先鋒水利樞紐大壩基礎局部淘空成因及應急處理

何善國

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 工程概況

先鋒水利樞紐工程始建于1966年,原工程名稱為左江先鋒水輪泵站。

該樞紐位于廣西崇左市江州區太平鎮境內、左江上游牛仔灘河段,距上一梯級左江水利樞紐4.6km,離崇左市區 16km。壩址以上集雨面積26282km2,多年平均流量566m3/s。水庫正常水位92.3m,正常庫容492萬m3,總庫容3931萬m3,泵站設計灌溉面積7萬畝,1971年建成并發揮灌溉效益,1975年最大灌溉面積1.9363萬畝,后來隨沿江提水電灌站工程的建成,該水輪泵站灌溉面積隨之減小,現在實灌面積僅0.45萬畝。

1977年及1990年改建時在左岸拆去部分水輪泵改建成左岸牛仔灘水電廠,安裝8×200kW水輪發電機組;2002年工程改建時拆去右岸一部分水輪泵改建成先鋒水電廠,安裝2×8800kW水輪發電機組,樞紐建筑物按30年一遇洪水設計,200年一遇洪水校核。

2 工程地形地質條件及原建時壩基處理情況

壩區右河床地面高程86.2m～89m,中部河床及左河床地面高程82.3m～86m,因河流轉彎,主河道自右折向左,左岸電廠尾水附近為一深潭,深潭最深位置高程達78m。大壩右岸船閘段基巖為霏細斑巖,其余壩段基巖為凝熔灰巖,基巖覆蓋層為砂卵石,最大厚度5.7m。壩基基巖較完整,承載力較高,抗沖性能好,滿足低壩建設要求,但砂卵石層耐沖能力較差。

工程原建時大壩分為左岸水輪泵站、河中溢流壩、右岸水輪泵站、右岸船閘等壩段,除了船閘壩段外,其余壩段壩頂高程與庫正常水位92.3m齊平,大壩全長268m,橫斷面壩底寬度15.6m,最大壩高約11.6m。工程原建時右岸船閘壩段基礎已置于霏細斑巖弱風化層上,中部壩段置于凝熔灰巖弱風化層上,左岸壩段局部壩段因基巖埋深較大、砂卵石層較厚且透水性較強造成下挖施工困難,故該壩段未清挖到基巖而置于砂卵石層上,也沒有對砂卵石層進行防滲帷幕或固結灌漿處理。

2002年改建進行地質勘察時發現該壩段下游壩腳被水流淘空,但未發現壩體面部有沉降及開裂現象。歷次改建時,除了在改建部位拆去一部分水輪泵壩段建成電廠廠房和大壩面層用混凝土加固外,均未對原大壩進行過基礎加固處理。

3 大壩局部壩段基礎淘空情況及成因分析

3.1 局部壩段基礎淘空情況

先鋒水利樞紐工程2002年改建后,其樞紐建筑物除了原有溢流壩段、水輪泵壩段、左岸電站廠房、右岸船閘外,增加了右岸電站廠房及其廠房前引水建筑物。

樞紐工程布置為低水頭河床徑流式,原設計溢流壩壩型為橡膠壩,其底座為混凝土,壩后不設消能設施,于1969年試用,當年汛期橡膠壩被洪水沖壞后壩型改為自由溢流的折線型溢流壩,底座上部的橡膠壩體改為漿砌石結構,但修改后的溢流壩下游壩面不設挑流坎、壩后也無消能設施;水輪泵站壩段壩頂高程與庫正常水位92.3m齊平,實際上也是自由溢流壩段,壩后也不設消能設施。

1993年以前,樞紐工程未進行過整體水工模型試驗研究,壩后水流流態及沖刷情況不明。

水輪泵站工程于1971年建成,運用后的13年里未曾進行過大壩水下檢查,直到1984年和1987年分別進行水下檢查時,發現左河槽壩段壩后基腳有沖淘坑,雖提出了處理方案但未實施。

2007年汛期期末進行水下檢查,發現左岸壩段基礎局段被淘空,但未對淘空部位及淘空范圍進行具體測量;2008年5月10日專業潛水員對大壩及其基礎進行水下全面勘測,經測量知壩基局段被淘空位置在攔河壩左岸水輪泵站3號機座以右,沿壩軸線淘空長27.4m,橫向由下游往上游方向最大淘空水平距離13.5m,最大淘深4.2m,經釬探得知最深淘空底部離基巖面約1.42m,但該壩段并沒有失穩,壩體表面也無沉降及開裂現象。

