西藏某水電站大壩上游圍堰設計

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(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概況

西藏某水電站為二等大(2)型工程，電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身5孔溢流表孔和1孔泄洪沖沙底孔、壩式進水口、壓力管道、壩后式發(fā)電廠房組成；共安裝4臺單機容量165MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量660MW。

碾壓混凝土大壩為永久2級建筑物，施工導流工程臨時建筑物為4級建筑物。電站大壩施工采用一次斷流圍堰、隧洞過流、基坑全年施工的導流方式。上游圍堰軸線距壩軸線約210m，枯水期江面寬約115m，堰頂高程處河谷寬224.0m。上游圍堰左、右岸坡地表基巖裸露，局部覆蓋少量崩坡積物，基巖巖性為黑云母花崗閃長巖，呈弱風化狀，巖體較完整～完整性差。河床覆蓋層厚度4.4m～38.9m不等，靠左岸深、靠右岸淺，總體呈Ⅴ型，主要為沖積漂卵石，漂石含量35%～40%，直徑以0.5m～2.0m為主，大者直徑可達5m，中細砂充填其間，局部存在架空現(xiàn)象；軸線附近兩側岸邊表層分布厚0.8m～1.9m的中細砂。漂卵石層滲透系數(shù)為0.02cm/s～0.13cm/s，呈強透水性。

2 圍堰結構方案比選

2.1 圍堰規(guī)模選擇

本工程導流程序分為初期導流和中后期導流。初期導流階段，由圍堰擋水，導流隧洞泄流，設計標準為全年20年一遇洪水，流量8840m3/s；中后期導流階段，由壩體臨時度汛斷面擋水，導流隧洞結合泄洪沖沙底孔泄流，壩體臨時度汛標準為全年50年一遇洪水，流量10300m3/s。施工導流期間，導流隧洞過流量大，在導流工程的規(guī)模選擇上，需要妥善解決導流隧洞和擋水圍堰結構穩(wěn)定性和施工可行性[1]，通過水工模型試驗等綜合分析，確定了采用兩條導流隧洞，單洞襯砌后斷面尺寸為15m×17m(寬×高)，再確定施工導流程序及圍堰頂高程?？紤]波浪爬高與安全超高后，上游圍堰最大堰高60m。

表1施工導流程序

2.2 堰型選擇

本工程地處西藏高海拔地區(qū)，當?shù)夭牧县S富，水泥和粉煤灰價格高，土石圍堰在經(jīng)濟上有較大優(yōu)勢；壩址區(qū)覆蓋層深厚，土石圍堰具有較好的適應變形能力。本工程選擇采用土石圍堰。

常用的土石圍堰型式有心墻和斜墻兩種，心墻圍堰堰體填筑量、帷幕灌漿量相對較小，工程投資較省；斜墻圍堰堰體上部堆石料填筑和基礎防滲墻及帷幕灌漿的施工可以有機脫開，對爭取工期較為有利，為此需要分析圍堰的施工進度，為圍堰型式選擇提供依據(jù)。

本工程河床截流時間安排在12月底，為滿足防洪度汛要求，截流后第2年汛前上游圍堰應填筑至堰頂高程，滿足攔擋全年20年一遇洪水要求。圍堰施工關鍵線路為：河床截流→加高至防滲墻施工平臺高程→混凝土防滲墻施工→墻下帷幕灌漿施工→上部堰體填筑。

河床截流時間安排在12月底，圍堰有效的施工時間為5.5個月。經(jīng)計算，心墻方案施工工期為7個月，其中截流、防滲墻施工平臺填筑0.5個月，混凝土防滲墻3.5個月，帷幕灌漿0.5個月，防滲墻施工平臺以上堰體填筑2.5個月；斜墻方案施工工期為5.5個月，其中截流、防滲墻施工平臺填筑0.5個月，混凝土防滲墻3.5個月，帷幕灌漿0.5個月，防滲墻施工平臺以上防滲體施工1.0個月。

為滿足截流后第2年汛前上游圍堰應填筑至堰頂高程的要求，斜墻方案進度上具有明顯優(yōu)勢，因此，本工程選擇采用斜墻土石圍堰。

2.3 堰體防滲材料選擇

常用的土石圍堰堰體防滲型式有防滲土料和土工膜兩種，由于電站附近土料較缺乏，因此，選擇采用復合土工膜作為上游圍堰堰體防滲材料。土工膜具有性能可靠、變形能力強、施工方便、造價低廉等優(yōu)點，而且避免了防滲土料開采對當?shù)赝恋氐那终己铜h(huán)境破壞，有利于環(huán)保，近年被廣泛應用于電站工程的土石圍堰中(見表2)。防滲土工膜采用復合土工膜(兩布一膜)，規(guī)格為600g/1.0mmHDPE/600g，其主要性能指標要求見表3。

