善泥坡高碾壓混凝土拱壩設計難點與對策

陳毅峰，羅洪波，徐 林，陳 宏，劉 杰

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 況

1.1 工程概況

善泥坡水電站位于貴州省六盤水市水城縣境內，是北盤江流域綜合規劃中的第8個梯級電站。水庫總庫容0.85億m3，正常蓄水位885 m，電站總裝機容量185.5 MW，為三等中型工程。樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄水建筑物、右岸引水系統、右岸地下大廠房及右岸生態小廠房[1]等組成。

1.2 壩址區地形地質條件

善泥坡水電站壩址區為典型溶蝕—侵蝕的“U”形河谷地貌，河谷兩岸陡峭；壩址區河流下切強烈，并伴隨有強烈的溶蝕、崩塌作用[2]。枯期天然河水位800 m，河面寬55 m；左岸810 m高程以下為緩坡，坡度10°左右，以上為高聳的陡壁，陡壁頂高程約1 200 m，相對高差400 m。右岸總體為60°陡坡，960 m高程以上為緩坡，坡度12°～20°。

壩址區河床及兩岸地層為二疊系下統棲霞組第二段(P1q2)深灰色、灰色厚層灰巖，局部含少量燧石結核，為強巖溶含水層透水巖組；河床735 m高程以下為棲霞組第一段(P1q1)薄層夾中厚層灰巖、泥炭質灰巖夾泥頁巖，為灰巖弱巖溶含水層；建基面以下鉛直深度約58 m處為P1l石英砂巖夾泥頁巖，為厚度穩定、隔水性能良好的隔水層。壩址區裂隙極其發育，裂隙大多為剪性，長度一般大于5 m，寬0.1～1.5 cm，間距0.5～1 m，連通率40%，充填物主要為方解石，裂面多平直稍粗糙。壩址區兩岸巖溶發育，f1斷層影響范圍內巖體破碎，左岸上游發育上泥坡暗河，右岸發育石米格暗河，均為庫區與下游連通的大型巖溶通道，其中石米格暗河在大壩防滲帷幕線位置高約15 m，寬約8 m。

1.3 壩址區總體布置與大壩結構布置

善泥坡水電站壩址區樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄水建筑物、右岸引水發電系統及生態小廠房組成。碾壓混凝土雙曲拱壩壩頂高程888 m，最大壩高110 m，厚高比0.214，壩頂中心弧長204.29 m。泄水建筑物由3個溢流表孔、2個泄洪中孔及下游消能防沖建筑物等組成。

圖1 善泥坡水電站壩址區樞紐平面布置示意

2 設計難點與對策

2.1 狹窄河谷高陡壩肩邊坡開挖處理難點與對策

2.1.1設計難點

水電站工程中高邊坡安全一直是建設者們關注的焦點，隨著人們對環保問題的進一步關注，對邊坡處理的關注焦點也從安全問題擴展到與環境的自然融合，如采用噴射植被混凝土讓邊坡重新恢復綠色等。善泥坡拱壩壩肩開挖如采用常規的明挖方案，則左右岸壩頂以上永久開挖邊坡高度將分別達330 m和110 m，不僅高邊坡安全穩定問題突出，對生態環境的破壞也是極為嚴重。

2.1.2對策措施

善泥坡工程在調研了大量壩肩窯洞開挖案例的基礎上，首創貼壁式窯洞開挖設計[3]，實現了對壩肩邊坡的微創開挖，即僅根據拱壩體型需要開挖所需空間，其后利用拱壩混凝土澆筑，將微創開挖面覆蓋。善泥坡拱壩壩肩窯洞高度、跨度指標均創國內外之最，其中左岸窯洞壩頂洞深33.30 m，最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窯洞壩頂洞深46.01 m，最大高度達111.60 m，最大跨度23 m，為目前國內規模最大的壩肩窯洞開挖。對于如此大規模的貼壁式窯洞開挖，在設計細節上需要更多的考量。

通過拱壩體型設計、預應力錨索張拉墩采用內凹式設計、開挖梯段及爆破工藝控制設計[4]，保障壩肩上下游邊坡大面積曲面、倒懸開挖的高精度及高平整度；通過施工過程中地質條件的實時跟蹤，動態復核及調整支護設計；采用在拱壩壩體與上下游開挖面間設置彈性墊層的做法，既解決了拱壩壩體自由變形問題，又實現了拱壩壩面模板功能；另外通過在壩頂兩端分別設置了約15 m的明洞段，對壩肩窯洞頂部高自然邊坡坡面小型飛石形成阻攔，對較大飛石造成的破壞形成減緩。

