雙江口水電站泄洪系統的關鍵技術問題及解決方案

張 巖， 肖 培 偉， 邢 丹

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 馬爾康 624005)

雙江口水電站泄洪系統的關鍵技術問題及解決方案

張 巖， 肖 培 偉， 邢 丹

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 馬爾康 624005)

泄洪系統的設計功能，與大壩、引水發電系統相比，受重視的程度仍然不夠，進度上一般作為次要關鍵線路考慮，現場管理力量的配置也相對薄弱。鑒于雙江口水電站泄洪系統工程規模大、設計標準高、施工難度大、質量控制嚴的情況，參建各方技術人員應經常深入現場，掌握高邊坡、地下洞室開挖揭露的巖石地質條件及結構面特征，與原地勘資料對比分析，結合監測資料進行穩定性復核，為下一步施工制定更有針對性、更經濟合理的設計方案。

泄洪系統；招標設計；關鍵技術；對策

1 工程概況

雙江口水電站是大渡河流域水電規劃“3庫22級”開發方案的第5級，位于四川省阿壩州馬爾康市、金川縣境內大渡河上源足木足河、綽斯甲河匯口以下約2 km河段。壩址處多年平均流量504 m3/s，水庫正常蓄水位2 500 m，總庫容為28.97億m3，具有年調節能力。

雙江口水電站樞紐工程由攔河大壩、引水發電系統、泄洪建筑物等組成，其中泄洪系統布置格局為右岸布置1條洞式溢洪道、1條深孔泄洪洞和1條利用中期導流洞改建的泄洪放空洞，左岸布置1條利用后期導流洞改建的豎井泄洪洞[1]。

2 工程地質

2.1 地形地貌

泄洪系統區河流總體由S45°～60°E流入，折向近E流出，枯水期河水面寬33 m～93 m，正常蓄水位2 500 m高程對應谷寬595 m。河谷屬高山深切曲流河谷，發育于花崗巖體中，兩岸山體雄厚，谷坡陡峻，臨河坡高1 000 m以上。自然坡度左岸35～50°、右岸45～60°，坡面基巖裸露，植被較發育。

2.2 地質條件

3 設計方案

3.1 總體布置

泄洪建筑物的布置型式、結構尺寸及泄量量指標詳見表1。

3.2 體型結構

3.2.1 洞式溢洪道

由進口段、無壓洞段、明槽段和出口挑流鼻坎段組成，總長2 172 m；過流區采用C9040或C9050高強抗沖耐磨混凝土；進口洞臉邊坡最大開挖高度約179 m，出口洞臉邊坡最大開挖高度132 m。

3.2.2 深孔泄洪洞

采取短有壓進口接無壓隧洞形式，由岸塔式進口、無壓隧洞、挑流鼻坎組成，縱剖面采用一坡到底的直坡型式；無壓隧洞全長2 022 m，過流區采用C9040或C9050高強抗沖耐磨混凝土；進口洞臉邊坡最大開挖高度110 m，出口兩側邊坡最大開挖高度100 m。

3.2.3 豎井泄洪洞

由短有壓進口、無壓隧洞上平段、渦室、豎井、無壓隧洞下平段及出口挑流鼻坎組成，下平段無壓隧洞全長990 m；無壓上平段過流區采用C9035抗沖耐磨混凝土，其余過流區采用C9040或C9050抗沖耐磨混凝土；進口邊坡開挖高度約45 m，出

表1 泄洪建筑物工程特性表

口邊坡與尾水出口邊坡結合布置。

3.2.4 放空洞

采用有壓隧洞接無壓隧洞型式，由進口段、有壓隧洞段、閘門豎井段、工作閘室段、無壓隧洞段及出口段組成；有壓隧洞總長419 m，無壓隧洞段總長1 530 m；過流區采用C9040或C9050抗沖耐磨混凝土；進口豎井邊坡最大開挖高度75 m、出口兩側邊坡最大開挖高度115 m。

