葉巴灘水電站圍堰堰型方案比選研究

張 永 清， 周 順 文， 相 昆 山， 楊 玉 川， 孔 科

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

西南山區水電站壩址區多屬于高山地貌，經常出現深切的“V”型河谷。對于此種地形，多采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導流的導流方式，如何合理地確定圍堰，將直接影響導流工程的布置、施工及進度、工程量及投資。因此，圍堰形式的選擇和設計就顯的尤為重要。

本文針對葉巴灘水電站工程的實際情況，研究分析表明不宜采用明渠、分期等導流方式，而推薦采用“斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導流”的導流方式。根據圍堰布置原則及該工程特點，對上下游圍堰進行相應的方案比選。對上游圍堰，進行了混凝土圍堰與土石圍堰的專題比選；而對下游圍堰，主要考慮其與二道壩存在結合布置的可能性，分析結合與不結合兩種分案。

1 葉巴灘水電站概況

1.1 工程概況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，壩址位于金沙江支流降曲河口下游600 m處，壩址控制流域面積為17.35萬km2，多年平均流量839 m3/s。

葉巴灘水電站樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、泄洪消能建筑物、引水發電建筑物三大系統組成。混凝土雙曲拱壩壩頂高程2 894.0 m，最大壩高217.0 m。泄洪消能建筑物由壩身5個泄洪表孔、4個泄洪深孔、水墊塘及二道壩組成，采用挑流消能，具有“高水頭、大泄量、窄河谷”的特點[1～3]。

1.2 地質條件

壩址區河道順直，多處跌水險灘，水流湍急，枯水期江面寬30～70 m，水深5～10 m。壩址區兩岸山體雄厚，山勢巍峨，地形陡峭，山頂高程大于4 000 m，相對高差大于1 000 m，屬高山地貌。河谷狹窄，谷坡陡峻，一坡到頂，緩坡平臺不發育，為基本對稱的深切“V”型峽谷。壩址區兩岸多基巖裸露，覆蓋層主要分布于河床、岸坡坡腳及淺溝溝口。無河漫灘、階地發育。岸坡覆蓋層主要為崩積形成的倒石堆，局部為崩坡積混合堆積。

上游圍堰軸線位于降曲河口下游約260 m。鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂砂卵礫石，層次簡單，結構較密實，厚度20～27 m，為中等偏強透水層，基巖為石英閃長巖，巖石堅硬。下游圍堰軸線位于董俄措溝口上游約200 m。鉆孔揭示，河床覆蓋層為漂砂卵礫石，層次簡單，結構較密實，厚度19.40 m。上下游圍堰兩處的河床沖積漂砂卵礫石層均較密實，承載和抗變形能力均可滿足圍堰要求。

2 施工導流標準與方式

2.1 導流標準

葉巴灘水電樞紐工程為一等大(Ⅰ)型工程，永久性主要建筑物級別為1級，永久性次要建筑物為3級。

根據《水電工程施工組織設計規范》(DL/T 5379-2007)及《水電工程施工導流設計規范》(NB/T 35041-2014)，綜合各方面因素，并參照國內已建和在建的同類工程經驗，本階段選擇導流建筑物級別為4級。根據地形地質條件、工程區建筑材料情況及交通條件、樞紐建筑物布置特點及施工進度要求，并結合經濟指標等因素綜合考慮，圍堰宜選擇土石類圍堰，對于4級土石類導流建筑物，相應的導流標準為洪水重現期20～10年。

2.2 導流方式

壩址區兩岸山體雄厚，岸坡基巖出露，巖性以石英閃長巖為主，具有良好的隧洞布置條件。根據壩址區地形與地質條件、樞紐建筑物布置特點及施工進度要求，推薦采用斷流圍堰、隧洞導流方式。

攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高217.0 m，大壩施工為控制發電工期的關鍵項目，基坑過水及過水后的基坑清理等影響發電工期和工程總工期，經濟損失較大，大壩宜采用全年施工。本河段無通航，干流常年不結冰，不需考慮通航、排冰設計。

根據本工程地形地質條件、樞紐建筑物布置特點、工程施工條件和工期要求，本工程采用“斷流圍堰全年擋水、隧洞導流”的導流方式。

3 圍堰布置方案

本工程施工期設計導流流量為5 670 m3/s，對于采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導流的導流方式，如何合理地確定圍堰及導流洞的規模，將直接影響導流工程的布置、施工及進度、工程量及投資，因此，根據圍堰布置原則及工程特點，對導流擋水建筑物進行以下方案比選。

