瑞士格舍嫩心墻土石壩加高工程

［瑞士］ S.麥塞克林格等

格舍嫩(G?scheneralp)心墻土石壩高155 m，壩頂長540 m，水庫庫容7800萬m3。格舍嫩電站發電總水頭616～708 m，發電量為251 GW·h/a。電站位于瑞士中部的烏里(Uri)州，由格舍嫩電站股份公司(KWG)所有，烏里州控股10%，瑞士聯邦鐵路公司控股40%，瑞士中央發電股份公司(CKW)控股50%。

格舍嫩水庫由蘇黎士機電工業管理有限責任公司設計，于1957～1962年間修建。在該工程中，水庫流出的水首先通過一條7.2km長的引水洞輸送至壓力鋼管，經過配有2個蝶形閥的閥室。之后通過一段長912 m、傾角為80°的鋼襯砌的壓力鋼管和一段水平管道，流經閥室到達地下發電廠房。發電廠房內裝有4臺沖擊式機組，總裝機容量約為160MW。在引水洞與壓力鋼管交接處設有一座長約150 m的下調壓室。下調壓室的軸線與引水洞平行，相距4.45 m。然后是一座直徑為3 m、傾角為80°的調壓井，最后到達高程為1800 m的上調壓室。

水庫最低蓄水位1700 m，正常蓄水位1792 m，水庫水位通過泄洪底孔和泄洪中孔調節。為了泄洪，特意設置了一條能自由溢流的側槽式溢洪道。在左壩肩上設有泄洪底孔，正常蓄水位時其額定泄流量為100 m3/s。通過一條隧洞延伸，在施工期間，也能對直接匯水區的水進行分流。泄洪中孔進水口高程為1775.95 m，也位于左壩肩，這樣設計可以使水庫的運行更具靈活性。在現有防洪條件下，泄洪中孔在正常水位時的泄洪量為50 m3/s，需要和溢洪道一同使用。為了使其最大泄流量達到150 m3/s，設計了一條側槽式溢洪道，該溢洪道頂部高程1792 m，溢流長度達70 m。從該溢洪道流出的水將排入一條長239 m、直徑為4.5 m的泄洪洞。這幾座泄洪建筑物(泄洪中孔和側槽式溢洪道)是為了將泄流量提高到200 m3/s而設計的。但是，由于電站運行管理規范，加之匯水區總面積本身就不大，只有88.7km2，導致該溢洪道自建成之日起就不曾投入使用。匯水區由42.3km2的直接集水區和46.4km2的兩條支流匯水區組成。通過2條隧洞引水至水庫，這兩條隧洞分別長3.9km和7.2km。

KWG在1954年取得了格舍嫩壩的特許使用權，有效期至2043年。該特許權包括將水庫的正常蓄水位提升大約10 m。1992年、2006年和2008年，對大壩的加高進行了研究。研究結果表明:最經濟的方案就是將水庫蓄水位提高8 m，使其庫容增加15%。

1 格舍嫩壩

1.1 簡 介

格舍嫩心墻土石壩建于1957～1960年，為當時歐洲同類型大壩中最高(見圖1)，大壩有一個寬4.6～5.5 m的心墻。

圖1 大壩斷面

1.2 地基特性及其處理

巖基用灌漿帷幕封閉，該灌漿帷幕深達180 m，由單排鉆孔形成，鉆孔中心間隔6 m，在0.5～8MPa壓力(隨深度增大)下向鉆孔灌注黏土水泥灰漿。鉆孔平均每米消耗220 kg干黏土水泥灰漿。在心墻區和巖石壩肩之間的接觸處采用接觸灌漿，灌漿深達5～10 m。

心墻區、反濾區及過渡區的地基均為阿勒花崗巖，其平均單軸抗壓強度為87MPa，比重為2.66 g/cm3。覆蓋層需要開挖100萬m3。堆石壩肩建在70 m厚的沖積層及冰川層之上。右側壩基區建有直徑為45～48 cm、深39 m的排砂井，有利于礫石層里的細砂和泥煤層迅速固結。

1.3 壩 料

對于心墻土石壩來說，是否能夠獲得合適的心墻料至關重要。就格舍嫩壩而言，不僅在格舍嫩河谷，而且在烏里州其他地方都缺乏黏土。當地隨處可見的粉砂質沖積物不宜用作心墻料。然而，經計算，混凝土重力壩比心墻土石壩造價高50%。為此，需要尋找合適的心墻料。將瑞士其他地區的黏土和從意大利、美國采集到的鈉基膨潤土與當地巖屑和沖積土加以混合，研究其密封性，發現鈉基膨潤土的密封性能非常好，但在一定的水文地質條件下不穩定。因此，將瑞士北部霍爾德班克(Holderbank)地區天然沉積層里的一種黏土——Opalinus黏土選作添加劑。原壩90萬m3大壩心墻料中共摻加了20萬t Opalinus黏土，平均摻加比例為11% ～12%。