4 關鍵技術問題及解決方案

本工程壩址河谷狹窄、壅水水頭高，泄洪最大水頭約250 m，最大泄洪流量為8 102 m3/s，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的設計特點，同時具有“高海拔、高寒、高應力”的地理環境特點，決定了工程本身仍有一些關鍵技術問題需要深入研究，并制定相應的對策措施。

4.1 右岸出口片區施工問題

右岸泄洪系統出口片區邊坡陡峭、地形狹窄，明槽段、挑流鼻坎及出口段連成一片，洞臉及兩側邊坡開挖高度在100 m～130 m之間，土石方開挖總量約130萬方，混凝土澆筑總量約16萬m3，上、下施工作業面高差超過200 m，存在明顯的平面、立體交叉干擾，該部位施工通道布置難度大、工期要求緊，直接影響出口片區施工效率及場內交通總體規劃布局。

招標階段提出了該部位施工通道的設計標準及推薦方案，設計等級為場內三級，荷載等級為汽-40；結合現場地形條件及設計技術要求，推薦方案路線縱坡不超過9%，最小平曲線半徑15 m，單車道路面寬度4.5 m，滿足《水電水利工程場內施工道路技術規范》(DL/T5243-2010)中場內三級公路其他技術參數要求，規劃路線總長2.9 km[2]，具體由承包人自行設計、施工。該施工通道主線應滿足通往泄洪出口建筑物、過壩交通12號隧道出口的要求，支線應滿足至泄洪出口片區開口線高程的要求，存在突破設計技術標準和路基高邊坡、高擋墻引起的施工難度、投資增加及部分部位不具備路線成型條件等風險。

因此，要充分利用承包人進場開展準備工作的有限時間，業主代表應組織參建各方測量、地質、施工等專業技術人員現場踏勘，結合現場地形、地質及施工條件，依據路線特征部位現場放樣成果，對承包人自行設計施工通道的設計方案進行復核研究。依據現場實測放樣成果及技術要求，督促承包人對道路總體設計方案進行優化調整，即充分利用規范關于“條件受限施工交通最大縱坡可增加1%～2%”的要求，轉彎路段橫斷面設計采用最大限度的超高、加寬方案，路基橫坡較陡路段以高擋墻為主、路基橫坡較緩路段以開挖為主，確保路線平、縱、橫三要素滿足設計要求。同時，研究沿河布置攔渣設施、提前施工機械便道至開挖工作面、落實灑水降塵措施，實施自上而下拋渣施工的可行性。最終，從安全、環保及經濟的角度進行綜合比選、并經專家咨詢評審后，確定該部位的實施方案。

4.2 高地應力區巖爆防治

泄洪系統地處高地應力區，實測最大主應力變化于20 MPa～30 MPa之間，最大主應力達38 MPa?！端Πl電工程地質勘查規范》(GB50287-2006)根據圍巖強度應力比(即為巖石飽和單軸抗壓強度與最大主應力的比值)對巖爆等級進行劃分，并提出不同等級巖爆的主要現象，依據該規范判定本工程巖爆分級以中等巖爆為主、局部為強烈巖爆。鑒于巖爆發生機理、控制因素及治理措施等暫無一致認同的觀點和方法，因此，高地應力區巖爆防治是本工程需要解決的關鍵技術問題。

受現場地形及布置條件限制，招標階段泄洪系統的洞線選擇、斷面形狀及支護方案并未針對巖爆影響進行專項設計，提出由承包人根據經驗制定巖爆防治措施。施工準備階段，委托設計單位開展高地應力區長、大洞室的巖爆防治措施專題研究，并組織有關技術人員開展高地應力區地下洞室施工的專題調研，作為本項目實施前的技術儲備。