3.1 上游圍堰堰型方案

上游圍堰兩岸基巖裸露，坡腳部位可見崩坡積堆積物，塊徑較大，厚度2～5 m。基礎河床覆蓋層為漂(塊)砂卵(碎)礫石及含漂砂卵礫石層，層次簡單，結構較密實，厚度20.77～27.32 m。河床覆蓋層以粗顆粒為主，無集中成帶的砂層等細顆粒分布，承載力較高，堰基不均勻沉陷和抗滑穩定問題不突出，施工時應作好防滲處理。此種地形比較適合混凝土圍堰與土石圍堰布置，下面對其進行比較分析。

3.1.1 混凝土圍堰

混凝土圍堰的導流標準采用10年一遇洪水，相應流量為Qp=10%=5 050 m3/s。經計算，在相同的導流洞規模的前提下，堰前設計水位為2 755.50 m，選擇圍堰頂高程為2 758.00 m，圍堰建基于III2類基巖上，建基面高程為2 690.00 m，最大堰高約68.0 m；基礎防滲采用帷幕灌漿，并設置排水孔；經初步分析計算，碾壓混凝土圍堰頂寬取5.0 m，上游采用直立邊坡，下游坡比為1∶0.8。碾壓混凝土總工程量約11.2萬m3。

為保證混凝土圍堰的施工，圍堰之前需增設一道枯期土石圍堰，該土石圍堰擋水標準采用5年一遇設計洪水，擋水時段為11月～5月，相應流量為Qp=20%=1 110 m3/s；經計算，土石圍堰頂高程為2 729.00 m，最大堰高約21.0 m，土石圍堰及其基礎采用混凝土防滲墻，防滲墻深約38.0 m，墻下中等透水的Ⅲ2、Ⅲ1類巖體中設置帷幕灌漿，最大灌漿深度約23.0 m，碾壓混凝土圍堰的布置如圖1所示。

圖1 碾壓混凝土圍堰剖面圖

3.1.2 土石圍堰

土石圍堰的導流標準采用20年一遇洪水，相應流量為Qp=5%=5 670 m3/s。在相同的導流洞規模的前提下，圍堰頂高程為2 766.00 m，最大堰高約58.0 m，經初步分析計算，土石圍堰頂寬取10.0 m，上游坡比采用1∶2，下游坡比為1∶1.75，堰體采用土工膜心墻防滲，堰基采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻深約38.0 m，墻下中等透水的Ⅲ2、Ⅲ1類巖體中設置帷幕灌漿，最大灌漿深度約22.0 m。土石圍堰的布置如圖2所示。

圖2 土石圍堰剖面圖

3.1.3 方案比選

土石圍堰對地基的要求較低，可充分利用工程開挖料，造價低廉；混凝土圍堰所需的水泥、粉煤灰等主要建材均需外購，而本工程地理位置偏遠，海拔較高，對外交通條件較差，運費較高。

土石圍堰施工受氣候影響小，施工技術簡單，可組織高強度施工，一個枯水期內完成約58.0 m高的土石圍堰(含38.0 m深混凝土防滲墻)保證率較高。而混凝土圍堰方案需先施工枯期土石圍堰，而后進行基坑排水、混凝土圍堰基礎開挖和處理，然后才能進行混凝土圍堰澆筑施工。根據施工進度分析，防滲墻施工需要3個月，圍堰基礎開挖和處理需要2個月，枯期(11月～5月)剩余2個月難以完成68 m高的混凝土圍堰施工(即使按20 m/月的碾壓混凝土上升速度，混凝土圍堰要到7月中旬才能澆筑到頂)，不能滿足度汛要求。

如采用增大導流洞，降低混凝土圍堰高度的布置方式，至少需將圍堰頂高程降低30 m左右，即頂高程降至2 728.00 m，這將與上游枯期圍堰頂高程相同，這種布置幾乎無意義。

土石圍堰易于布置下基坑道路，混凝土圍堰的背坡不能布置下基坑道路，基坑出渣繞行下游圍堰再到降曲河渣場，運距增大，不經濟。

近年來在金沙江、雅礱江和大渡河上設計、施工了多座60 m左右的土石圍堰，積累了較多的工程經驗。通過以上綜合分析比較，土石圍堰的優點突出，故推薦采用土石圍堰。

3.2 下游圍堰堰型方案

葉巴灘水電站初期導流標準為20年一遇，相應流量為5 670 m3/s，下游圍堰設計水位2 732.04 m，考慮波浪爬高和安全超高后，確定下游圍堰頂高程為2 734.00 m。

