上石盤電航樞紐泄洪閘基礎處理與消能防沖設計

鞏緒威,劉　勇,華鵬飛

(上海勘測設計研究院有限公司,上海　200434)

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上石盤電航樞紐泄洪閘基礎處理與消能防沖設計

鞏緒威,劉勇,華鵬飛

(上海勘測設計研究院有限公司,上海200434)

上石盤電航樞紐工程壩址地質條件差、泄洪流量大、運行工況及水力學條件復雜，采用覆蓋層大開挖巖基建閘結合消力戽消能的設計方案，較好地適應了閘址自然條件和樞紐的運用要求，節省了工程量和投資。經水力計算和模型試驗驗證，戽流消能在中、小洪水下泄時處在穩定水躍區運行，較大洪水下泄時對下游沖刷影響較小。

砂卵礫石覆蓋層；軟巖地基；基礎處理；閘室結構；戽流消能；水工模型試驗

1　工程概況

上石盤電航樞紐工程系嘉陵江干流廣元至蒼溪河段梯級開發的第1級，位于四川省廣元市境內，水庫總庫容6 860萬m3，正常蓄水位472.50 m，電站裝機容量30 MW，為Ⅲ等中型工程，擋水、泄洪及發電等永久性主要水工建筑物為3級建筑物。本工程為徑流式開發，電站水頭低，工程規模不大，但汛期洪峰流量大，泄水建筑物采用開敞式全閘布置，閘檻高程457.00 m，共13孔，其中靠近廠房3孔兼作沖砂閘，總長223 m ，單孔凈寬14 m，閘頂高程為476.00 m，最大閘高39 m。設計洪水流量(P=2%)Q=11 300 m3/s，校核洪水流量(P=0.5%)Q=14 200 m3/s，消能防沖設計洪水流量(P=3.33%)Q=10 300 m3/s。泄洪閘平面布置見圖1。

閘址區砂卵礫石覆蓋層厚度15～23 m，受長期采砂影響，松散層厚度2～18 m，下伏基巖由砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖組成。閘址區50 a基準期超越概率為10%的基巖水平地震動峰值加速度為0.108g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2　工程地質條件

閘址區砂卵礫石覆蓋層厚度15～23 m，其中上部松散層厚度2～18 m，承載力200～240 kPa；中部稍密層厚度0.0～10 m，承載力300～400 kPa；下部中密～密實層厚度0.0～5.6 m，承載力較高但分布不穩定。卵礫石層顆粒粒徑<5 mm占9.68%～14.22%，<2 mm占8.9%～5.64%， 2～80 mm占74.25%～82.0%，平均粒徑d50=35～37 mm，>80 mm占8.32%～11.54%，均勻性較差，滲透系數平均值k=2.62×10-2cm/s，屬中等～強透水，抗沖刷流速為1.5～2.0 m/s，沖刷系數1.4～1.5。

壩基巖體為中等～弱透水性，粉砂質泥巖透水率一般小于5 Lu，泥質粉砂巖透水率一般小于10 Lu，風化砂巖巖體裂隙較發育，透水率一般q=6～15 Lu。透水率q小于5 Lu的防滲線深度一般4.4～11.7 m。

圖1　泄洪閘平面布置圖　　單位：m

3　地基處理設計

3.1建基面選擇

針對本工程砂卵礫石覆蓋層地基承載力較低、變形和防滲問題突出的特點，可行性研究階段結合基礎防滲、下游消能擬定了4個基礎處理方案。

(1) 覆蓋層大開挖巖基建閘方案(方案1)：將砂卵礫石覆蓋層挖除，閘底板置于弱風化基巖上，采用分離式閘室結構，沿閘軸線總長為223 m，順水流向與消力戽連成整體，長37 m。消力戽半徑為7.5 m，挑角為45°，戽底高程446.50 m，坎后河床采用鋼筋混凝土護坦防護。

(2) 灌注樁基礎方案(方案2)：結合相關工程經驗，參考文獻[1]，依據《水閘設計規范》[2]和《建筑樁基技術規范》[3]，樁頂水平位移按不超過0.5 cm控制，經計算布置，C25鋼筋混凝土灌注樁樁徑1.2 m，間、排距為3.2 m×3.4 m，樁長12～18 m，總計594根，嵌巖深度不小于0.5 m。閘室結構為分離式，沿閘軸線總長為223 m，閘底板厚3 m，順水流向長27 m。上游設置鋼筋混凝土水平鋪蓋，厚2 m，長15 m，首端連接混凝土防滲墻，墻厚0.6 m，深12～20 m，入巖深度不小于0.5 m；下游采用底流消能，消力池深3 m，長50 m，底板厚2.5 m。

