高寒高海拔地區(qū)某高堆石壩填筑方案比選

王丹妮

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

某高混凝土面板堆石壩為黃河干流龍羊峽以上、海拔3 000.00 m以下河段水電規(guī)劃的第1個(gè)梯級(jí)水電站，壩體填筑總量為3 779.44萬(wàn)m3，最大壩高257.5 m，電站裝機(jī)容量2 600 MW，4臺(tái)650 MW的水輪發(fā)電機(jī)組。工程為Ⅰ等大(1)型工程，是黃河龍羊峽以上河段裝機(jī)容量最大的電站。工程地處高寒地區(qū)，高海拔缺氧對(duì)施工效率影響較大，施工條件相對(duì)較差。冬季寒冷、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季涼爽、歷時(shí)較短，冬季持續(xù)5個(gè)月的負(fù)溫條件對(duì)控制關(guān)鍵工期的大壩填筑影響較大，壩體填筑需每年冬季停工2個(gè)月，工程填筑量約3 000多萬(wàn)m3，工程施工總工期10余年。

2 壩體填筑時(shí)段劃分和填筑方案初擬

2.1 填筑時(shí)段劃分

根據(jù)導(dǎo)流規(guī)劃，將大壩填筑時(shí)段劃分為初期、中期、后期3個(gè)時(shí)段。

(1) 填筑初期： 從大壩填筑開(kāi)始，至壩體填筑高程到達(dá)圍堰頂部高程的時(shí)段為大壩填筑初期。大壩主要施工項(xiàng)目為壩基開(kāi)挖、趾板混凝土澆筑、灌漿及上游圍堰以下高程的壩體填筑工作。

(2) 填筑中期：根據(jù)汛前壩體填筑形象及壩體攔蓄庫(kù)容不同，大壩填筑中期劃分為3個(gè)時(shí)段，壩體臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別采用100年一遇、200年一遇和300年一遇。主要完成大壩2 996.50 m高程以下壩體填筑及一、二期面板混凝土澆筑的施工。

(3) 填筑后期：從導(dǎo)流洞下閘蓄水開(kāi)始，至泄洪建筑物具備設(shè)計(jì)泄流能力。主要進(jìn)行三期面板混凝土澆筑、灌漿施工、壩頂剩余項(xiàng)目施工。

2.2 填筑方案初擬

按照壩體初期填筑高程及壩體度汛形象要求，根據(jù)大壩填筑累積數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，除上游壓坡體、蓋重區(qū)和下游堆碴區(qū)內(nèi)的反濾層及排水體外的填筑總量為3 283.48萬(wàn)m3，以此為基礎(chǔ)，擬定了3個(gè)壩體填筑方案。

表1 填筑累積數(shù)據(jù)表

(1) 方案1(大壩填筑64個(gè)月)

1) 填筑初期

第3年11月底主河床截流后進(jìn)入初期導(dǎo)流時(shí)段，初期導(dǎo)流時(shí)段為第3年12月至第6年9月底，此時(shí)段也是大壩填筑初期。按照時(shí)段主要施工項(xiàng)目類型及壩體填筑上升高度，大壩填筑初期分為兩大時(shí)段：第1時(shí)段為第3年12月至第4年9月，大壩主要施工項(xiàng)目為壩基開(kāi)挖；第2時(shí)段為大壩填筑至壩體臨時(shí)斷面擋水度汛高程，即第4年10月至第6年9月，大壩主要施工項(xiàng)目為趾板混凝土澆筑、灌漿、大壩3C區(qū)以上各區(qū)填筑、泄洪消能區(qū)開(kāi)挖。大壩填筑初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選用30年洪水重現(xiàn)期，相應(yīng)導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為3 830 m3/s，由上下游圍堰擋水，導(dǎo)流洞泄流。

2) 填筑中期

第6年9月底，壩體填筑至2 824.00 m高程，壩體填筑高程已超過(guò)上游圍堰頂高程(2 823.25 m)，此時(shí)壩體臨時(shí)填筑斷面攔蓄庫(kù)容為1.47億m3。隨后工程進(jìn)入中期導(dǎo)流時(shí)段，直至第10年12月初導(dǎo)流隧洞進(jìn)口閘門(mén)下閘。大壩填筑中期為第6年10月初到第10年11月底，期間度汛由壩體臨時(shí)斷面擋水，河道來(lái)水由導(dǎo)流洞下泄。