二道壩頂高程為2 730.00 m，與下游圍堰頂高程僅相差4m，施工期適當加高二道壩即可作為下游圍堰使用，即下游圍堰與二道壩存在結合布置的可能性。下面對結合和不結合布置方案進行比較選擇。

3.2.1 結合方案

施工期將二道壩頂高程加高4 m至2 734.00 m高程，作為下游全年擋水圍堰使用，其建基面高程2 688.00 m，最大壩高46 m(不含齒槽)，混凝土總量約20.3萬m3，導流洞下閘前將頂部4m混凝土爆破拆除，將頂高程恢復至3 730.00 m，滿足二道壩永久運行要求。

二道壩軸線處河床覆蓋層厚度約23.0 m，為施工二道壩，需先修建枯期土石圍堰。枯期土石圍堰按5年一遇枯期洪水考慮(11月～5月)，相應設計流量為Qp=20%=1 100 m3/s，設計水位為2 722.05 m，堰頂高程為2 724.00 m。枯期土石圍堰防滲墻施工平臺高程2 724.00 m，混凝土防滲墻最大深度約35.0 m。

二道壩基坑開挖需在上游圍堰防滲墻和下游枯期圍堰防滲墻全部完工后才能進行。經施工進度分析，河床截流后上、下游兩道防滲墻施工需3個月，二道壩基礎開挖和基礎處理需2個月，枯期期(11月～5月)剩余2個月難以完成46 m高的二道壩(全年圍堰)施工。構皮灘電站下游混凝土圍堰(二道壩)最大堰高47.60 m，混凝土總量約13.28萬m3，碾壓混凝土最高月澆筑強度5.0萬m3，實際施工歷時3.5個月。

因此，下游枯期土石圍堰需按過水圍堰設計。過水圍堰的堰頂考慮防滲墻施工要求，寬度取25.0 m，上游堰坡坡比1∶2.5，下游堰坡坡比1∶2.5，過流堰面采用1.0 m厚大塊石進行護面，圍堰的布置如圖3所示。

圖3 結合方案圍堰剖面圖

3.2.2 不結合方案

下游圍堰采用土石圍堰，堰頂高程2 734.00 m，最大堰高約24.0 m。防滲墻施工平臺高程2 724.00 m，混凝土防滲墻最大深度約35.0 m；防滲墻施工平臺以上堰體高度10 m，采用土工膜心墻防滲，圍堰的布置如圖4所示。

圖4 不結合方案圍堰剖面圖

3.2.3 方案比選

結合方案的枯期土石圍堰(汛期過水)底寬約100 m，不結合方案的全年擋水土石圍堰底寬約87 m，兩者基本相當，對導流洞出口布置沒有影響，亦即不能減短導流洞長度。

結合方案二道壩需加高4 m，增加混凝土量約3 200 m3，增加投資約320萬元；且加高部分需導流洞下閘前采用控制爆破拆除，施工工藝要求較高。

結合方案的枯期土石圍堰(汛期過水)需做好堰面過流保護，堰面防護大塊石約8 600 m3，施工相對復雜，且造價相對較高；不結合方案的全年擋水土石圍堰2 724 m高程以上為10 m高的土石填筑體，填筑量約2.7萬m3，結構簡單，施工方便，且造價低。大塊石單價按120元/ m3考慮，土石填筑單價按30元m3考慮，結合方案的枯期土石圍堰較不結合方案的全年擋水土石圍堰直接投資高22萬元。

結合方案第三年汛期基坑灌水，影響大壩基坑開挖，且二道壩需安排在枯水期施工，占用較多施工資源，影響關鍵線路上的大壩工程施工；不結合方案二道壩可選擇合理的時段進行施工，可與大壩施工協調安排。

綜上所述，本階段不推薦下游圍堰與二道壩結合布置，推薦采用獨立布置的下游全年擋水土石圍堰方案。

4 結 語

由于圍堰形式選擇的合理與否，直接關系到導流工程的布置、施工及進度、工程量及投資等方面，因此，在可行性研究階段正確選擇圍堰形式至關重要。

根據葉巴灘水電站上下游圍堰方案比選可知，圍堰型式選擇主要從地質情況、施工條件、工期及經濟性等幾個方面進行分析。最終確定上游圍堰采用土石圍堰，下游圍堰采用不與二道壩結合的方案，而且是比較合理的，對于今后類似水電工程圍堰型式選擇有一定的指導價值。