馬巖洞水電站二期施工圍堰方案優化設計

許曉忠

（中國水利水電建設工程咨詢西北公司，青海 西寧 710065）

1 工程概況

馬巖洞水電站位于重慶市彭水縣境內郁江中游河段。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、泄水建筑物、左岸引水系統及地面下房等建筑物組成，最大壩高70.00 m，其中壩頂高程355.0 m,壩基高程285.0 m,壩頂全長155.08 m，壩頂寬度8.0 m，最大壩底寬54.22 m，水庫正常蓄水位350.00 m，總庫容0.296億m3，電站總裝機容量66 MW，多年平均發電量2.56億kW·h。

2 水文及地質條件

郁江流域屬亞熱帶季風氣候區，河流的洪水特性與暴雨特性、流域的自然條件密切相關。每年4—10月為汛期，雨量充沛，從歷年特大暴雨來看，3 d暴雨量又集中在1 d，因此流域內洪峰主要是由1 d暴雨形成，一次洪水過程的洪量主要集中在3 d內。

壩址河谷為走向谷，左岸為逆向坡，平均坡角為44°，右岸為順向坡，平均坡角為44°壩址河面高程304 m左右，河面寬50～58 m。

3 工程建設施工導流程序

該工程大壩主體項目于2004年12月進行施工，根據合同文件總工期為29個月，工程計劃在2007年4月水庫開始蓄水，5月底實現第一臺機組發電。

根據業主的要求，為了降低工程施工導流的工程投資，業主在招標中取消了設計單位在可行性研究報告所提出的右岸布置導流洞、河床斷流的施工導流方案，這樣大壩主體工程施工建設只能采用分期導流、分期施工。結合壩址由于受到流域自然條件、洪水水位變化很大的特性及工程工期的限制，一期導流采用在“一枯”時段內在右岸壩身段布置臨時導流底孔的設計施工方案，為了保證導流底孔上游段的正常引水、過水，也為了防止底孔過流后的回水，同時考慮“二枯”時段二期導流施工，因此在一期導流中采用臨時導流底孔上下游分別布置縱向圍堰的設計方案。主體工程的建設共要經歷6個時段：

1）一枯。進行右岸一期圍堰的施工，左右岸壩肩開挖，右壩基的開挖、右岸導流底孔澆筑并達到高程313 m以上。

2）一汛。拆除一期圍堰，右岸導流底孔及左岸河床同時過流，左右岸壩肩開挖。

3）二枯。右岸導流底孔過流，二期圍堰的施工，二期基坑開挖、二期基坑混凝土澆筑并達到高程313 m以上，左壩肩澆筑及澆筑完成排沙孔。

4）二汛。右岸導流底孔及壩體過水，左右岸混凝土的澆筑。

5）三枯。右岸導流底孔過水，排沙孔閘門施工，大壩混凝土全面上升澆筑，壩體澆筑達到表空溢流面面頂以上高程后，導流底孔下閘封堵并在汛前結束封堵。

6）三汛。排沙孔及大壩表孔過流，非溢流壩段表孔閘墩繼續澆筑施工，同期水庫開始進行蓄水，完成第一臺機組發電的任務。

4 二期導流設計

根據工程施工程序的安排，工程在完成一期導流后需完成“一枯”及“一汛”兩個時段的主體工程建設，這樣在“二枯”時段完成二期導流的設計與施工。

4.1 二期導流的設計標準

1）枯水期流量。根據招標文件，工程在枯水期導流相應時段內的洪水流量：壩址上游長順水電站滿發電的流量加上長順電站至壩址區間流量為120 m3/s。

2）洪水期流量。根據水文資料及壩址設計洪水成果表分析，第二個汛期，按全年P=5%頻率洪水計算，相應流量為3 840 m3/s。

4.2 二期導流圍堰結構形式

根據工程水文地質、地形條件及工程工期要求等特點，同時結合一期導流的設計施工意見，工程二期導流采用不過水上下游橫向土石圍堰。

因受地形條件限制，河床較窄（壩址區河床寬度僅有42.5 m），工程二期縱向圍堰采用混凝土圍堰，該圍堰已在一期施工導流工程中完成。在二期橫向圍堰設計時，考慮二期河床束窄后流速較大，為保證圍堰坡腳安全穩定及二期基坑施工道路的布置，因此考慮在上游橫向圍堰迎水坡面及下游橫向圍堰迎水坡面、背水坡面基礎底部部分采用鋼筋石籠防護坡腳，基礎以上部分坡面采用鋼管架、竹架板等材料的防護形式。

