巴西圣安東尼奧水電站圍堰施工中的創(chuàng)新經(jīng)驗

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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(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘繛? 150 MW。

工程于2008年9月開工，2012年完成導(dǎo)流施工，機(jī)組開始發(fā)電。

2 工程地質(zhì)

壩址基巖為多組不連續(xù)面巖體，其構(gòu)造主要為兩個相互正交的不連續(xù)面，基巖表面的不連續(xù)面近乎水平。主要不連續(xù)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(tài)不連續(xù)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(shè)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(xù)面的張裂裂縫，因此具有發(fā)生管涌的高風(fēng)險；

(2) 完成圍堰基礎(chǔ)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(shè)計和細(xì)部結(jié)構(gòu)

圖1所示為LR3圍堰的總體規(guī)劃圖，沿中心線標(biāo)出了各個橫截面位置。

圖1 圍堰總體規(guī)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(biāo)準(zhǔn)的均質(zhì)土壩，壩體結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)域。施工于2010年枯水期開始，并提前一年即2011年7月開始導(dǎo)流施工。當(dāng)時河道流量較小，靠近右壩肩兩島嶼之間的區(qū)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(chǔ)處理，并在汛期后不再采取任何基礎(chǔ)處理措施的情況下可繼續(xù)進(jìn)行圍堰施工。另外，這還有助于保護(hù)上游側(cè)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(jìn)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(qū)域。在完成上下游圍堰(LR1和LR1')導(dǎo)流施工后，發(fā)現(xiàn)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(xù)面張開，裂縫發(fā)育。為防止出現(xiàn)管涌這類問題，一般采取清除塊石、表層區(qū)域回填混凝土、同時進(jìn)行大量灌漿的處理方法。但由于進(jìn)入深槽底部基巖區(qū)較為困難，因此采取了另一種解決方案，即構(gòu)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(qū)域。在該區(qū)域，河床中也有一條深槽，但不如上節(jié)中所述的那條那么深。此處施工過程中未出現(xiàn)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(chǔ)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(chǔ)處理的范圍，至少在沿圍堰中心線方向?qū)?0 m范圍內(nèi)，要求進(jìn)行仔細(xì)處理。進(jìn)行深層基礎(chǔ)處理時，仍采用灌注水泥砂漿的常規(guī)方式。

3.5 橫截面5

橫截面5——安特娜島與左壩肩之間的區(qū)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(gòu)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(dǎo)流施工所用。

圖6 橫截面5

因施工計劃具有動態(tài)調(diào)整的特點，為優(yōu)化施工，贏取進(jìn)度時間，決定將先前設(shè)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(yù)防措施，但仍有較大不確定性，即河床中可能出現(xiàn)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(shè)法填充圍堰基礎(chǔ)中可能的空隙，不過這種方法不能確保達(dá)到預(yù)期結(jié)果。為防止LR2和LR3圍堰保護(hù)區(qū)域水位下降期間以及整個施工過程出現(xiàn)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(chǔ)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(nèi)5 m，再灌入水泥砂漿。另外，2處進(jìn)行了直徑1.2 m的旋噴柱灌漿，伸入基巖達(dá)5 m深，且灌漿直達(dá)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(shù)碾壓土壩，采用黏土和無渣土?xí)r，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(jìn)行了專門的試驗，以確定新的設(shè)計參數(shù)。采用這些參數(shù)，再對圍堰的抗剪強(qiáng)度、滲透性和壓縮性進(jìn)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(shù)為32%。

根據(jù)固結(jié)排水試驗得出的有效應(yīng)力強(qiáng)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(jié)不排水剪切試驗，90%壓實度時，摩擦角為26°。

基于上述結(jié)果，根據(jù)摩擦角28°的壓實土的有效應(yīng)力強(qiáng)度，確定LR3圍堰段的斜坡。

另外還觀察到一個標(biāo)準(zhǔn)特性，即在90%壓實度的固結(jié)試驗結(jié)果中，試件在飽和狀態(tài)下承受80 kPa拉應(yīng)力時未發(fā)生崩塌。

試驗得出的滲透性指標(biāo)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(dǎo)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(jìn)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(qū)進(jìn)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(zhǔn)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(dá)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(jī)械無法到達(dá)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(cè)主泄洪道閘孔。LR3和LR2之間區(qū)域已抽干，河床中整個區(qū)域的開挖工作已準(zhǔn)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(chǔ)中安裝的測壓計，用于檢測旋噴灌漿帷幕和處理后的基礎(chǔ)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(qū)域頂長為140 m的圍堰，該觀測值在容許范圍內(nèi)。

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(qū)內(nèi)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(shù)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(xiàn)場檢測未發(fā)現(xiàn)任何裂縫，尤其是在最深河槽的兩壩肩部位。

7 結(jié) 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(fā)電機(jī)組便投入運(yùn)行，這是設(shè)計、施工和工程監(jiān)理等參建各方共同努力的結(jié)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(shù)難題，但仍在規(guī)定時間完工，實現(xiàn)了預(yù)期發(fā)電目標(biāo)。