2.1.3實踐效果

貼壁式窯洞開挖是一套與傳統壩肩開挖理念上有所區別的技術，更強調開挖與壩體結構的協調性、施工過程控制的動態性、設計細節的嚴謹性與系統性、施工工藝的精細性與嚴格性。與明挖相比，貼壁式窯洞開挖創面小，最大程度減小對環境的影響，拱壩建筑物與環境渾然一體，自然美觀；減少了拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡的安全風險和施工難度，減少了開挖支護量，從而可縮短工期、節省投資；最大程度的保留了壩肩下游的山體，利于拱壩壩肩穩定。該模式在善泥坡工程中得到實踐，為狹窄高陡河谷建設拱壩及窯洞開挖提供了系統解決方案，在減小拱壩開挖對環境影響方面實現了技術突破，具有顯著的社會經濟效益。

2.2 巖溶地區防滲帷幕設計難點及對策

2.2.1設計難點

在巖溶地區修建水工建筑物，壩基及兩岸的防滲帷幕設計一直是設計的重點與難點，對于強巖溶透水巖組，一是需要掌握防滲帷幕沿線地質條件，建立合理的帷幕灌漿參數體系；二是克服巖溶地區型式復雜多樣的溶洞、暗河。能否制定科學、合理、有效的防滲方案，在很大程度上直接影響整個工程質量。根據善泥坡防滲帷幕沿線的前期及施工期地質條件探測，善泥坡壩址區位于強巖溶透水巖組，帷幕沿線巖溶發育，其中大壩防滲帷幕線上高約15 m、寬約8 m、蓄水后最大水頭超過80 m的石米格暗河尤為關鍵，一旦處理不當，將形成貫通上下游的通道，進而進入拱壩壩體及下游的生態小廠房，從而造成嚴重后果。

2.2.2對策措施

善泥坡拱壩防滲帷幕設計時針對巖溶地區的特點主要進行了以下工作：①分析壩址區的地質條件，進行相關勘探試驗，確定合理的防滲帷幕灌漿范圍；②開展現場灌漿試驗，對灌漿原材料材料、漿液配合比、灌漿方法、灌漿壓力、防滲帷幕底線等進行復核，以獲取合理的灌漿參數[5]；③結合帷幕灌漿先導孔的實施，開展物探CT檢測，復核并確定帷幕灌漿沿線各主要斷層、層間錯動帶、巖溶洞穴、裂隙密集帶、強透水帶的位置及規模，為有針對性地指導帷幕灌漿實施提供準確資料；④對大型巖溶管道系統進行針對性處理方案研究，確保工程安全。

結合更為深入地質探查，沿石米格暗河在右岸中層防滲帷幕軸線上游方向15 m、下游方向5 m范圍內，清理暗河充填物及巖石表面鈣化物、鐘乳石等，設置混凝土堵頭；為防止堵頭混凝土與巖溶管道頂部脫空，對堵頭部位增設帷幕灌漿加強孔；考慮該暗河水質優良及封堵后上游較高水頭的特性，在堵頭混凝土底部設置引水鋼管作為生活生產用水，同時布設閥門及壓力表，控制流量、監測堵頭上游水壓，達到多重利用的效果。另外，在頂層灌漿隧洞增設平壓孔施工洞，鉆孔穿至石米格暗河堵頭上游，并埋設鋼管引至庫區作為平壓用。

2.2.3實踐效果

通過前期初擬、過程復核、動態調整及針對性處理，善泥坡拱壩壩體、壩基整體防滲效果優良，達到預期設計目標。監測資料顯示，善泥坡拱壩集水井量水堰測值1.632 L/s，測值基本穩定。壩基總體滲壓系數均較低，大部分均在0.15以內。大壩防滲帷幕幕后滲壓強度實測值總體較低，均小于0.40。對于石米格地下暗河，壩頂平壓孔在蓄水期間涌出約0.2 MPa的壓力水，表明了該平壓措施的必要性，也進一步證明了采用“堵、排、平壓”處理措施的合理性。

2.3 深窄峽谷區施工、運行交通布置難點及對策

2.3.1設計難點

善泥坡壩址區分布大量的水工建筑物，如碾壓混凝土拱壩、導流洞、上下游圍堰、生態小廠房、帷幕灌漿隧洞等，而壩址區河谷深窄，采用明路交通的方案不可行，施工及運行期交通只能在巖溶發育地層采用隧洞布置方案。這就對壩址區的交通提出了很高的要求，既需要滿足各建筑物施工期及運行期的交通要求，還需要盡量減少隧洞交通的布置，盡可能地結合利用，以降低巖溶地區地下洞室群規模。

