吉沙水電站首部樞紐攔河壩設(shè)計(jì)

李 猛，劉玉哲，王 玨

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京 100024；2.中國(guó)大唐集團(tuán)公司，北京 100032）

1 攔河壩總體布置

吉沙水電站是一座以發(fā)電為主的水利樞紐工程，為三等中型工程。工程由首部樞紐、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、高壓管道和地面發(fā)電廠房等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位3 132 m，死水位3 123 m，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站首部樞紐區(qū)兩岸山勢(shì)陡峻，河道狹窄，崩坡積體發(fā)育，攔河壩布置空間局促。

攔河壩壩頂高程3 137 m，最大壩高36.2 m（表孔壩段），壩頂總長(zhǎng)78.55 m，共分為5個(gè)壩段，從右岸至左岸依次為：1號(hào)右岸非溢流擋水壩段、2號(hào)表孔溢流壩段 （布設(shè)2個(gè)表孔）、3號(hào)泄洪沖沙底孔壩段 （布置1個(gè)底孔和1個(gè)沖沙孔）、4號(hào)左岸非溢流擋水壩段、5號(hào)左岸連接壩段。

2 攔河壩各壩段設(shè)計(jì)

2.1 右岸非溢流壩段設(shè)計(jì)

右岸非溢流壩段軸線長(zhǎng)22.3 m，樁號(hào)范圍為右壩橫0+020.500～右壩橫0+042.800。壩頂高程3 137 m，建基面高程3 103 m，壩高34 m。壩頂寬8 m，上游側(cè)有牛腿，布置防浪墻，下游側(cè)設(shè)欄桿。首部樞紐配電室布置于壩頂，設(shè)計(jì)為2層混凝土框架結(jié)構(gòu)。按混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、低熱等性能指標(biāo)，對(duì)壩體不同部位、不同工作條件的混凝土進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計(jì)。該壩段未設(shè)橫縫，設(shè)計(jì)為一整體。

右岸非溢流壩段與表孔壩段和右岸邊坡相接，壩體橫縫設(shè)有止水。與表孔壩段相接上游橫縫共設(shè)置了兩道止水，第一道為U形銅止水片，第二道為橡膠止水帶，距堰面分別為50 cm和80 cm。各止水自成封閉止水系統(tǒng)。

2.2 表孔壩段設(shè)計(jì)

表孔溢流壩段布置在河床部位，壩段軸線長(zhǎng)20.5m，樁號(hào)范圍為0+000.00～右壩橫0+020.500。壩基面高程3 100.8 m，壩頂高程3 137 m，溢流壩段共設(shè)兩個(gè)表孔，每孔寬8 m，表孔閘墩厚1.5 m。該壩段未設(shè)橫縫。

表孔采用無(wú)閘門(mén)控制的自由溢流表孔，采用開(kāi)敞式WES溢流堰，其曲線方程為x1.85=6.221y。堰面曲線原點(diǎn)高程3 132.0 m，終點(diǎn)高程3 127.789 m，與坡比為1∶0.75的斜直溢流面相切，下接反弧段。反弧末端與消力池底板相接。

表孔壩段壩根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及監(jiān)測(cè)需要，設(shè)有帷幕灌漿排水廊道和監(jiān)測(cè)廊道，廊道斷面為城門(mén)洞形。表孔與其相鄰的右非壩段和排沙底孔壩段的橫縫及縱縫均設(shè)有止水。上游橫縫設(shè)置兩道止水，第一道為U形銅止水片，第二道為橡膠止水帶。堰面與底孔壩段設(shè)一道U形銅止水片進(jìn)行連接。堰體和消力池結(jié)合處縱縫設(shè)有一道U形銅止水片，在廊道穿縫處設(shè)置一道橡膠止水帶。各止水自成封閉止水系統(tǒng)。

2.3 泄洪沖沙底孔壩段設(shè)計(jì)