表2復合土工膜在圍堰工程上的部分應用實例

工程名稱堰高(m)土工膜最大水頭(m)土工膜結構型式土工膜材質(zhì),主膜厚度(mm),(抗拉強度(kN/m))白鶴灘上游圍堰8343.58斜墻復合土工膜350g/1.0mm/350g白鶴灘下游圍堰5318.74心墻復合土工膜350g/1.0mm/350g龍開口上游圍堰52.533.49心墻復合土工膜400g/0.8mmPE/400g深溪溝上游圍堰4534.0斜墻復合土工膜300g/1.0mm/300g大崗山上游圍堰53.538.0斜墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g瀑布溝上游圍堰47.538.5斜墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g錦屏一級上游圍堰64.544.0斜墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g小灣上游圍堰60.633.0心墻復合土工膜350g/0.5mmHDPE/350g糯扎渡上游圍堰7432.0斜墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾上游圍堰6541.99心墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾下游圍堰28.06.05心墻復合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g

表3防滲土工膜主要性能指標

2.4 基礎防滲選擇

上游圍堰河床部位覆蓋層厚度4.4m～38.9m不等，左岸深、右岸淺，主要為沖積漂卵石，漂石含量35%～40%，直徑以0.5m～2.0m為主，部分可達5m，中細砂充填，局部存在架空現(xiàn)象。堰址處覆蓋層粒徑成分參考壩址處覆蓋層粒徑成分，壩址處沖積漂卵石層>1000mm平均含量22.36%，1000mm～200mm平均含量16.88%，200mm～60mm平均含量20.45%，60mm～20mm平均含量14.26%，<20mm平均含量26.05%。根據(jù)鉆孔抽水試驗，漂卵石層滲透系數(shù)為0.02cm/s～0.13cm/s，呈強透水性。河床部位相對隔水層(q≤5Lu)垂直深度6m～42m(含覆蓋層)，相對隔水層(q≤10Lu)垂直深度0～36m(含覆蓋層)。

根據(jù)圍堰堰基處的地質(zhì)條件，堰基防滲可采用高噴灌漿和混凝土防滲墻。高噴灌漿具有施工速度快的特點，適用于軟弱土層，如第四紀的沖(淤)積層、殘積層以及人工填土等；混凝土防滲墻施工速度較慢，但防滲效果較好，國內(nèi)有比較成熟的施工經(jīng)驗，適用于各種地質(zhì)條件。圍堰堰基處漂石含量高，圍堰擋水水頭高，為確保防滲效果，采用全封閉混凝土防滲墻，并設置墻下帷幕灌漿，對圍堰岸坡亦進行帷幕灌漿處理。

參考類似工程成功經(jīng)驗，及后續(xù)圍堰應力應變有限元分析成果，確定塑性混凝土防滲墻厚度為1.0m，混凝土設計指標為：①28d抗壓強度R28≥5MPa；②彈性模量≤1500MPa；③滲透系數(shù)K≤1×10-7cm/s；④28d破壞滲透比降J≥200；⑤要求墻體嵌入基巖不小于0.5m～1.0m。

上游圍堰下伏巖體為弱風化花崗閃長巖，巖體較完整～完整性差，考慮到上游圍堰為臨時建筑物，帷幕灌漿設計標準取為10Lu。帷幕灌漿標準為：深入10Lu線且總深度不小于5m，單排孔，間距2m(陡坡段、倒懸段加密為1.5m)；②幕厚δ≥2.0m；③透水率q≤10Lu；④允許滲流梯度[J]≥20；⑤滲透系數(shù)k≤5×10-5cm/s。

3 堰體結構設計

3.1 堰體斷面設計

圍堰采用土工膜斜心墻土石圍堰，由于圍堰后期為溝通河床左右岸的主要交通通道，且為有利于超標準洪水圍堰的加高，同時參考國內(nèi)類似高土石圍堰設計實例，圍堰的堰頂寬度取值為12.0m。圍堰邊坡坡度根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算成果，并參考類似工程確定。擬定圍堰上游邊坡水下為1∶1.5、水上為1∶2.3；下游邊坡為1∶1.75，考慮馬道，綜合坡比為1∶1.937。

圍堰防滲墻施工平臺以上采用復合土工膜斜墻防滲，土工膜上噴射20cm厚C25混凝土防護，其下鋪設0.5m厚墊層料及3.0m厚過渡料。防滲墻施工平臺以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻厚1.0m，最大深度約51.3m。防滲墻下接帷幕灌漿，灌漿深度至10Lu線且總深度不小于5m，并將帷幕灌漿線延伸至兩岸。