堰體由截流戧堤、鋼管架、竹架板、彩條布、土工膜布、鋼筋鉛絲石籠、土石渣混合料、粘土心墻及堰基防滲結構組成。

4.3 二期導流上下游圍堰堰頂高程的確定

堰頂高程取決于導流設計流量及圍堰的工作條件。

1）下游圍堰堰頂高程

根據招標文件，在枯水期工程導流的設計標準流量為：壩址上游長順水電站滿發電的流量加上長順電站至壩址區間流量為120 m3/s，壩址二期導流特性見表1。

表1 二期導流特性表

根據經驗公式，下游圍堰的堰頂高程：

式中：hd——下游水位高程，m，根據表1取307.1 m；ha——波浪爬高，m，根據有關公式計算并結合現場的實際情況取1.2；δ——圍堰的安全超高，m，根據有關手冊并結合現場的實際情況取1.0。

計算得出下游圍堰的堰頂高程Hd=309.3 m。2）上游圍堰堰頂高程

根據經驗公式，上游圍堰的堰頂高程：

式中：z——上下游水位差，根據表1取3.9 m。

計算得出上游圍堰的堰頂高程Hu=313.2 m。

4.4 堰體斷面及平面布置設計

根據計算得出上下游橫向圍堰堰頂高程分別為313.2，309.3 m，河床底高程為304.0 m，最大堰高為9.2 m。根據現場實際地形為確保圍堰運行安全穩定，同時考慮圍堰堰頂作為后期部分混凝土澆筑施工道路，因此堰頂寬度均取6.0 m。上游圍堰軸線與壩縱軸線夾角取20°，相應堰頂軸線長51.1 m；下游圍堰軸線與壩縱軸線夾角取28°，相應堰頂軸線長62.2 m。上游橫向圍堰迎水面坡比為 1∶0.2，背水面坡比為 1∶1.2；下游圍堰迎水面、背水面坡比均為1∶0.2。

4.5 堰體與岸坡及已有建筑物的接頭處理

采用通過擴大接觸面以延長塑性防滲體的接觸，達到防止集中繞滲破壞的目的。接頭處增加堰體的寬度，具體寬度應視具體情況確定。在此部位，該工程圍堰堰體增寬至原來的2倍。并且應將岸坡處滲透性很大、穩定性很差的坡積物全部清除。

二期橫向圍堰與縱向混凝土圍堰接頭處為避免發生集中繞滲破壞，縱向混凝土圍堰接頭處采用刺墻型式插入二期土石圍堰的防滲體中，以保證滿足繞流滲徑長度的要求，一般刺墻深入心墻的長度不小于0.5倍的水頭。根據該工程實際情況，最大水頭高度為5 m，二期縱向混凝土圍堰刺墻的長度取3 m。

4.6 截流戧堤

截流工程的難易程度取決于河道流量、泄水條件，龍口的落差、流速、地形地質條件；材料供應情況及施工方法、施工設備等因素。并且應對截流水力進行計算，計算目的是確定龍口諸水力參數的變化規律，主要解決3個問題：1）確定截流過程中龍口各水力參數，如單寬流量、落差及流速的變化規律；2）由此確定截流材料的尺寸或重量及相應的數量等；3）確定適合該工程的截流施工方法。根據該工程的河道流量（截流設計流量為40 m3/s）、泄水條件、截流落差（約為2 m，截流落差小于3.5 m）等實際條件，確定該工程截流戧堤采用單戧立堵截流的施工方法，戧堤頂寬4.0 m，截流戧堤合龍后加寬培厚形成堰體。