泄洪沖沙底孔壩段段長(zhǎng)11.5 m，樁號(hào)范圍為0+000.00～左壩橫0+011.50。由于該壩段兼具水庫(kù)排沙和宣泄洪水的作用，故設(shè)有1個(gè)泄洪底孔和1個(gè)沖沙孔，布置在河床部位。采用混凝土重力壩，壩頂高程3 137 m，壩頂寬8 m，最大壩高36 m，上游壩面為鉛直面，下游壩坡為1∶0.75，壩頂設(shè)牛腿，其上游面設(shè)防浪墻，該壩段未設(shè)橫縫。

底孔由進(jìn)口有壓段、明流段組成，孔口尺寸為4 m×4.5 m （寬×高）， 進(jìn)口底板高程3 112.0 m。 壓力進(jìn)口段采用喇叭口形式，頂面由部分橢圓曲線和與其相切的直線段組成，頂面橢圓方程為x2/7.52+y2/2.52=1，直線段坡比取1∶4.5；兩側(cè)面采用1/4橢圓曲線，方程為x2/2.852+y2/0.952=1，底面為平底，事故閘門(mén)與工作弧門(mén)之間的頂面采用1∶4的壓坡，保證壓坡段不產(chǎn)生負(fù)壓。

沖沙孔由進(jìn)口壓坡段、有壓段組成，孔口尺寸1 m×1.5 m （寬×高），進(jìn)口底板高程3 112 m。事故閘門(mén)與工作弧門(mén)的前端頂面采用1∶4.5的壓坡。

泄洪沖沙底孔壩段下游側(cè)3 130 m高程布置底孔工作閘門(mén)啟閉機(jī)室，壩頂3 137 m高程布置底孔事故閘門(mén)啟閉機(jī)室。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置的需要，該壩段設(shè)有帷幕灌漿排水廊道，斷面為城門(mén)洞形，尺寸為2.5 m×3.0 m （寬×高）， 底高程為3 106 m。

底孔與表孔壩段和左非溢流壩段間的橫縫設(shè)有止水。上游橫縫共設(shè)置兩道止水，第一道為U形銅止水片，第二道為橡膠止水帶。與消力池結(jié)合處縱縫設(shè)有一道U形銅止水片，在廊道穿縫處設(shè)置一道橡膠止水帶，各止水自成封閉止水系統(tǒng)。

2.4 左岸非溢流壩設(shè)計(jì)

左岸非溢流壩段軸線長(zhǎng)14.5 m，樁號(hào)為左壩橫0+011.50～左壩橫0+026.00。壩頂高程3 137 m，建基面高程3 105 m，壩高32 m，頂寬8 m，上游設(shè)牛腿、防浪墻。壩體未設(shè)橫縫。

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及監(jiān)測(cè)的需要，在樁號(hào)壩下0+004.25處設(shè)有帷幕灌漿排水廊道和豎井，豎井?dāng)嗝鏋榫匦危叽鐬?.5 m×2.5 m；豎井頂部下游側(cè)設(shè)水平橫向廊道，底高程3 117.5 m，中心線樁號(hào)為左壩橫0+013.750，通向下游壩面，并在下游面布置廊道進(jìn)口，斷面為城門(mén)洞形，尺寸為2.5 m×3.0 m（寬×高），底高程3 106 m。

左非壩段與左岸連接壩段和底孔壩段的橫縫設(shè)有止水。上游橫縫共設(shè)置兩道止水，第一道為U形銅止水片，第二道為橡膠止水帶。在廊道穿縫處設(shè)置了一道橡膠止水帶。

2.5 左岸連接壩段設(shè)計(jì)

左岸連接壩段與2號(hào)上壩公路相連，壩段軸線長(zhǎng)9.75 m，頂寬8 m，樁號(hào)為左壩橫0+026.00～左壩橫0+035.750。壩頂高程3 137 m，建基面高程3 128 m，大部分壩高為1.3 m，最大壩高9 m。上游壩面為鉛直面，下游壩坡為1∶0.75。壩頂上游側(cè)布置防浪墻，下游側(cè)布置欄桿。

左岸連接壩段與左非壩段和左岸邊坡相接的壩體橫縫設(shè)有止水。上游橫縫共設(shè)置兩道止水，第一道為U形銅止水片，第二道為橡膠止水帶。各止水自成封閉止水系統(tǒng)。