圖1 圍堰典型斷面示意

3.2 圍堰主要填筑料設計

3.2.1 石渣料

級配要求：①石塊飽和抗壓強度>35MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑800mm(圍堰防滲墻區(qū)域采用細石渣料，最大粒徑300mm)，小于5mm的顆粒含量不超過30%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；③水上碾壓石渣料部分填筑設計指標要求：孔隙率不大于24.5%，干密度不小于2.05g/cm3，滲透系數(shù)不小于1×10-1cm/s。

3.2.2 過渡料

級配要求：①石塊飽和抗壓強度>35MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑300mm，小于5mm的顆粒含量不超過30%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；③填筑設計指標要求：孔隙率不大于24.0%，干密度不小于2.05g/cm3，滲透系數(shù)控制在(1～5)×10-2cm/s。過渡料與石渣料之間需滿足相應的層間系數(shù)要求。

3.2.3 墊層料

級配要求：①級配連續(xù)，最大粒徑20mm，小于5mm的顆粒含量為30%～50%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；②設計指標要求：相對密度不小于0.75，干密度不小于1.98g/cm3，滲透系數(shù)控制在(5～10)×10-3cm/s。墊層料與過渡料之間需滿足相應的層間系數(shù)要求。

為保證墊層料在施工過程中不刺破土工膜，應安排生產(chǎn)性試驗進行驗證，并盡可能利用天然砂礫料作為墊層料。

3.2.4 拋石護坡料

圍堰的拋石護坡料應滿足抗沖要求，拋石護坡料的折算直徑為0.31m，取0.4m～0.6m。

3.3 圍堰主要工程量

圍堰主要工程量見表4。

表4上游圍堰主要工程量

4 圍堰計算成果

4.1 滲流計算

采用在巖土工程中應用極為廣泛的Geo-Seep/W進行計算。平面滲流計算主要針對正常工況，計算結果見表5，上游圍堰的等水頭線和浸潤線、等水力坡降見圖2、圖3。通過對上游圍堰的滲流分析，圍堰堆渣單寬滲流量僅6.26m3/d·m，滲流量不大，圍堰防滲措施良好。

4.2 堰坡抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)滲流計算成果，獲得滲流計算浸潤線位置，由此可獲得堰體內(nèi)各處的孔壓，進而對上游圍堰進行與滲流耦合的邊坡穩(wěn)定分析?？刂瓶够€(wěn)定的有施工期(包括竣工時)、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況，計算結果見表6。由計算結果分析，圍堰邊坡安全系數(shù)在水庫水位驟降期較小，其它工況安全系數(shù)較大，水位驟降期為控制工況。

表5正常工況下滲流計算成果

圖2 上游圍堰等水頭線及浸潤線

圖3 上游圍堰等水力坡降

表6上游圍堰堰坡抗滑穩(wěn)定計算成果

4.3 應力應變分析

土石圍堰應力應變分析通常采用非線性彈性有限元，按平面應變問題處理。計算模型采用鄧肯-張E-μ材料非線性彈性模型，采用中點增量法求解此非線性問題，用波陣法解線性方程組，加荷模擬圍堰的施工與蓄水過程。計算工況為：竣工期、蓄水期。

表7堰體應力應變計算成果

由計算結果分析，上游圍堰堰體最大沉降60.19cm，向下游最大水平位移24.11cm，最大主應力1.86MPa，滿蓄后，堰體大部分區(qū)域應力水平均在0.7以下，只是蓄水導致防滲墻上游小范圍區(qū)域應力水平接近0.95，該區(qū)域是主動土壓力區(qū)，并不影響堰體穩(wěn)定。

4.4 防滲墻變形與應力

防滲墻位移及應力水平見表8。由計算結果可見，竣工期塑性防滲墻大主應力最大值為3.78MPa，無拉應力出現(xiàn)，最大應力水平0.52，防滲墻未出現(xiàn)破壞單元，豎向沉降值為4.3cm；滿蓄期塑性防滲墻大主應力最大值為3.03MPa，無拉應力出現(xiàn)，最大應力水平0.50，防滲墻未出現(xiàn)破壞單元，豎向沉降值為13.7cm。

表8塑性混凝土防滲墻計算成果

5 結語

西藏某水電站上游圍堰采用土工膜斜心墻土石圍堰，圍堰最大堰高60.0m，擋水水頭高，為西藏地區(qū)已建的最高的土石圍堰；堰頂軸線長247.15m，堰體填筑方量約103萬m3，圍堰軸線長，堰體填筑方量大，填筑料種類多；堰體防滲采用土工膜防滲，基礎防滲采用高強度低彈模的塑性混凝土防滲墻，并設墻下帷幕灌漿，防滲體系復雜。河床覆蓋層結構復雜，圍堰施工控制工序繁多，需在一個枯水期內(nèi)施工完成[1]。本工程采用了可靠的防滲結構和防滲體系，通過計算分析，設計了合理的圍堰結構和斷面型式，保證了圍堰滲流安全和穩(wěn)定，保證了基坑安全施工。