實施過程中，主要從預測預報、前期預防、優化開挖方案、加強支護等方面入手，控制和減小巖爆發生的概率。采用圍巖強度應力比法、綜合地質分析法，并利用微震監測技術對洞壁圍巖微裂隙發展情況進行實時監控，預判巖爆發生的可能。針對強烈巖爆，采取高壓噴水、打應力釋放孔，降低圍巖應力、改變圍巖變形特征。開挖過程中，優先采用多臂鉆鉆孔，避免突發性巖爆引起的人身傷亡事故，采用光面爆破、淺孔多循環、嚴格控制單響最大藥量及分部導洞開挖方案，減少圍巖應力集中。充分利用開挖后6小時內巖爆發生概率較小的有利時機，加快實施柔性噴錨支護，優先采用徑向錨桿、水脹式錨桿及鋼纖維混凝土；強烈巖爆區柔性支護完成后，為避免再次出現塌方、掉塊，洞室頂拱可鋪設主動防護網進行被動臨時防護[3]，能夠取得較好的防護效果。

4.3 高標號抗沖耐磨混凝土

本工程泄洪期間的最大下泄流速達46 m/s，高速水流的長期沖蝕、氣蝕、磨蝕極易導致過流區混凝土出現破壞，后期修補難度大、造價高且質量難以保證，因此，高標號抗沖耐磨混凝土配合比設計是本工程要解決的關鍵技術問題。

可研階段，結合泄洪系統運行條件及工況，開展了水力學模型試驗及抗沖耐磨混凝土試驗研究工作。針對高速水流氣蝕破壞，采取適應水流流態的流線形設計，并增設摻氣坎、補氣洞等設施。針對高速水流的沖蝕、磨蝕破壞且骨料強度偏低，提出了抗沖耐磨混凝土的設計要求，如：進口及有壓洞身段過流面采用C40高強混凝土，無壓洞段、豎井及出口段過流面采用C50高強混凝土。

招標設計方案評審過程中，有關專家提出了延長混凝土齡期、采用硅粉混凝土及增設環氧涂層等措施，確保配置混凝土的力學指標滿足設計要求。結合泄洪系統工程招標、進場工作計劃，將委托設計單位編制高標號抗沖磨混凝土研究試驗大綱，利用料場開采料或前期洞挖料、明挖料，現場取樣進行抗沖磨混凝土的復核性試驗。同時，委托國內相關科研單位開展高標號抗沖磨混凝土對比試驗研究工作，充分利用當地骨料，通過采用新材料或新技術優化前期配合比試驗研究成果。

4.4 過流面混凝土質量控制

國內已建工程泄洪建筑物運行的實踐表明，絕大部分泄洪建筑物的過流面混凝土出現不同程度的破壞，個別工程甚至由于過流面混凝土的嚴重破壞而影響正常運行，主要原因是過流面混凝土的表面質量缺陷及結構混凝土體型控制不達標引起混凝土表面沖蝕破壞加劇。

招標階段，雙江口針對過流面混凝土的質量控制提出相應技術要求，并強調了過流面混凝土表面質量及結構體型控制的重要性。過流面混凝土的表面質量問題主要表現在蜂窩、麻面、氣泡、局部不密實、表面裂縫等缺陷上，結構體型控制問題主要表現在不平整、錯臺、線形不滿足設計要求等方面。

實施過程中，針對過流面混凝土的質量控制應重點做好事前預防、事中管控、事后處理。事前預防，即：要求承包人制定過流面混凝土施工及表面保護專項方案，采用定型模板或滑膜施工，并使用合適的運輸、入倉設備，預防過流面混凝土出現質量問題。實際過程即加強原材料、中間產品及混凝土拌合物的質量檢測，加強鋼筋、模板、澆筑、收面工序的過程控制，特別重視冬夏兩季混凝土的澆筑溫度控制及表面保溫保濕[4]，保證混凝土的成型質量。事后控制，即遵循“邊施工、邊檢查、邊處理”的原則及時對過流面混凝土的質量缺陷處理，表面缺陷、不平整經打磨或鑿毛后采用環氧砂漿或環氧膠泥抹面處理，局部不密實、表面裂縫經鑿除表面混凝土后采用環氧砂漿或環氧膠泥塊置換并灌注聚氨酯材料填充密實。