第7年汛前壩體將填筑至2 850.00 m，壩體填筑臨時(shí)斷面相應(yīng)攔蓄庫(kù)容為3.5億m3，根據(jù)DL/T5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》中“壩體施工期臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，堆石壩攔蓄庫(kù)容(10.0～1.0)億m3時(shí)，施工期臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期200～100年”，第7年汛期壩體臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為4 690 m3/s。

第8年汛前壩體填筑至2 886.00 m，并且完成一期面板(壩底～2 860.0 m)的施工，壩體填筑臨時(shí)斷面相應(yīng)攔蓄庫(kù)容為8.60億m3，大于1億m3，而小于10億m3。第8年汛期壩體臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為5 140 m3/s。

第9年汛前壩體平均填筑至2 925.00 m高程，壩體臨時(shí)填筑斷面相應(yīng)攔洪庫(kù)容為17.76億m3，大于10億m3，第9年汛期壩體臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為5 140 m3/s。

第10年汛前壩體平均填筑至2 965.00 m高程，并且完成二期面板(2 860.00～2 945.00 m)施工，壩體臨時(shí)填筑斷面相應(yīng)攔洪庫(kù)容為32.42億m3，大于10億m3。第10年汛期壩體臨時(shí)度汛洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用300年一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為5 390 m3/s。第10年9月底，壩體填筑至三期面板頂高程2 996.50 m。

3) 填筑后期

第10年12月初左岸低導(dǎo)流洞下閘，壩體填筑至壩頂高程3 001.50 m，進(jìn)入大壩后期施工。后期導(dǎo)流時(shí)段主要進(jìn)行三期面板混凝土澆筑、灌漿施工、壩頂填筑、防浪墻及路面混凝土澆筑、左岸低導(dǎo)流洞封堵與2號(hào)尾水洞改建、左岸旋流導(dǎo)流洞封堵、后續(xù)機(jī)組安裝。第11年汛期樞紐泄洪建筑物完建，度汛正常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇為重現(xiàn)期500年，相應(yīng)流量為5 720 m3/s，壩體度汛非常洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇為重現(xiàn)期1 000年，相應(yīng)流量為6 150 m3/s。

(2) 方案2(大壩填筑74個(gè)月)

填筑初期同方案1，填筑中期比方案1推遲1 a，至第11年9月底壩體填筑至三期面板頂高程2 996.50 m。填筑后期順延至第12年。

(3) 方案3(大壩填筑60個(gè)月)

填筑初期比方案1的開(kāi)工時(shí)間推遲至第5年2月，工期縮短4個(gè)月，中期和后期完全相同。

3 施工進(jìn)度及施工強(qiáng)度分析

3.1 方案1

方案1填筑工期64個(gè)月，填筑強(qiáng)度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為7.65 m。各時(shí)段填筑強(qiáng)度和月升高詳見(jiàn)圖1和表2。

3.2 方案2

方案2填筑工期74個(gè)月，填筑強(qiáng)度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為5.77 m。方案2填筑初期，填筑高程2 860.00 m以下，填筑時(shí)段、填筑強(qiáng)度、月平均上升高度均與方案1相同。填筑中期比方案1延長(zhǎng)1 a。各時(shí)段填筑強(qiáng)度和月升高詳見(jiàn)圖2和表3。

3.3 方案3

方案3填筑工期60個(gè)月，填筑強(qiáng)度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為8.10 m。方案3填筑中期和后期同方案1。各時(shí)段填筑強(qiáng)度和月升高詳見(jiàn)圖3和表4。

圖1 方案1壩體填筑形象進(jìn)度圖 單位：m

圖2 方案2壩體填筑形象進(jìn)度圖 單位：m

填筑時(shí)段起始填筑高程/m終止填筑高程/m層間填筑量/104m3累計(jì)填筑量/104m3填筑工期/月填筑總強(qiáng)度/(104m3·月-1)月平均升高/m第4年8月～第5年6月2744.002794.00322.43322.43935.835.56第5年7月～第6年9月2794.002824.00614.82937.261347.292.31～6.15第6年10月～第7年9月2824.002860.00637.791575.051063.783.60第7年10月～第8年6月2860.002886.00433.332008.37761.901.43～3.71第8年7月～第9年9月2886.002945.00749.012757.381357.622.62～5.77第9年10月～第10年9月2945.002996.50521.773279.151052.185.15～7.65第11年8月～第11年9月2996.503001.504.323283.4822.162.50

表3 方案2大壩填筑規(guī)劃表(填筑74個(gè)月)

表4 方案3大壩填筑規(guī)劃表(填筑60個(gè)月)