(3) 振沖擠密方案(方案3)：經對振沖擠密、高壓旋噴樁和靜壓灌漿地基處理方式進行了對比分析，由于覆蓋層孔隙率大、含砂率小，振沖擠密法較為經濟可靠。依據《建筑地基處理技術規范》[4]，振沖擠密法樁徑1.0 m，閘底板連同上、下游各5 m以內范圍，梅花形布置，樁距3.0 m，平均深17 m，填料采用最大粒徑不大于100 mm的砂卵石料。整體式閘室結構，沿閘軸線總長為235 m。閘底板順水流向長27 m，厚3 m。防滲處理及下游消能防沖措施同方案2。

(4) 換填墊層方案(方案4)：閘室結構布置基本同方案3，僅閘室底板順水流向長度加長為30 m，以滿足地基承載要求。依據《建筑地基處理技術規范》[4]，建基面高程454.00 m以下3 m厚砂卵石層要求挖除后，分層碾壓填筑級配良好的砂卵石。防滲處理及下游消能防沖措施同方案2。

從安全可靠性來看，巖基建閘在防滲和減少閘基變形方面最為可靠，結合大開挖形成的深尾水條件，消力戽消能對中小流量時消能效果更好；從施工條件分析，由于采砂后的卵礫石層砂含量<10%，粗大顆粒集中，穩定性差，造孔困難，覆蓋層處理施工工藝要求高，難度大；從工程量及投資方面來講，巖基建閘結合戽流消能方案最省。綜合以上技術經濟分析，選用方案1，閘室建基面選擇在基巖上。

3.2閘室結構調整

軟巖壩基修建混凝土閘壩，中國已有不少工程實例，如湖北葛洲壩(壩高53.8 m)，青海的蘇只(壩高51.6 m)、直崗拉卡(壩高42.5 m)等水電站，壩高40 m以下的則較為普遍。根據類似工程經驗，當軟弱巖層分布廣、厚度大時，通常調整閘壩結構，以適應軟巖基礎，使閘壩具有足夠的抗滑安全度，基礎反力盡可能均勻，減少不均勻變形。根據本工程壩址工程地質條件，考慮通過加大底寬，擴大基巖的接觸面，提高抗剪能力，分散基底應力，使上部結構與地基工作條件協調。結合戽流消能方式，閘底板順水流向與消力戽連成整體，長37 m，與閘壩高度相當，約為上下游水頭差的2.5倍，經穩定計算，抗滑穩定安全系數和基底應力均滿足要求。

一般情況下，常態混凝土壩的橫縫間距可為15～20 m，超過24 m或小于12 m時，應作論證；水閘閘室巖基上的分段長度不宜超過20 m，土基上的分段長度不宜超過35 m。本工程壩軸線方向上巖體質量存在不均性，橫縫間距適當增大，有利于減少不均勻變形[6]。隨著水利工程建設技術的發展，經采取較嚴的溫控措施后，可適當增加橫縫間距，如三峽大壩的左導墻壩段、縱向圍堰壩段寬度達32 m；基巖抗剪強度和彈模越低，對壩體的約束力越小，橫縫的間距也可適當增大。考慮到本工程閘室底檻高程與疏浚后上游河床高程相同，底板常年位于水下，年度溫度變幅小，結合以下溫控措施，橫縫間距適當增大。

(1) 堰體外形盡量平順，避免出現尖銳折角，建基面盡量修整平順。

(2) 堰體內部采用C10混凝土，單位水泥用量約150 kg，粉煤灰摻量約30%；通過改善骨料級配、摻用優質摻和料、選用低水化熱水泥、預冷骨料等綜合措施，降低混凝土澆筑溫度和水化熱溫度。

(3) 澆筑溫度大于0 ℃，日平均氣溫連續5 d穩定在5 ℃以下時，按低溫季節混凝土施工；夏季施工采取倉面噴霧冷卻措施，避免在6、7、8三個月內澆筑。

(4) 加強混凝土表面保護和早期養護；提高質量管理水平，嚴格控制施工質量。

結合穩定及基底應力計算，閘室底板厚度8～20 m，分縫設在底板上，邊墩厚2.5 m，中墩厚3 m，共7個閘段，總長223 m。兩邊閘段各1孔半處分縫，呈倒“F”形，垂直水流向長度26.5 m；中間閘段為1孔加兩半孔處設縫，呈倒“Π”形，垂直水流向長度34 m。縫內上游及頂面設1道銅片止水加1道橡膠止水，下游設1道橡膠止水，豎向止水均嵌入基巖50 cm。閘室結構典型剖面見圖2。