巖屑坡和沖積層上的石料被選作心墻料，通過振篩被劃分為3種級配:0～30 mm，30～100 mm和100～200 mm。先將粗顆粒與碎石混合，然后將細顆粒部分(0～30 mm)烘干，再將3種級配料混合成指定的級配，最后再加入Opalinus黏土粉(見圖2)。心墻料在采料場制備好，用固定式攪拌機按照7%～9%的最優配比加水攪拌后再運往大壩施工現場。當心墻料每攤鋪到30 cm厚時，用重35 t的滾筒碾壓6遍，而大壩施工區則用便攜式鋼蓋蓋好，如此一來，即使是在雨季也能確保心墻料的含水量保持不變。

圖2 壩料

對根據內部穩定性試驗設計的反濾料和過渡料也進行了對比，方法是將巖屑坡堆積層細分為3個等級，然后再加入添加劑混合攪拌成指定的級配(見圖2)。土石料則是通過將巖屑坡堆積層上超徑石塊(體積大于1 m3或邊長大于1.5 m)剔除，用余下的石料制備。然后分層(層厚2.5 m)填筑，每立方米石料加水150 L，該料區不再另外壓實。

1.4 施工情況

原壩用930萬m3的填料修筑而成，平均每月填筑50萬m3，最高70萬m3。大壩填筑的成本包括Opalinus黏土的成本和制備原料所需的各種安裝成本，平均約合10法郎/m3。

1.5 原壩的長期工況

開工以后，通過觀察地面55個沉降點、4條大壩力學沉降測鏈、12臺設置在灌漿廊道上游壩基上的水壓傳感器、11個設置在灌漿廊道下游側以及交通洞沿途安裝的排水監測點對原壩的工況實施監控。在心墻區和滲水區分別安裝了43臺和18臺振弦式壓力計，用以監測施工期和運行期心墻區孔隙水壓力的變化情況。然而，有一半的設備在5 a后受損。20 a后，所有的壓力計均無法使用。1983年和1993年，將這些設備都更換為卡爾森和Gl?tzl型傳感器，這些新設備運行良好，確保了大壩壓力狀況正常。

滲水量作為衡量心墻和灌漿帷幕效果好壞的重要指標，不管是在冰雪凍融期的春季還是在強降雨的秋季，都趨于穩定，其最大總滲水量為6 L/s。目前，壩頂每年沉降約為4 mm，且沉降值正逐漸減小。通過肉眼觀察，全年未發現大壩表面有因內部侵蝕滲水而導致的明顯塌陷。因此，可以認為該壩運行情況良好。

2 大壩加高

2.1 設計理念

原壩下游邊坡十分陡峭，坡比達1(V)∶1.45(H)，這種設計不能通過延伸陡坡來加高壩頂，而唯一可行的辦法是使用結構構件，比如石籠。然而，為了不破壞當地的景觀，在保留原壩外觀的基礎上，要求在壩頂上種草。鑒于此，心墻必須向大壩上游方向彎曲。為了使這種彎曲最小，需要挖掉部分原有心墻，使原心墻料與新心墻料之間形成一個傾斜的接觸面。這也是減少水平滲徑的一種最優的結構措施(見圖3)。

對原有的5 m超高進行了評價，同時還對洪水、雪崩或土崩、巖崩以及風浪產生的浪高和水位抬升情況進行了評估。評估后將加高后大壩的超高定為4.5 m。

最終，通過采取以下措施將水庫水位抬高8 m:

圖3 施工順序

(1)將超高降低0.5 m;

(2)填筑6.9 m高堆石使壩頂高程增高至1803.9 m;

(3)在上游壩頂邊緣處設置2排石籠(0.5 m×1.0 m，1.0 m ×1.5 m)，使超高增加0.6 m。

2.2 細部設計

將加高部分心墻區下游坡與壩肩的35°陡坡平行增高，不利于大壩的穩定。因此，該設計要求對心墻料、反濾料和填土區料的強度進行全面檢測，以證實各項穩定性判據可靠有效。為此，從大壩下游側的取土區采集了25 m3的石屑坡料作為樣品。將樣品料過篩，按要求粉碎，打包后送至葡萄牙里斯本的國家土木工程實驗室(LNEC)。實驗室對心墻料和反濾料樣品進行14項大型三軸試驗。

一些樣料被送到瑞士聯邦技術學院的巖土工程研究所(IGT)，該所對心墻料及反濾料進行了5項加荷三軸試驗，以研究在周期加荷期間孔隙水壓力增大的情況、剪切模量下降情況以及壩料的阻尼系數。