4.7 堰體的防滲設計

圍堰堰體防滲由兩部分組成：上部（306 m高程以上部分）為粘土心墻結合土工膜防滲，下部（306 m高程以下部分）為灌漿幕墻防滲。

1）粘土心墻防滲。墻厚為2 m，心墻迎水面鋪設一層土工膜。心墻的土料就地取用，主要控制土料的含水量，土料的含水量過高或過低，都將影響填筑的密實性。

2）帷幕灌漿墻防滲。根據地質資料，壩址區段原河床沖積物厚6～12.5 m，主要為砂、卵石夾礫石；一期圍堰鉆孔灌漿時發現原河床底部存在大的孤石較多、空隙較大，這些地方堰基采用高壓旋噴方式灌漿已不能滿足防滲要求。因此根據現場實際施工情況，結合以往經驗，對于二期上下游圍堰堰基防滲采用塑性灌漿的方式進行施工。

3）塑性灌漿設計參數：

a）帷幕厚度設計。上游圍堰布置3排孔，通過灌漿形成4～6 m厚的防滲墻；下游圍堰布置2排孔，通過灌漿形成2～4 m厚的防滲墻。

b）孔排距。由于是在動水情況下進行灌漿施工，參照以往施工經驗，孔排距分別定為1.50 m和2.00 m。

c）帷幕體搭接要求。灌漿孔底部要求進入基巖2.0 m，先導孔要求進入基巖4 m，以進一步探明基巖裂隙發育情況等，以便及時調整鉆孔深度，與粘土心墻搭接2 m，上游圍堰灌漿高程范圍為308～295 m，下游圍堰灌漿高程范圍為306～293 m。

d）灌漿漿液。根據一期圍堰灌漿吸漿量較大的情況，上游圍堰上下游排采用混合漿液，即在漿液中摻入一定量的粉煤灰以取代水泥，節約成本。中間排采用穩定漿液，即在漿液中加入少量的膨潤土、塑化劑；下游圍堰兩排孔均采用混合漿液。混合漿液配比為水泥∶粉煤灰∶水=1∶2∶1.5；穩定漿液配比為水泥∶粉煤灰∶水=7∶1∶4，并在穩定漿液中摻入總灰量（水泥與粉煤灰的總和）1%的膨潤土和1.3%的塑化劑。漿液比重在1.75 g/cm3以上。

e）灌漿壓力及方式。灌漿壓力為0.20～0.50 MPa。鉆孔時壓入水量Q≥50 L/min，則采用純壓式灌漿方法；若Q＜50 L/min，則采用循環式灌漿方法。塑性灌漿采用自下而上分段灌漿，段長5 m。

f）結束標準。灌漿注入率Q≤0.50 L/min時，再持續30 min，上下游排灌漿孔段每米單耗（干料）達3 t時，均可結束該段灌漿。

g）特殊情況處理。在施工中主要碰到地表面冒漿而不易封堵的情況，采用限壓、限流、停停灌灌或掃孔后復灌的方法。

h）效果檢查。灌漿完成7 d后，鉆孔壓水檢查防滲效果，壓水壓力為0.30 MPa，單位吸水量q≤0.1 L/（min·m·m）為合格。

4）后期補灌防滲。在上下游圍堰灌漿完成后，發現在下游圍堰有兩處明顯的集中滲水點：一處位于圍堰中部，一處位于圍堰與左岸岸坡的接觸處。針對兩處滲水點共補灌了8個孔，補灌時的鉆孔孔深根據滲漏點的高程、位置進行有針對的集中灌漿。通過灌后與灌前的實際滲流量比較，效果較為理想。

5 結語

二期上下游橫向圍堰經過43 d的施工，順利完成，說明設計方案優化是可行的，在第二年2月份突發一場超標準洪水（流量為300 m3/s）從圍堰頂部過流，檢驗了二期圍堰的安全穩定性以及良好的防滲效果，盡管超標準洪水仍對圍堰頂部沖刷造成了一定的破壞，但對后續“二汛、三枯”時段的主體工程施工未產生影響。