3.2 成因分析

主管部門得知大壩險情后及時組織有關單位工程管理及技術人員到現場召開會議,對大壩進行調查,查閱相關資料,并就大壩淘空情況及應急加固處理措施進行分析討論。本作者認為左河槽壩段壩基局部被淘空有如下主要原因。

(1)原建時勘察設計深度不足,局部壩段壩基處理不當

調查時知,先鋒水利樞紐工程是在文化大革命期間建設的,原建時屬 “三邊”工程,當年工程設計時可能只做地表踏勘而沒有進行具體地質鉆探工作,檢查工程檔案文件時找不到大壩施工地質編錄資料,說明原工程勘察設計深度不足和當時施工技術管理缺位。

當年工程施工時,沒有專業施工隊伍參加施工,是發動和組織群眾施工的,因施工技術條件的限制,左岸壩段部分壩基巖埋深較大、砂卵石層較厚且透水性較強造成下挖施工困難,基礎沒有清基至凝熔灰巖基巖,壩體混凝土底板置于砂卵石層上,壩體完工后沒有對該段壩基砂卵石層進行固結灌漿和防滲帷幕灌漿處理。

正是當時設計與施工對該壩段地基處理不當,如今才造成了壩基局部淘空險情。

(2)原建壩后無消能工程,水力設計存在缺陷

溢流壩壩型原設計為橡膠壩,壩后無消能工程,橡膠壩袋被洪水沖壞后改變壩型時,其溢流壩面為折線型壩面,溢流壩下游壩面沒有增設曲面挑流坎或壩后消力池。水輪泵站壩段壩頂高程與溢流壩相同,實際上也是自由溢流壩段,壩后也不設消能工程。

本工程為低水頭河床徑流式,左江年來水量較大,建成運用以來攔河壩經常過洪泄流,因自由溢流且過壩流量及水深不同,壩后各種水流流態都有可能發生,由于壩后不設消能工程,當過壩水深和下游水深較小時,過壩水流水舌會直接沖淘壩腳,或當下游水位較高時水舌可能潛入底部產生底部強烈回流而淘刷壩腳。因左岸壩段壩基置于砂卵石層上,壩踵又無防沖護壩趾墻,加上原溢流壩水力設計存在嚴重缺陷,經長期的水力沖淘作用,致使下游壩腳及基礎逐漸被沖刷淘空。

1993年該工程擬進行擴建并完成工程初步設計,同年6月廣西大學土木系受委托作了工程整體水工模型試驗研究[1],分別做了原工程方案和擴建方案的試驗。原工程方案的試驗研究成果表明,左岸牛仔灘水電廠與左岸水輪泵壩段交接處,壩后水流紊動較為激烈,在該壩段下游附近早已形成的一大沖坑可能與這種激烈水流紊動有關。改擴建工程方案的試驗研究成果表明,當下泄流量為3000m3/s時,壩后50m以內的河中部左側區出現流向大壩偏左岸方向的回流流態,下泄流量為7760m3/s時,壩后25m內被淘空壩段范圍內出現流向大壩偏左岸方向的回流流態,說明左岸壩段局部壩基被沖刷淘空的成因與這類回流有關。

(3)對早期發現大壩淘空險情重視不夠,未及時加固處理

早在1984年和1987年水下檢查時已發現左岸壩段壩后基腳被淘空,未實施壩腳基加固保護處理,2007年汛末水下檢查發現左岸壩段基礎局段被淘空,但延遲到2008年5月才研究應急加固處理措施,說明運行單位對早期發現大壩淘空險情重視不夠,對其可能造成的危害認識不足,因而未及時采取加固處理以控制或防止壩基淘空范圍擴大,若在較早些時候及時處理,則工程處理經濟代價就小得多。

