與研究工作。

基金項(xiàng)目：浙江省水利廳科技項(xiàng)目(RB0920)

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-14