3.3地基開挖與灌漿

覆蓋層開挖后，先將出露巖石頂面凸凹不平部位鉆爆修平，然后采用梯段預裂爆破開挖。由于基巖軟弱、強度低，受擾動或遇水后容易惡化，建基面巖體采用預留保護層的方法開挖，厚度2.5 m，采用水平孔實施光面爆破。挖除保護層后，清理浮渣和排干積水，鋪設1層2～3 cm水泥砂漿封閉保護。

可行性研究階段為進一步提高基巖的抗壓強度和變形模量、增強基巖的均質性、降低基巖的透水性，對基巖全面進行固結灌漿處理。施工階段揭示基巖較完整，一般呈弱風化狀，貫穿性裂隙不發育，在下游護坦區進行12個試驗孔壓水試驗，入巖深度約8 m，透水率大部分小于3.0 Lu，因此，在考慮基底揚壓力不折減、閘室穩定和基巖承載滿足規范要求的情況下，僅對有巖層錯動帶、斷層破碎帶等缺陷的區域進行固結灌漿。為減少滲漏量和防止滲透破壞，在距壩上游面3 m增加設置1排帷幕灌漿，孔深10～15 m，孔距2 m，并要求在有混凝土蓋重下進行灌漿施工。

3.4沿閘室基底面的抗滑穩定計算

根據《水閘設計規范》[2]，對閘室進行基本組合和特殊組合下的抗滑穩定及基礎應力計算；考慮閘室底板厚度達20 m，按《混凝土重力壩設計規范》[5]，采用以分項系數極限狀態設計表達式進行抗滑穩定復核計算。計算閘段選取建基面高程443.50 m與437.00 m的邊孔和河床閘段。由于壩基僅設置防滲帷幕，未設置排水孔，因此不考慮壩基揚壓力折減。巖體抗剪斷摩擦系數f'=0.5，抗剪斷粘結力c=0.2 MPa(混凝土與巖體間略高)，按《水閘設計規范》[2]計算結果見表1(以河床閘段為例)，抗滑穩定安全系數和基底應力均滿足要求。按《混凝土重力壩設計規范》[5]復核計算，各種工況下作用效應均小于抗力，壩踵垂直未出現拉應力，基底壓應力均在允許承載力范圍內。

圖2　泄洪閘閘室結構典型剖面圖　　單位：m

表1　泄洪沖砂閘抗滑穩定及基底應力計算成果表

4　消能防沖設計

4.1消能防沖布置

4.2水力設計及水工模型試驗

4.2.1消能防沖計算

水力設計以運行區間為穩定戽流(允許部分處于淹沒戽流區)的原則選定戽斗尺寸并計算戽后的沖刷情況，計算采用《水力學計算手冊》[7]關于消力戽的計算相關公式。計算示意圖見圖3。

圖3　戽流消能計算示意圖

(1) 水流銜接計算

產生臨界戽流時，動量方程(戽底與河床不在同一高程)：

式中：ψ為流速系數，ψ=0.9；E為以戽底為基準面的上游斷面總水頭。

(2) 消力戽下游沖刷坑深度的估算

沖坑深度估算：

(2)

戽末端與沖坑最深點的距離：

(3)

式中：T為下游水位到沖坑底部的高差，m；d50為相應于級配曲線50%的對應粒徑，取0.035 m；Z為上下游水位差，m；t為從河床算起的沖坑深度，m。

首先求得臨界戽流時的共軛水深h2k，產生穩定戽流的界限水深ht1=σ1×h2k，σ1為第1淹沒系數，取值1.05～1.1；從穩定戽流進入淹沒戽流的界限水深ht2=σ2×h2k，σ2為第2淹沒系數，類比同類工程相關經驗，取值1.35～1.85，產生穩定戽流的條件ht1≤ht≤ht2。戽流計算成果(以坎后河床高程439.00 m為例)見表2。

表2　戽流計算成果表

注：括號內為河床按基巖情況。

計算成果表明，流態基本呈臨界戽流-穩定戽流-淹沒戽流，產生穩定戽流及淹沒戽流所對應的下游水位范圍較寬，且較穩定；坎后河床高程對淹沒度有所影響，由于尾水較深，對流態演變影響較小。