采用SIMQKE規范計算得出設計抗震(即地面加速度水平峰值為0.24 g、持續時間為17 s、采用歐洲規范8得出A型土壤的反應譜)的加速度-時間關系曲線圖。并將此結果用于QUAD=4M中生成的2D有限元壩型的基巖，用以進行非線性響應分析，并以此確定穿過壩頂的所選深層滑塊及淺層滑塊的加速度-時間關系曲線圖。抗震試驗期間滑塊的位移值可以通過運用紐馬克的滑塊測量法得出。基于材料殘余強度進行虛擬靜態分析可以得出屈服加速度，并能測出因阻力損失而產生的過量孔隙水壓力。對于格舍嫩壩加高工程而言，通過計算得出壩頂滑塊的位移值在0.5～1 m間都是可以接受的。因此，從設計抗震來看，加高后的大壩是安全可靠的。

2.3 大壩加高用料的選用

心墻料同樣是由石屑坡和取自霍爾德班克的Opalinus黏土粉末混合而成，現在的價格為156法郎/t。加高時，心墻料的最大粒徑降為40 mm，而黏土顆粒的含量提高了18%。1.5～2.8 m厚的反濾區根據現行排水濾層規程設計。由于加高后的壩頂寬度減少到5.5 m，因此，原壩過渡區、排水區和堆石區的作用都集中到堆石區(4a)上，而堆石區的最大顆粒粒徑已下降為60～200 mm。此舉對維持該區自由排水特性，以及對該區強度、填筑/壓實都很有利。上游壩肩用堆石料(4b)填充，而大壩表面則由拋石層覆蓋。

2.4 質量控制

工地實驗室對壩料進行質量控制，并對原壩進行實時監控。每填筑500 m3抽取一個心墻料和反濾料芯樣，在堆石(4a)區和(4b)區各填筑2000 m3和6000 m3分別抽取一個芯樣，用以控制填料的質量。用這些樣品定出細砂的原位密度、普式擊實值、比重(顆粒密度)、含水量，以及稠度極限值。此外，預計還要進行壓密試驗、砂塔試驗以及沃恩式反濾試驗;對堆石(4b)區，還要進行大型滲水試驗。

2.5 施工期大壩監測

施工期間，沿大壩軸線將大壩分為5個區，大壩原有心墻區的孔隙水壓力通過在這5個區內安裝的3臺壓力計來監控，這3臺壓力計分別安裝在高程1780，1785 m和1790 m處。而新心墻區的孔隙水壓力則通過2臺接觸式壓力計(老心墻區和新心墻區之間)來監控，心墻區的5臺壓力計和反濾區的3臺壓力計分別安裝在這5個區內。接觸區和上游心墻區在高程1797.5 m處的彎曲情況則用1臺三段式垂直位移測鏈來監控，同時測鏈可以監測最終發生的差異性位移情況。除了保留原有4臺沉降測鏈外，沉降測量的范圍將進一步擴大。

2.6 附屬建筑物

溢洪道、上調壓室都將根據大壩的加高而做出相應的調整。原有的側槽式溢洪道將在較高位置進行重建，新建的溢洪道額定溢流能力為240 m3/s。為此必須將側槽式溢洪道前50 m的溢洪槽直徑擴大。而泄洪中孔在汛期也不再使用，但會將其保留并升級，以適應水庫運行的靈活性需求。

原上調壓室將會擴建，即在高程1809.27 m處建一座新的調壓室。這座新調壓室通過一條直徑為2.8 m的豎井與原調壓室相連。新調壓室長60 m，直徑為4 m，與一條新修的長80 m的引水洞相連。除了通過未作硬性規定的例行檢修進行評估外，對該水電站其他所有建筑物的評估，主要涉及大壩加高、升級所產生的影響。

2.7 大壩加高施工情況

加高工程大約需要30萬m3壩料，每平方米平均要耗費21法郎(包括加工、運輸、填筑和壓實)，若算上安裝、進場道路、開挖、基坑開挖、灌漿、質量控制和大壩監測的費用，則成本約為52法郎/m3。這些費用占整個工程總費用的50%，工程總費用還包括附屬建筑物的改擴建、綠化、生態修復、細部設計以及現場監理費用。

3 結語與展望

格舍嫩壩的加高是根據最新技術發展水平(數值模型和實驗室研究)，充分考慮現行設計標準，評估并優化大壩原有結構(包括壩頂寬度、超高、坡度)來實現升級改造的一個范例。

大壩加高后，格舍嫩電站的庫容將增加15%，即增容到8700萬m3。增加的庫容并非用于發電，而是使需電高峰期間的發電更具靈活性。