復(fù)雜地質(zhì)條件下高擋水水頭土石圍堰設(shè)計(jì)

梁 娟， 張 有 山， 王 小 波

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

猴子巖水電站攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 848.50 m，最大壩高223.5 m。水庫(kù)正常蓄水位1 842.00 m，總庫(kù)容7.06億m3，電站裝機(jī)容量1 700 MW，工程為一等大(1)型工程，主要永久水工建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要永久水工建筑物級(jí)別為3級(jí)。

2 地形地質(zhì)條件

堰基河床覆蓋層厚60 m～75 m，層次結(jié)構(gòu)自下而上分為4層：第①層，含漂(塊)卵(碎)砂礫石層(fglQ32)，厚約11 m～27 m，具強(qiáng)～中等透水性，其結(jié)構(gòu)較密實(shí)；第②層，粘質(zhì)粉土(lQ33) ，系河道堰塞靜水環(huán)境沉積物，厚約15 m～22 m；第③層含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚約15 m～37 m，具較強(qiáng)的承載能力和強(qiáng)透水性，結(jié)構(gòu)稍密實(shí)，局部有架空現(xiàn)象；第④層，孤漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ42) ，厚約1 m～15 m，具較強(qiáng)的承載能力和強(qiáng)透水性，結(jié)構(gòu)較松散，局部有架空結(jié)構(gòu)。其中第②層粘質(zhì)粉土，埋藏深、分布廣、厚度變化大(最薄0.67 m，最厚達(dá)29.45 m)，承載力低，工程性狀差，為可能液化砂土。

3 圍堰設(shè)計(jì)研究

猴子巖工程圍堰為3級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰設(shè)計(jì)水位采用全年50年一遇洪水流量下相應(yīng)水位。上游圍堰設(shè)計(jì)擋水水位1 742.50 m，堰頂高程1 745.00 m。下游圍堰設(shè)計(jì)擋水水位1 707.87 m，堰頂高程1 710.00 m。

3.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)壩址區(qū)河床覆蓋層厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基坑深達(dá)70余m。

(2)上游圍堰設(shè)計(jì)擋水水頭高達(dá)117.50 m。

(3)大壩基礎(chǔ)采取了挖除河床覆蓋層的基巖建壩方案，粘質(zhì)粉土層在深基坑邊坡出露，對(duì)上下游圍堰及基坑邊坡滲流穩(wěn)定影響大。

(4)圍堰需要在一個(gè)枯水期內(nèi)完建并擋水度汛。

(5)壩前右岸發(fā)育磨子溝，溝谷切割較深，2 370 m高程以下溝段在汛期暴雨條件下有發(fā)生小規(guī)模泥石流的可能。

3.2 堰型選擇

土工膜防滲技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和推廣已日甄成熟，在水利水電工程中得到廣泛應(yīng)用。上游圍堰土工膜擋水水頭約35 m，使用年限2.5年，類似工程成功應(yīng)用的實(shí)例較多。土工膜心墻方案與岸坡防滲連接方便，但堰體土石填筑必須在基礎(chǔ)防滲墻完工后才能施工，有效工期短，圍堰施工工期較長(zhǎng)。土工膜斜墻方案結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，與岸坡防滲連接不如心墻方便，但斜墻方案通過(guò)采用造墻平臺(tái)伸出堰體上游坡腳的技術(shù)措施，可使堰體填筑與基礎(chǔ)防滲墻同時(shí)施工，有利于爭(zhēng)取工期。結(jié)合工程特點(diǎn)，上游圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，下游圍堰采用土工膜心墻土石圍堰。

3.3 圍堰布置及基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)

由于壩前右岸分布的磨子溝對(duì)上游圍堰布置影響較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了圍堰緊鄰基坑和圍堰遠(yuǎn)離基坑兩個(gè)方案的分析研究。

3.3.1 圍堰緊鄰基坑布置

圍堰緊鄰基坑布置方案中不同的圍堰基礎(chǔ)防滲深度和不同基坑開(kāi)挖深度滲流計(jì)算成果顯示：墻深78 m方案，單寬滲流量總體較小，防滲體系有效地阻隔了庫(kù)水沿堰基覆蓋層和基巖的滲流；墻體最大滲流梯度最大為68.97，從目前的設(shè)計(jì)施工水平看(參照三峽二期圍堰塑性混凝土墻，設(shè)計(jì)允許水力坡降能達(dá)到80.0)，墻體不致發(fā)生抗?jié)B破壞；同時(shí)，圍堰基坑邊坡除壩深基坑開(kāi)挖至基巖頂板建基高程工況下基坑坡腳的第①層土出逸段的最大滲流坡降為0.37較大、存在局部滲透破壞外，其它工況出逸段的滲流梯度均較小，不致發(fā)生滲透破壞。墻深65 m和55 m方案，隨著大壩基坑開(kāi)挖深度的增加，單寬滲流量、墻體最大滲流梯度、墻底基巖帷幕灌漿區(qū)最大滲流梯度也呈現(xiàn)逐漸增加的變化規(guī)律，但是單寬滲流量卻較大。尤其是各工況圍堰基坑邊坡的出逸段最大滲流梯度均較大，出逸段局部滲透破壞將使圍堰基坑邊坡的安全性難以保證。

