瀘定水電站粘土心墻堆石壩設計

王黨在，金 偉，王方亮，韓 勇

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072）

1 工程概述

瀘定水電站壩址位于四川省瀘定縣城瀘定橋上游2 km處，距下游瀘定縣城2.5 km，控制流域面積58 943 km2。瀘定水電站采用壩式開發，開發任務主要為發電。瀘定水電站水庫正常蓄水位1 378.00 m，校核洪水位1 381.22 m，死水位1 375.00 m，總庫容2.4億m3，調節庫容0.22億m3，具有日調節性能，裝機容量920 MW。工程樞紐主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水發電建筑物組成。攔河大壩為粘土心墻堆石壩，大壩的抗震設防級別為甲類，抗震設防烈度為8度。

2 壩址區工程地質條件

壩軸線方位角NE73°44′24″，河床枯水期河水位1 308.2 m，水面寬124 m，正常蓄水位1 378 m時，谷寬413 m，壩軸線距離下游四灣村古滑坡堆積體約580 m。壩基河床覆蓋層深厚，一般為120～130 m，最大厚度148.6 m，由四大層七個亞層組成。

左壩肩山體雄厚，基巖裸露，巖性為閃長巖、花崗巖，邊坡整體基本穩定。壩肩巖體裂隙較發育，局部不利組合可能形成小規模崩塌破壞。淺表卸荷及風化巖體具強～中等透水性，相對抗水層埋藏較深，存在壩肩繞滲問題。右壩肩地形坡度較緩，邊坡整體穩定。

3 大壩設計

3.1 壩型及壩線選擇

根據壩址區地形地質條件，可研階段比較了斜心墻堆石壩、粘土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩3種壩型，綜合抗震性、工期、工程投資、安全性等因素選定壩型為粘土直心墻堆石壩。

壩址區下游四灣村古滑坡體、河床覆蓋層中的粉細砂及粉土層，對壩線選擇限制較大。從防滲結構受力條件、滲流特性、樞紐布置及工程投資等方面考慮，選擇橫Ⅶ線作為推薦壩線。

3.2 壩體結構設計

大壩壩頂高程 1 385.50 m，最大壩高79.50m，壩頂長526.70 m，上、下游壩坡均為1∶2，壩頂寬度12 m。心墻頂高程為1 383.00 m，頂寬 4 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，底高程1 306.00 m，底寬48.00 m。心墻底部4m高范圍加寬，加寬后順河向坡度為1∶1。心墻上游設兩層厚3.0 m的反濾層，下游設兩層厚4.0 m的反濾層。心墻底部在壩軸線上游設厚30 cm的反濾料作為復合土工膜的墊層，心墻底部在壩軸線下游亦設厚度2 m的反濾料作為復合土工膜的墊層，并與心墻下游反濾層連接，心墻下游堆石基礎壩基反濾層厚2 m。反濾層與壩殼堆石間設過渡層，與壩殼堆石接觸面坡度為1∶0.25。上、下游壩腳以外分別設置了壓重Ⅱ區和堆石Ⅱ區。壩體典型剖面見圖1。

3.3 筑壩材料設計

3.3.1 心墻粘土料及接觸粘土料

心墻粘土料來自壩址下游約10 km的海子村粘土料場Ⅰ、Ⅲ區。填筑技術要求：最大粒徑不大于10 cm；小于5 mm顆粒含量宜大于90%；小于0.075 mm的顆粒含量宜大于60%，小于0.005 mm的顆粒含量宜大于15%。碾壓后的滲透系數應小于5×10-7cm/s， 填筑料施工含水率 （ωop-2%）≤ωf≤（ωop+2%）。

接觸粘土料填筑技術要求：最大粒徑應不大于20 mm，小于0.075 mm的顆粒含量應大于80%；小于0.005 mm的顆粒含量應大于25%。滲透系數應小于 5×10-7cm/s， 填筑含水率 （ωop+1%） ≤ωf≤ （ωop+4%）。心墻粘土料和接觸粘土壓實度和全料干密度指標根據室內試驗P5控制干密度確定，碾壓后粘土心墻粘土料壓實度≥99%，碾壓后粘土心墻料復合土工膜上第一層及左岸蓋板接觸粘土料壓實度應≥94%，廊道兩側接觸粘土壓實度應≥96%。

3.3.2 反濾料

大壩心墻上下游反濾料F1、F2和壩基反濾料主要來自壩址左岸上游6 km左右的岔道料場。

反濾料F1填筑技術要求：最大粒徑不大于20 mm， D85=2.7～9.5 mm， D15=0.12～0.4 mm， 小于 0.075 mm土料含量不大于5%。反濾料F2填筑技術要求：最大粒徑不大于80 mm，D85=17～45 mm，D15=0.8～4.5 mm，小于0.075 mm土料含量不大于5%，壓實后的相對密度控制在0.8～0.9。

3.3.3 過渡料

過渡料來自壩前左岸的九叉樹料場。過渡料飽和抗壓強度應大于40 MPa，最大粒徑不大于300 mm；D15≤20 mm，壓實后滲透系數應大于 5×10-2cm/s，小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%。上游過渡料小于5 mm的顆粒含量≤24%，下游過渡料小于5 mm的顆粒含量≤20%。壓實后的相對密度Dr≥0.8，孔隙率不大于20%。

3.3.4 堆石料

堆石料來自壩前左岸的九叉樹料場。堆石料飽和抗壓強度應大于45 MPa，要求級配連續良好，最大粒徑不大于800 mm；小于5 mm的顆粒含量應不大于15%；≤0.075 mm粒徑含量應不大于5%，不均勻系數應大于10，滲透系數應大于5×10-2cm/s，壓實后孔隙率應不大于22%。