4 應急處理措施

由前述知,大壩壩后基腳及壩基局段被淘空已存在多年,不垮壩的主要原因,一方面是大壩底部設有2m～3m厚混凝土底板,上部為漿砌石結構,壩體為一剛性整體,抗剪抗壓強度均較大,壩體高度及自重較小,其自重產生的斷面底部拉應力小壩體材料允許拉應力;另一方面是壩下地基局部雖然被淘空,但壩體下部結構 (混凝土底板)把上部荷載往兩邊傳遞,加上水浮力的作用減輕壩體重量,使大壩暫時處于穩定狀態。大壩壩基水平寬度不足16m,壩基厚僅剩下2.1m,大壩地基處于被擊穿的極度危險狀態,若不采取加固工程措施,上游水位抬高或過壩泄流形成較大振動時,均極可能造成壩體斷裂而垮壩。而一旦垮壩,將對當地社會政治及經濟造成極為不良的影響,因此該工程的險情引起了當地政府和項目業主的高度重視,防汛部門及時開展了應急搶險的各項準備工作,設計部門負責研究及提出應急加固設計方案。

4.1 非工程措施

在應急加固處理前采取了以下應急非工程措施:

①盡可能降低壩前水位運行,要求降到90.0m高程,減小大壩上游水壓力;②加強監測和巡查,觀測大壩是否有裂縫或變位,水面是否有異常如冒泡、渾濁等;③每天零報告,運行管理部門每天向防汛部門報告險情,無論有無險情均要報告,直到險情解除為止;④工程所在地的水利部門配合業主,編制垮壩應急預案,并向上、下游可能受到影響的單位及群眾宣傳,做好應急疏散準備,并加強與氣象部門和上游梯級電站的溝通,了解氣象情況和控制上游電站閘壩下泄流量;⑤業主要劃出大壩危險警示范圍,樹立警示標志,并輪班值班巡查,禁止船只、人員等靠近危險區。

4.2 工程措施

(1)應急加固設計方案

鑒于大壩壩體無裂縫,只是基礎局部被淘空,因而只對基礎淘空部位進行回填加固處理。清挖基坑時,靠近下游壩腳位置要清挖至基巖面,基礎設觸巖齒墻,齒墻底寬6m,用混凝土回填填滿被淘空壩基部位,在回填的混凝土體頂部預埋灌漿導管,待混凝土凝固后,通過灌漿導管用高標號水泥漿灌注充填回填混凝土與舊壩體之間縫隙。若采用水下施工方案,則回填材料用C30水下混凝土,若用圍堰施工方案則用常規混凝土。

(2)應急施工方案

根據該工程的現狀及現場施工條件,有兩種施工方案供選擇,一是水下施工方案,二是圍堰施工方案。

圍堰施工方案的優點是回填混凝土為常規施工技術,施工質量易控制,基礎觸巖齒墻易清挖至基巖。缺點是當時已經進入洪水期,圍堰的設計標準高,工程量大,加上圍堰取土場地及臨時施工道路場地征用,臨時工程投資大,基坑抽水前,為防因無水浮托力的作用而使基礎淘空壩段斷裂潰壩,需在中部設兩個支墩 (結構材料可用鋼結構),而支墩清基也需在水下進行,這個方案所需要的施工時間過長,失去了應急搶險的意義和寶貴時間,因此按常規圍堰的施工方法不可行。

水下施工方案的優點是不用圍堰,節省時間,工程投資較少;缺點是水下施工技術有一定難度,尤其是水下清挖和混凝土施工質量要求較高,也難掌控。綜合分析本工程的實際情況,采用水下砼施工方案是可行的。

為了避免水下施工可能對舊壩體造成破壞,建議采用分段施工,即先施工淘空部位的中間段,待中間段混凝土回填施工至舊壩體形成支撐后再進行其余兩段的施工。為了加快水下混凝土的凝固,拌和混凝土時可添加速凝劑等外加劑。

5 結語

溢流壩壩后壩腳地基或壩基局部淘空是攔河大壩常見的險情現象之一,其成因是多方面的,如壩基軟基和斷層擠壓破碎帶處理不當,大壩基礎下游側不設護壩腳入巖齒墻,壩后不設消能工或消能工形式選用不當及設計缺陷。我國20世紀60至70年代建成的攔河壩工程不少,至今已運行了數十年,為了消除大壩安全隱患,建議地方主管對本地管理的已建成運行多年而未進行安全檢查的一些攔河壩工程安排大壩水下檢查和設計復核。

先鋒水利樞紐工程壩基局部淘空應急加固處理后運行正常,其工程應急處理經驗值得類似攔河壩工程借鑒。

1 廣西大學.《崇左縣先鋒水利樞紐擴建工程整體水工模型試驗報告》[R].南寧:廣西大學,1993年6月.