4 壩體填筑方案比選

根據(jù)收集、整理的目前中國(guó)已建土石壩施工資料(見(jiàn)表5)。中國(guó)修建的公伯峽、洪家渡、三板溪、水布埡、天生橋一級(jí)等水電工程月上升高度為4.81～8.83 m/月，高峰月強(qiáng)度為(43.34～72)萬(wàn)m3/月。

表5 中國(guó)已建土石壩施工資料表

從施工強(qiáng)度方面考慮，3個(gè)方案的最大填筑強(qiáng)度(63.78萬(wàn)m3/月，且相同)和大壩月平均上升高度均在國(guó)內(nèi)已建土石壩施工統(tǒng)計(jì)資料范圍之內(nèi)，大壩填筑工期的可靠度高。3個(gè)方案在理論上都是可行的，填筑最大強(qiáng)度均為63.78萬(wàn)m3/月，工程應(yīng)配備與最大強(qiáng)度相配套的相同的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸相應(yīng)的機(jī)械和設(shè)備。

方案1，各填筑時(shí)段強(qiáng)度比較均衡，從填筑初期填筑強(qiáng)度僅為35.83萬(wàn)m3/月和47.29萬(wàn)m3/月，填筑中期第3時(shí)段，填筑至一期面板頂高程2 860.00 m時(shí)填筑強(qiáng)度達(dá)最大值63.78萬(wàn)m3/月，第4時(shí)段填筑強(qiáng)度為61.90萬(wàn)m3/月，第5時(shí)段填筑強(qiáng)度為57.62萬(wàn)m3/月，第6時(shí)段填筑強(qiáng)度為52.18萬(wàn)m3/月。填筑中期從第6年10月至第10年9月，共40個(gè)月，強(qiáng)度比較均勻，且已填筑至大壩防浪墻頂高程，共完成三期面板頂高程2 996.50 m以下的壩體填筑，充分利用最大填筑強(qiáng)度63.78萬(wàn)m3/月相配套的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸相應(yīng)的機(jī)械和設(shè)備。大壩月上升高度最大值為7.65 m，與統(tǒng)計(jì)的中國(guó)已建土石壩施工統(tǒng)計(jì)值4.81～8.83 m相比，方案1填筑的月上升高度屬中等偏上水平。且方案1大壩填筑時(shí)長(zhǎng)為64個(gè)月，工期合理，經(jīng)濟(jì)可行。

方案2，填筑強(qiáng)度除最大強(qiáng)度為63.78萬(wàn)m3/月外，其他各填筑時(shí)段的強(qiáng)度約為40萬(wàn)m3/月左右，特別在填筑至2 860.00 m以上高程，填筑強(qiáng)度很平均，僅為40.14～43.48萬(wàn)m3/月，整個(gè)大壩填筑強(qiáng)度上不去。且填筑最大強(qiáng)度發(fā)生在第3個(gè)填筑時(shí)段，填筑工期僅10個(gè)月，對(duì)工程配備的與最大填筑強(qiáng)度63.78萬(wàn)m3/月相配套的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸相應(yīng)的機(jī)械和設(shè)備不能充分利用。大壩月上升高度最大值僅5.77 m，與統(tǒng)計(jì)的中國(guó)已建土石壩施工統(tǒng)計(jì)值4.81～8.83 m相比，方案2填筑的月上升高度屬偏低水平。但方案2大壩填筑時(shí)長(zhǎng)為74個(gè)月，工期在3個(gè)方案中最長(zhǎng)，工程造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)。

方案3與方案1的區(qū)別在于填筑開(kāi)始時(shí)間為第5年2 月，比前兩個(gè)方案都推遲了4個(gè)月，工期最短，但填筑初期的第1時(shí)段從壩基填筑至2 784.50 m高程，壩基倉(cāng)面大，填筑材料分區(qū)多，工藝復(fù)雜，而填筑工期僅5個(gè)月，月上升高度8.10 m，工期緊張，其實(shí)現(xiàn)的可靠度低。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本工程施工特點(diǎn)和可研報(bào)告編制規(guī)程及水電水利工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，考慮該水電站為高海拔地區(qū)高混凝土面板堆石壩，尤其是填筑工程量及填筑強(qiáng)度巨大，因此本文對(duì)該大壩壩體的填筑強(qiáng)度、填筑方案及其可行性進(jìn)行了深入細(xì)致的研究分析，方案1施工的均衡性、與后序項(xiàng)目的銜接和施工進(jìn)度的可靠程度上占優(yōu)，可確保關(guān)鍵施工項(xiàng)目的施工技術(shù)、施工質(zhì)量及其施工進(jìn)度的可行性、合理性。