圍堰緊鄰基坑布置方案中，不同的圍堰基礎(chǔ)防滲深度和不同基坑開(kāi)挖深度穩(wěn)定性計(jì)算成果分析表明：

(1)若第②層不采取任何工程處理措施，墻深78 m、65 m和55 m在墻底帷幕灌漿和無(wú)帷幕灌漿情況，在大壩基坑開(kāi)挖過(guò)程安全系數(shù)均不能滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)1.3的要求。

(2)若第②層采取高壓旋噴處理，墻深78 m在墻底帷幕灌漿和無(wú)帷幕灌漿情況下，大壩基坑開(kāi)挖過(guò)程安全系數(shù)則均能滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)1.3的要求。

(3)雖然墻深65 m和55 m在墻底帷幕灌漿下且對(duì)第②層采取高壓旋噴處理，基坑開(kāi)挖過(guò)程安全系數(shù)總體也能滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)1.3的要求。但是正如前面的滲流計(jì)算分析表明，由于墻底帷幕灌漿區(qū)的滲流梯度較高，存在帷幕擊穿的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致防滲失效。相應(yīng)的穩(wěn)定性將與墻底無(wú)帷幕灌漿一致，穩(wěn)定性不能滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)1.3的要求。

3.3.2 圍堰遠(yuǎn)離基坑布置

由于圍堰緊鄰基坑布置方案需要對(duì)第②層采取高壓旋噴處理，旋噴樁施工深度近50 m，施工程序復(fù)雜，工期長(zhǎng)，度汛風(fēng)險(xiǎn)大。因此，提出不處理第②層而將圍堰遠(yuǎn)離基坑布置的方案。在圍堰遠(yuǎn)離基坑布置方案中，進(jìn)行了圍堰堰腳與大壩基坑開(kāi)挖開(kāi)口線之間的距離進(jìn)行了敏感性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)上游圍堰堰腳距離大壩基坑開(kāi)挖開(kāi)口線50 m下游圍堰堰腳距離大壩基坑開(kāi)挖開(kāi)口線20 m時(shí)，穩(wěn)定性分析安全系數(shù)能滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)1.3的要求。

圍堰緊鄰基坑布置方案不需對(duì)磨子溝溝水進(jìn)行工程處理，但圍堰基礎(chǔ)需采用旋噴樁加固處理，旋噴樁施工深度近50 m。圍堰遠(yuǎn)離基坑布置方案，大壩施工期間需對(duì)磨子溝溝水及泥石流進(jìn)行工程處理，但圍堰基礎(chǔ)不需要進(jìn)行加固處理。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇采用圍堰遠(yuǎn)離基坑布置方案。

3.4 圍堰斷面設(shè)計(jì)

3.4.1 上游圍堰

上游圍堰為基礎(chǔ)全封閉混凝土防滲墻上接土工膜斜墻的土石圍堰，堰頂高程1 745 m，堰頂長(zhǎng)215 m，堰頂寬12 m，最大堰高約55 m(河床以上填筑高度)，最大底寬約250 m。堰體1 709 m高程以上采用復(fù)合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)斜墻防滲，最大防滲高度36 m，復(fù)合土工膜表面采用10 cm厚噴混凝土進(jìn)行保護(hù)。高程1 709 m以下堰體及堰基覆蓋層采用全封閉塑性混凝土防滲墻防滲，墻底嵌入基巖1.0 m，最大墻深約80 m，墻厚1.0 m。兩岸及河床基巖表淺部透水性較強(qiáng)，采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。

3.4.2 下游圍堰

下游圍堰為基礎(chǔ)全封閉混凝土防滲墻上接土工膜心墻的土石圍堰，堰頂高程1 710 m，堰頂長(zhǎng)154.67 m，堰頂寬10 m，最大堰高約25 m(河床以上填筑高度)，最大底寬約155 m。堰體1 700 m高程以上采用復(fù)合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)心墻防滲，最大防滲高度10 m。高程1 700 m以下堰體及堰基覆蓋層采用全封閉塑性混凝土防滲墻防滲，墻底嵌入基巖1.0 m，最大墻深約80 m，墻厚1.0 m。兩岸及河床基巖表淺部透水性較強(qiáng)，采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

上下游圍堰河床覆蓋層深厚，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大壩基坑深達(dá)70余m，上游圍堰設(shè)計(jì)擋水水頭高達(dá)117.50 m，基礎(chǔ)混凝土防滲墻深達(dá)80 m，在國(guó)內(nèi)外同類項(xiàng)目中極為罕見(jiàn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)圍堰基礎(chǔ)不同防滲深度下圍堰滲流穩(wěn)定分析及圍堰建成后大壩基坑開(kāi)挖過(guò)程中不同階段圍堰滲流穩(wěn)定分析，選擇安全合理的堰型及堰基防滲型式，為工程順利完工創(chuàng)造了有利條件；在猴子巖水電站工程建設(shè)中，2011年汛前填筑分流圍堰，設(shè)計(jì)將上下游圍堰與上下游分流圍堰結(jié)合布置，為汛后及早進(jìn)行上、下游圍堰超深防滲墻施工創(chuàng)造了有利條件。