3 攔河壩基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

壩基開(kāi)挖在考慮基礎(chǔ)加固處理后，以在滿足壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定的基礎(chǔ)上同時(shí)減少開(kāi)挖量為設(shè)計(jì)原則， 基坑的形狀根據(jù)地形地質(zhì)條件及上部結(jié)構(gòu)的要求確定，保證壩段的基礎(chǔ)面上、下游高差不至過(guò)大，并略傾向上游。

根據(jù)地質(zhì)資料和工程類比，覆蓋層及全、強(qiáng)風(fēng)化層開(kāi)挖邊坡采用1∶1.5；弱風(fēng)化層采用1∶0.5。

3.1 壩基開(kāi)挖

右岸非溢流壩段基礎(chǔ)坐落于3 103.00、3 122 m高程兩個(gè)平臺(tái)上，坡比為1∶0.5。溢流表孔壩段基礎(chǔ)坐落于3 100.30 m和3 103.00 m高程平臺(tái)上，坡比為1∶0.5。泄洪沖沙底孔壩段位于主河床部位，基礎(chǔ)平臺(tái)高程3 105.00 m，坡比為1∶0.5。左岸非溢流壩段基礎(chǔ)平臺(tái)高程3 122 m，坡比為1∶0.5。左岸連接壩段邊坡開(kāi)挖坡比為1∶0.5，未設(shè)馬道。

3.2 固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)

為提高壩基的完整性和均勻性，消除爆破對(duì)巖體的不利影響，改善基礎(chǔ)質(zhì)量，對(duì)壩基進(jìn)行了全面固結(jié)灌漿。考慮工程壩基地質(zhì)條件、施工布置條件等，采用壩基接觸灌漿與固結(jié)灌漿相結(jié)合的方式，即利用固結(jié)灌漿孔進(jìn)行壩基的接觸灌漿。固結(jié)灌漿范圍除壩基和消力池基礎(chǔ)部分外，上游進(jìn)水口沖沙孔范圍也作為擴(kuò)大的固結(jié)灌漿區(qū)。

固結(jié)灌漿孔深分為5 m和8 m兩種，壩踵區(qū)、斷層及其影響范圍內(nèi)的孔深為8 m，其余部位孔深5 m。采用梅花形布置，壩基范圍內(nèi)孔、排距均為3 m；范圍外孔、排距均為4 m。

壩基固結(jié)灌漿要求在有3 m厚混凝土蓋重層的條件下進(jìn)行。實(shí)際施工時(shí)，為解決固結(jié)灌漿施工與混凝土澆筑上升之間的矛盾，大多數(shù)固結(jié)灌漿孔是在混凝土蓋重層厚度大于3 m的條件下進(jìn)行的，少數(shù)在1 m左右的條件下進(jìn)行。設(shè)計(jì)最大固結(jié)灌漿壓力為0.5 MPa。

3.3 防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）壩基滲流控制設(shè)計(jì)。大壩基礎(chǔ)采用垂直帷幕灌漿和排水孔幕相結(jié)合的滲控方案。為防止發(fā)生繞壩滲流，破壞左右岸山體穩(wěn)定，在左岸山體內(nèi)布設(shè)45 m深的灌漿平洞、在右岸采用明灌的方式將上游帷幕灌漿線延伸至兩岸山體內(nèi)的地下水位線處，從而有效地延長(zhǎng)了上游滲水的滲透路徑，降低了滲透坡降。

（2）防滲帷幕設(shè)計(jì)。該工程表孔壩段最大壩高36.2 m，上游最大水頭30 m，下游最大水頭7 m，設(shè)置橫向帷幕灌漿廊道組成防滲排水系統(tǒng)。由于下游水位較低，未設(shè)置下游防滲排水帷幕。透水率要求為：河床及兩壩肩灌漿后透水率≤3 Lu；兩岸灌漿平洞范圍內(nèi)要求透水率≤5 Lu。大壩基礎(chǔ)上游帷幕采用單排孔帷幕，防滲帷幕在基礎(chǔ)灌漿排水廊道內(nèi)進(jìn)行鉆灌。防滲帷幕布置于距上游面3.5 m處的上游基礎(chǔ)灌漿排水廊道內(nèi)，孔距為2 m，基巖內(nèi)孔深25 m。根據(jù)大壩帷幕灌漿試驗(yàn)報(bào)告，將帷幕灌漿壓力調(diào)整為2.5 MPa。

