吉林臺一級水電站大壩施工導流圍堰技施設計

王福運，史有富，田偉峰

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

吉林臺一級水電站位于喀什河中游、吉林臺峽谷段中部。 喀什河發源于天山山脈，是伊犁河最大的支流，伊犁河是新疆的第二大河流。喀什河流域總面積9 578 km2，水電站上游平均流量109.7 m3/s。 吉林臺一級水電站是喀什河流域規劃中的第10個梯級水電站，是全流域最規模大的一座水庫梯級電站。以發電為主，兼顧灌溉和防洪，屬大（1）型Ⅰ等工程。裝機容量為246 MW，水庫總庫容25.3×108m3，為不完全多年調節水庫。

水電站由混凝土面板砂礫—堆石壩、深孔泄洪洞、泄洪表孔、發電引水建筑物、發電廠房等建筑物組成。混凝土面板砂礫石—堆石壩最大壩高157 m，壩頂長445 m，左岸深孔泄洪洞長803 m，表孔泄洪洞長778.5 m，左岸兩條引水發電洞，洞長640，626 m，壩后為左岸地面式發電廠房。

左岸設有一條施工導流隧洞，斷面為8 m×10 m（寬×高）城門洞形。進口明渠段長28 m，底高程為1 285 m；洞身段長1 278.522 m；出口明渠段長22.686 m，底高程為1 278.522 m。施工導流方式為：一次攔斷、圍堰擋水，導流隧洞泄流的方式。

2 工程條件

2.1 水文條件

喀什河吉林臺一級水電站壩址以上流域面積6 163 km2，河長204 km。壩址處徑流年際間比較穩定，年際變化較小。多年平均流量109.7 m3/s，多年徑流量為34.61×108m3。喀什河的洪水過程主要為消融型洪水，消融洪水因氣溫升高而引起，一般6月至8月為汛期，9月至次年5月為枯水期。

2.2 氣象條件

喀什河位于伊犁河谷東北部，屬大陸性北溫帶氣候，該流域夏季氣候較溫潤、溫和，降雨豐沛，冬季寒冷積雪較深。多年平均氣溫5.6℃，極端最低氣溫-39.6℃，多年平均降水量為488.7 mm，最大風速26 m/s（風向WNW）。封凍期12月上旬至次年3月下旬，最大凍土深度950 mm。

2.3 地質條件

上游圍堰處河床寬110 m，河床沖積礫石層厚2～3.5 m。右岸岸坡約 30°，左岸岸坡約 40°，兩岸均有坡積物覆蓋，右岸覆蓋厚約5～15 m，左岸覆蓋厚約10～25 m。基巖為角礫凝灰巖，強風化層厚約3 m。上游圍堰軸線靠右岸下游側有F32斷層出露，其余無大的地質斷層。

下游圍堰處河床寬70 m，河床沖積卵礫石層厚2～3.5 m。右岸岸坡約85°，基巖裸露，左岸岸坡約50°，基巖為角礫凝灰巖，強風化層厚約2～3 m。

當地土料、砂礫石料、堆石料的儲量豐富，質量滿足設計要求，交通較便利，開采條件較好。

3 施工導流圍堰擋水標準的選擇

根據《施工組織設計規范》的規定，導流建筑物為Ⅳ級，若采用土石圍堰設計洪水標準為10～20年洪水重現期。結合上階段設計成果，選定圍堰設計擋水標準為20年重現期洪水，設計流量為Q=924 m3/s，根據施工導流洞的泄流能力計算相應上游設計水位為1 307.66 m，下游水位為1 281.22 m。

基于本工程的特點，對于混凝土面板砂礫石堆石壩，基坑過水后，對于壩體填筑、施工工期和工程投資影響較大。而按照壩體填筑和面板的施工進度安排，第二年大汛期不具備利用壩體擋水度汛的條件，為滿足施工期度汛安全，盡可能的避免基坑過水的損失，提出了采用大壩導流圍堰進行施工期安全度汛的方案。經過論證分析，當發生100年重現期洪水，流量為Q=1 165 m3/s時，相應上游水位為1 312.67 m，下游水位為1 284 m，僅比圍堰設計擋水標準高5 m，圍堰加高堆后填筑量增加不大。

結合工程施工期度汛安全的要求，經綜合分析，大壩圍堰的擋水標準選為施工期度汛100年重現期洪水，但建筑物級別不提高，仍為Ⅳ級。

4 大壩施工導流圍堰設計

4.1 圍堰設計原則和特點

1）圍堰擋水標準要滿足100年重現期洪水的安全度汛要求。選用“設計一次到位，施工分步完成”的圍堰施工方案。即圍堰擋水標準按照100年重現期洪水設計，除預留施工道路段填筑至20年重現期洪水標準外，其余一次填筑到設計高程。