對消力戽下游沖刷坑深度，按照不同下泄流量對河床高程為439.00 m與445.50 m時分別按河床砂礫石、基巖2種條件下進行計算，計算成果表明下游河床為基巖時，沖坑深度為0～6 m，距戽坎大于26 m，滿足允許沖坑后坡ik=1/2.5～1/5沖刷影響范圍要求；下游河床為砂礫石時，當沖刷至基巖面時，深度不再大于按基巖計算情況。

4.2.2水工模型試驗

為驗證水力計算成果和水流流態及消能效果等，進行了樞紐整體模型和泄洪閘單體模型試驗。主要試驗成果結論如下。

(1) 根據文獻[8]，樞紐整體水工模型試驗，正態模型，模型比尺1∶100，模擬河段范圍為閘上游700 m、下游2 000 m。試驗表明：底流消能或戽式消能的閘下游水位銜接均較好，水面線較平穩；戽式消能下游局部最大沖深為6.5 m，距閘下130 m；底流消能下游局部最大沖深為2.3 m，距閘下210 m；戽式與底流消能均能滿足消能設計要求，不會給工程帶來明顯的不利。

(2) 根據文獻[9]，泄洪閘單體模型試驗，正態模型，模型比尺1∶50，3孔泄洪(沖砂)閘及下游100 m范圍。試驗表明：

1) 敞泄工況下流態穩定、水面波動小；局開工況下閘后河道底部存在漩渦區，漩渦強度隨著閘門開度增加而增加，各試驗工況最大臨底流速為1.1～5.3 m/s，最大平均流速為1.6～6.2 m/s。

2) 在正常水位閘門局開1 m工況下，堰面斜坡直線段上切點處存在2.35 kPa的負壓，其余測點均為正壓，溢流面流速約8 m/s，出現空蝕破壞的可能性很小。

3) 在校核、設計及正常水位閘門開度小于5 m工況運行，沖坑均未到達基巖；在正常水位局開7 m及9 m工況，基巖沖刷深度為1.0～1.5 m；受閘后回流的影響，覆蓋層泥沙出現回淤。

5　結　語

嘉陵江上石盤電航樞紐工程于2013年10月21日開工，2016年2月3日2臺機組全部并網發電，2016年6月底完工。經對下閘蓄水后的觀測資料分析，泄洪閘閘室變形在設計及規范允許范圍內，下游消能防沖情況正常。

[1]邱敏,鹿寧,鮑呈蒼,等.樁基在多布水電站廠房深覆蓋層地基中的應用[J].西北水電，2014(01)：44-48.

[2]中華人民共和國水利部.水閘設計規范:SL 265-2001[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑樁基技術規范:JGJ94 -2008[S].北京: 中國建筑工業出版社，2008.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基處理技術規范:JGJ79 -2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5]國家電力公司華東勘測設計研究院.混凝土重力壩設計規范:DL 5108-1999[S].北京：中國電力出版社，2000.

[6]周建平,鈕新強,賈金生.重力壩設計二十年[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[7]李煒.水力計算手冊[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

[8]武漢大學.嘉陵江上石盤電航樞紐工程水工泥沙整體模型試驗研究報告[R].2011.

[9]四川大學.嘉陵江上石盤電航樞紐工程水工單體模型試驗研究報告[R].2013.

Foundation Treatment and Design of Energy Dissipation and Scouring Prevention of Flood Sluice, Shangshipan Project

GONG Xuwei, LIU Yong, HUA Pengfei

(Shanghai Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai200434,China)

As the weak geological condition at dam site, high flood discharge, complicated operating and hydro-mechanic conditions of Shangshipan project, the design featuring large overburden excavation, gate built on bedrock and bucket energy dissipator satisfies the natural conditions at gate site and requirements of the project operation as well as both work quantity and investment are reduced. Through hydraulic calculation and model test verification, the bucket flow energy dissipation can operate in the stable hydraulic jump area when both large and small floods are discharged. The larger flood discharged slightly scours the downstream.Key words:overburden of sand, cobble and gravel; soft rock ground; foundation treatment; chamber structure; flow energy dissipation; hydraulic model test bucket gate

1006—2610(2016)04—0038—06

2016-03-11

鞏緒威(1969- )，男，江蘇省邳州縣人，高級工程師，主要從事從事水利水電工程設計工作.

TV223;TV653

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.010