（3）壩基排水設(shè)計(jì)。排水孔布設(shè)在壩體灌漿排水廊道內(nèi)，上游帷幕灌漿排水廊道前的壩體滲漏水、壩基滲漏水均排至大壩集水井。排水孔布置在主防滲帷幕下游側(cè)2 m，孔距3 m，巖石下孔深12 m。在表孔壩段中部設(shè)置大壩滲漏集水井，底高程3 102.40 m，采用機(jī)械抽排方式，通過(guò)在表孔中預(yù)埋排水鋼管輸入到集水井并抽排到壩體上游庫(kù)區(qū)。

4 攔河壩樞紐區(qū)邊坡設(shè)計(jì)

4.1 右岸邊坡設(shè)計(jì)

右岸邊坡完全開(kāi)挖后總坡高為122 m，屬高～超高邊坡。其中，3 103 m高程以上設(shè)計(jì)邊坡坡比為1∶0.5， 3 122、 3 136.1、 3 158、 3 178、 3 198 m 高程分別設(shè)置2 m寬的馬道；3 198 m高程以上設(shè)計(jì)邊坡坡比為1∶0.3。右岸有一吉沙溝，在邊坡上設(shè)一截水溝。

整體邊坡采用系統(tǒng)支護(hù)和排水。在3 199～3 222 m高程邊坡段中，出現(xiàn)2條卸荷裂隙，其單條寬度均為20 cm，長(zhǎng)30余m，傾向坡內(nèi)，傾角約70°，平行坡面展布，深度不詳，張開(kāi)無(wú)充填。對(duì)卸荷裂隙進(jìn)行灌注砂漿封閉處理，同時(shí)采用長(zhǎng)9 m，φ22@3 m×3 m長(zhǎng)錨桿束支護(hù)，錨入巖石8.9 m，并加強(qiáng)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

4.2 左岸邊坡設(shè)計(jì)

左岸邊坡開(kāi)挖在滿足上部建筑物結(jié)構(gòu)和功能輪廓尺寸的要求下，為保證邊坡穩(wěn)定，以1∶1～1∶1.5的坡比進(jìn)行開(kāi)挖，并沿3 137、3 150、3 170 m高程設(shè)2 m寬?cǎi)R道。

整體邊坡采用系統(tǒng)支護(hù)和排水。壩下0+050.00～壩下 0+130.00處，3 117.0～3 200.0 m高程邊坡采用網(wǎng)格梁支護(hù)，網(wǎng)格梁采取3.30 m×4.30 m城門(mén)洞形布置，尺寸為30 cm×40 cm。在3 150 m高程以下網(wǎng)格梁節(jié)點(diǎn)處加設(shè)1 600 kN錨索，間排距6 cm×13 cm。在壩0+000.00～壩下 0+130.00，3 117 m高程處設(shè)置混凝土擋墻。擋墻與護(hù)坡網(wǎng)格梁之間回填C10三級(jí)配混凝土。

5 結(jié)語(yǔ)

吉沙水電站首部樞紐攔河壩設(shè)計(jì)在前期大量論證、多方案比較的基礎(chǔ)上，最終選擇了本文所述的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)深化調(diào)整后的樞紐布置既充分適應(yīng)了地形地質(zhì)與建設(shè)條件，也體現(xiàn)了水電技術(shù)的發(fā)展；不僅樞紐建筑物形式簡(jiǎn)單、布置合理， 而且技術(shù)可靠、安全經(jīng)濟(jì)，為在河道狹窄、邊坡陡峻的河流上布置樞紐建筑物積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為類似工程提供參考。