圖1 壩體典型剖面

3.4 壩基及兩岸基礎處理設計

3.4.1 大壩基礎防滲墻設計

可研階段,根據國內防滲墻施工能力，懸掛式防滲墻深度80 m，封閉范圍為高程1 300～1 220 m，防滲墻厚度1 m。

技施階段的防滲墻試驗結果表明，在瀘定壩基深厚覆蓋層上作110 m深防滲墻是可行的。考慮2009年汛期利用防滲墻擋水，河床段防滲墻頂高程抬高到1 306.0 m，河床段防滲墻底高程降低到1 200.0 m，最大深度110 m（防滲墻底到施工平臺1 310.0 m高程），防滲墻設計成墻面積2.6萬m2。應力應變計算結果表明，防滲墻頂部出現較大拉應力，為了對壩基灌漿廊道起 “頂托”作用、保證壩基灌漿廊道結構穩定、確保防滲墻與灌漿廊道接頭連接牢靠，在防滲墻頂部設鋼筋籠。

瀘定水電站壩基覆蓋層深厚，壩基防滲處理難度大，壩基110 m深防滲墻是國內已建最深的防滲墻工程。

3.4.2 壩基固結灌漿

為減小壩體沉降，壩基固結灌漿深度加深。河床段壩軸線上游壩基覆蓋層固結灌漿深10 m；河床段壩軸線下游壩基覆蓋層固結灌漿深12 m。左岸心墻基礎壩軸線上、下游各3排基巖固結灌漿深12 m，其余深10 m。左岸心墻基礎設0.4 m厚的混凝土蓋板，以封閉基巖表面裂隙，同時作為固結灌漿蓋重。右岸斜坡段心墻基礎覆蓋層固結灌漿深8 m。固結灌漿間排距均為3 m。

3.4.3 帷幕灌漿

通過多次三維滲流計算分析確定，河床段基礎防滲需在防滲墻底設帷幕灌漿。懸掛防滲墻段墻內通過兩排預埋灌漿管進行墻下基巖帷幕灌漿，墻外上、下游各一排覆蓋層帷幕灌漿，孔距2 m。壩基左、右岸在防滲墻內通過墻內兩排預埋灌漿管進行基巖固結灌漿，深、淺帷幕深度分別按照基巖透水率小于3、5 Lu確定，河床段帷幕底高程至1 155 m，左、右岸分別延伸96.5、118.9 m。

3.4.4 壩基振沖碎石樁及高壓旋噴處理

可研、招標階段，經過初判及復判分析，壩基左岸②-3粉細砂不會液化，但根據壩坡穩定計算結果，需對其進行振沖碎石樁處理；且為減少沉降，右岸斜坡段附近心墻基礎砂層需進行高壓旋噴處理。

技施階段，壩基砂層振沖碎石樁試驗情況表明，覆蓋層鉆孔難度較大，塌孔嚴重。考慮到壩體施工工期的緊迫性，經過壩坡穩定分析復核，取消了壩基砂層振沖碎石樁，采用上、下游壩腳以外加大壓重平臺方案；同時，取消了砂層高壓旋噴處理措施，以加深壩基固結灌漿措施減小壩基沉降。

3.5 抗震設計

壩址區場地基本烈度為VIII度，大壩按50年基準期超越概率10% （相應的基巖水平峰值加速度246.0 cm/s2）的概率水準進行抗震設計；按50年超越概率5% （相應的基巖水平峰值加速度325.0 cm/s2）的概率水準進行大壩抗震穩定復核；采用擬靜力法進行壩坡抗震穩定性分析。

壩頂寬度、壩坡、馬道設置及壩頂高程確定均考慮了大壩抗震要求；同時，采用提高壩體填筑料壓實標準提高抗震能力。

根據壩體動力計算結果，并參考類似土石壩工程的經驗，在壩體1 350.0 m高程以上的壩體堆石和過渡區設置豎直向間距2 m的柔性土工格柵；并在1 365.0、1 371.0、 1 377.0 m高程壩體堆石和過渡區設3個水平層混凝土抗震框格梁，與上、下游壩坡面混凝土抗震框格梁連接成整體。

3.6 壩基灌漿廊道

河床段廊道尺寸3.5 m×4.5 m，廊道底板高程抬高到1 310.5 m，右岸斜坡段廊道尺寸3 m×4 m，廊道軸向長462 m。瀘定壩基覆蓋層最大深度148.6 m。在如此深厚的覆蓋層上修筑灌漿廊道實屬罕見，設計難度相當大。三維應力變形分析結果表明，廊道內拉應力超過混凝土允許值。為保證廊道的安全性，在拉應力較大部位，采取強配筋措施；在廊道左端基巖平臺上，設結構縫適應廊道與壩體的不均勻變形；在廊道兩岸拉應力區表面，設置特種瀝青防滲膜；同時廊道混凝土中摻加聚丙烯纖維，以提高廊道的抗裂、抗滲、抗老化等性能；并在廊道外表面涂刷水泥基滲透結晶型XYPEX（賽柏斯）防水堵漏劑。

4 結語

瀘定水電站粘土心墻堆石壩壩基覆蓋層深厚、地震烈度高、距離縣城近。為此，各階段進行了大量的設計研究工作，以確保壩體結構及基礎處理等措施安全可靠。目前，壩體已填筑至1 355.0 m高程，根據施工規劃2011年3月底填筑至1 365.0 m高程，4月底填筑至1 380.0 m高程，以確保5月底首臺機組發電。