對于過流面混凝土的模板、澆筑、收面、缺陷處理等重要工序應定人、定工具、定設備，承包人嚴格落實“三檢制”，監理實施全過程旁站監督，設計單位針對不同流速分區提出缺陷處理技術要求，由建設單位牽頭成立過流面混凝土質量控制QC小組，嚴格執行“一倉一總結”。

4.5 泄洪霧化影響區邊坡穩定

泄洪系統“水頭高、泄量大、流速快”決定了運行期間水流摻氣、散裂和水舌高速下落產生的激濺，形成霧化流，受上游大氣來流、水舌風及下游地形條件的綜合影響，在樞紐區附近形成密集雨霧。國內已建工程由于泄洪霧化影響導致河道邊坡滑坡、塌方及由此改變水庫運行方式的案例較多，因此，泄洪霧化引起的高邊坡安全穩定是本工程的技術難題[5]。

可研階段，設計單位委托中國水利水電科學研究院開展泄洪霧化影響專題研究，結合二灘水電站泄洪霧化原型觀測資料，對泄洪霧化影響范圍、降雨強度進行預測。結合可研階段研究成果及設計邊界條件，對霧化影響范圍內高邊坡的安全穩定進行復核計算，初步制定了加固、防護、排水等綜合處治方案。

下一步，將針對泄洪霧化影響區主要邊坡開展補充地勘工作，加深對霧化區邊坡地質條件的認知，并結合泄洪霧化模型試驗和原型觀測資料，對初步設計方案進行進一步的深化和細化，結合現場地形、地質條件及影響程度，分區域確立霧化區邊坡處治設計標準，補充霧化影響因素監測設計，制定有針對性的霧化區邊坡處治方案。

5 結 語

泄洪系統的設計功能，與大壩、引水發電系統相比，受重視的程度仍然不夠，進度上一般作為次要關鍵線路考慮，現場管理力量的配置也相對薄弱。鑒于雙江口水電站泄洪系統工程規模大、設計標準高、施工難度大、質量控制嚴的情況，參建各方技術人員應經常深入現場，掌握高邊坡、地下洞室開挖揭露的巖石地質條件及結構面特征，與原地勘資料對比分析，結合監測資料進行穩定性復核，為下一步施工制定更有針對性、更經濟合理的設計方案。

高邊坡的安全穩定、地下洞室圍巖的穩定以及高地應力區巖爆等均具有復雜和不確定性的特點，利用“智慧工程”的智能預警與智慧決策系統，應用信息化技術手段，能充分獲取監測、試驗信息，以指導施工，優化施工程序、確定施工時機、評價穩定狀態、優化設計方案，為安全預警、現場組織及宏觀決策提供依據。

[1] 雙江口水電站可行性研究報告[R].中國電建集團成都勘測設計研究院,2012.

[2] 水電水利工程場內施工道路技術規范(DLT5243-2010).

[3] 楊安林,趙桂連.錦屏輔助洞工程巖爆特征和綜合防治[J].人民長江,2009,40(8):47～48.

[4] 陳葉文,段亞輝.溪洛渡泄洪洞有壓段圓形斷面襯砌混凝土溫控研究[J].中國農村水利水電,2009,(5):116～119.

[5] 大渡河瀑布溝水電站溢洪道陡槽段霧化邊坡穩定性研究[D].成都理工大學,2007,呂輝.

(責任編輯：卓政昌)

[TM622]；N945.2；TV551.1+6

B

1001-2184(2017)02-0140-04

張 巖(1981-)，男，遼寧錦州人，畢業于三峽大學水利水電工程專業，工程師，從事水電工程技術管理工作；

肖培偉(1980-)，男，重慶人，畢業于四川大學水利水電工程專業，高級工程師，從事水電工程技術管理工作；

邢 丹(1984-)，男，河南南陽人，畢業于武漢大學水利水電工程專業，工程師，從事水電工程技術管理工作.