2）圍堰斷面設計受已建的導流洞和大壩樞紐布置的限制，既要滿足安全穩定要求，又要保證大壩的開挖、填筑、施工排水、施工道路布置的要求。

3）壩址區地震基本烈度為8°，圍堰穩定計算應考慮地震荷載。

4）圍堰防滲型式的優先選擇當地建筑材料，本著安全可靠、構造簡單、施工方便的原則。

5）圍堰軸線處覆蓋層較厚，并有F32斷層，要求基礎處理的形式的選擇安全可靠、經濟合理，便于施工。

4.2 導流圍堰斷面形式的選擇

充分考慮施工工期的安排，結合當地材料及壩基開挖料，上、下游圍堰均采用土石不過水圍堰，圍堰防滲材料采用粘土料，堰體填筑料采用堆石料。

對于圍堰斷面設計進行了粘土斜墻、粘土心墻防滲型式比較，由于粘土斜墻方案較粘土心墻方案的上游坡比緩，為 1∶3.0～1∶3.5，兩方案下游坡比均為1∶2.0，因此斜墻方案的上游截流戧堤較心墻方案上移近30 m,距離導流洞進口最近距離約10 m，受現有導流洞進口水流的沖刷影響較大，需進行特殊防護處理，同時下游受大壩開挖輪廓限制，不具備下移條件。經技術經濟等綜合比較，大壩導流圍堰采用粘土心墻防滲型式的土石圍堰。

4.3 圍堰頂高程確定

施工導流上下游圍堰均采用粘土心墻防滲型式的土石圍堰。根據《施工組織設計規范》的規定，采用心墻式防滲體，其在設計靜水位以上的超高值為0.6 m。考慮到防滲體頂部的防護結構厚度，以及堰體施工的沉降和水位的壅高等因素，根據施工期可能最高上游擋水位1 312.67 m，下游擋水位1 284 m（即100年重現期洪水位），結合圍堰所處位置的實際地形情況，最終確定上游圍堰設計頂高程為1 315.00 m；下游圍堰設計頂高程為1 285.50 m。

4.4 導流圍堰斷面設計

1）上游圍堰斷面型式。上游圍堰頂寬10.0 m，最大堰高33.0 m，堰體上游迎水坡為1∶2.0，下游背水坡為1∶2.0，下游分別在高程1 291.0，1 302.5 m處設置兩道馬道，馬道寬為2.0 m。堰體迎水面底部與截流戧堤堆石體相結合，上游截流戧堤頂高程為1 291.00 m，堰體填筑料為基坑開挖石碴料。在迎水坡設置頂寬2.0 m的堆石護坡。

粘土防滲心墻頂部高程為1 314.50 m，頂部寬度為2.0 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.2，在上游側設頂寬1.0 m的過渡層，坡度為1∶0.3，在下游側設置頂部寬度為1.0 m的反濾過渡層，坡度亦為1∶0.3。同時，要求粘土防滲心墻底部寬度不得小于9.0 m。

上游圍堰斷面結構見圖1。

2）下游圍堰斷面型式。下游圍堰頂寬為10.0 m，圍堰上、下游填筑邊坡均為1∶2.0，最大堰高約為7.0 m。在迎水坡面設置頂寬2.0 m的堆石護坡。堰體迎水面底部與臨時閉氣戧堤相結合，其填筑料利用石料場開挖石碴料。

下游圍堰斷面結構見圖2。

4.5 圍堰穩定計算

采用《土石壩邊坡穩定分析程序》對上游圍堰迎水坡、背水坡進行滑弧穩定計算。計算工況為：設計水位的穩定滲流工況和設計水位驟降工況，其中穩定滲流工況計算水位為1 312.67 m，水位驟降工況計算水位為1 293.00 m。校核工況考慮了地震荷載，地震基本烈度為8°。計算成果見表2。

圖1 上游圍堰典型斷面圖

圖2 下游圍堰斷面圖

表2 穩定計算成果表

各工況計算圍堰的穩定均滿足穩定要求。

4.6 圍堰基礎處理

1）圍堰基礎處理。對于圍堰岸坡考慮清除覆蓋層，對于河床部分可不做清理，對于粘土防滲心墻的基礎及與岸坡結合部位均要求開挖至巖面線，圍堰防滲體與堰基的連接處進行了加寬處理，保證連接面不致產生接觸沖刷破壞，對防滲體底部基礎進行清除。

2）圍堰地基缺陷處理。基礎缺陷處理主要為上游圍堰基礎的F32地質斷層的滲透處理。由于F32地質斷層出露點為上游圍堰軸線附近，斷層寬度約2.0 m,覆蓋層約為3.0 m厚的砂卵石層，斷層為充填夾泥。根據F32構造特點設計進行了挖填置換粘土和高噴灌漿二種處理方案比選。根據補充勘察資料F32斷層充填夾泥的滲透系數為7.5×10-4m/s，屬于弱透水，斷層的承載力也滿足設計要求。因此考慮方便施工、保證工期的要求，經技術經濟綜合比選，設計選擇采用挖填置換粘土的處理方案。處理范圍為：順河方向上游圍堰軸線上下游各10.0 m，共20.0 m范圍；圍堰軸線方向貫穿整個斷層，且超出兩側各5.0 m范圍，清除覆蓋層，回填開挖深度為5.0 m。

5 結語

吉林臺一級水電站于2002年9月15日成功截流。2004年10月15導流洞正式下閘蓄水，2005年8月首臺機組發電，并于2006年10月大壩竣工。

由于圍堰結構設計合理，采取分步實施，既保證的施工導流要求，也滿足安全度汛需要，同時也保證了圍堰和大壩施工工期。圍堰基礎處理方案簡單、安全可靠、便于實施，從而為堰基基坑的開挖贏得了工期，節省了工程投資。在導流圍堰運行期間，圍堰的實際滲水量較小，減少了基坑排水難度，并實現了施工期安全度汛。實際驗證了圍堰的斷面結構設計合理性，為壩體填筑工期的提前創造了有利條件,取得了良好的工程效益，同時為類似水電工程的施工導流土石圍堰設計提供了一定的實踐經驗、借鑒和參考作用。