另外，對于碾壓混凝土拱壩而言，交通系統的布置對能否實現大倉面快速碾壓有著較強的約束作用。一套良好的交通系統布置可以為大壩施工及運行提供極大的便利。例如，在施工期，不僅需盡量不影響拱壩的整體施工進度、方便施工，還需滿足大壩基礎帷幕灌漿、排水、壩體接縫灌漿、大壩觀測及壩上引水泄洪建筑物啟閉設備的運輸、安裝、調試等要求；在運行期，需滿足大壩、引水、泄水等各建筑物及機電設備管理維護的人性化通道要求。

2.3.2對策措施

善泥坡壩區樞紐交通構建了“壩頂高程水平循環+中部高程水平循環+壩后豎向連接”的總體布置格局，形成了多通道的交通安全保障系統，具體為①結合壩肩窯洞開挖特點，在壩頂兩岸分別布置壩頂交通洞，并通過索橋連接，形成循環式壩頂交通，同時也為兩岸的壩肩開挖、壩體混凝土澆筑及兩岸高高程防滲帷幕灌漿施工提供了通道。②在左岸中部830 m高程設置施工支洞，用于左岸防滲帷幕灌漿施工；右岸則充分結合導流洞施工、上游圍堰施工、生態小廠房施工及運行交通、右岸中層帷幕灌漿施工，布置以導流洞施工支洞為主線、以各施工運行交通需求為支線的地下交通洞室群；兩岸中部高程施工及運行交通通道由布設于大壩下游約300 m的交通橋連接，形成循環式中部高程施工及運行交通通道。③施工期利用開挖渣料鋪筑臨時施工道路，作為大壩底高程開挖及混凝土澆筑入倉通道，為大壩下部高程的快速施工創造了條件。④壩體交通盡量布置在壩后，在被泄洪系統占據大量空間的條件下，形成了以“高高程壩后電梯井+低高程結合中孔出口下部支撐結構”的壩后交通豎井為豎向交通；以與壩體碾壓混凝土同步上升的壩后預制交通平臺及壩內廊道為水平交通的立體空間交通系統。

2.3.3實踐效果

該套交通系統布置在地形空間極其狹窄的條件下，巧妙地利用了各建筑物的相關關系，既能適應碾壓混凝土壩快速施工、通行便利，又是壩區、壩體多通道運行的安全保障。

2.4 深窄峽谷泄洪及防裂設計難點及對策

2.4.1設計難點

善泥坡水電站工程具有洪水峰高量大、河谷深窄的特點，泄洪建筑物布置及下游消能難度大。壩址河段為“U”形峽谷河段，河谷寬度僅約60 m，泄洪建筑物需滿足宣泄1 000年一遇洪水的要求，最大下泄量達6 294 m3/s，為國內外碾壓混凝土拱壩泄洪規模之最。大規模的泄水結構不僅對拱壩壩體結構整體性形成較大削弱，對下游狹窄的河床消能能力提出了很高的要求，還產生了泄水結構高強度常態混凝土與拱壩壩體碾壓混凝土溫度應力的協調問題，加之兩岸壩肩高陡邊坡引起的基礎強約束等影響，給善泥坡碾壓混凝土拱壩防裂設計帶來了極大的挑戰，一旦處理不慎，將產生壩體貫穿性裂縫，形成拱壩運行的安全隱患。

2.4.2對策措施

針對大規模泄水結構對壩體的削弱溢流表孔及中孔均布置在拱壩壩身。溢流表孔采用潛孔的形式，頂部保留一定厚度的拱圈，使大壩不致由于開敞式溢流表孔對大壩的應力產生較大影響。消能措施采取“落點錯開、縱橫分散、水墊防護”的設計理念，3個表孔采用錐形體消能工形成分層擴散水流，中孔采用窄縫消能工形成縱向拉伸水舌，在橫向和縱向分散和耗散下泄水流的能量，同時利用河床狹窄特點形成不小于20 m的消能水墊，減小了下泄水流對下游河道的沖刷。

為了防止壩體無序裂縫的產生，考慮到善泥坡兩壩肩基礎較陡，河床基礎面積較大，基礎約束較強，結合三維有限元數值模擬，形成了“4條誘導縫+1條中斷誘導縫+壩踵周邊短縫”的分縫布置格局。在壩體上布置4條誘導縫解決基礎強約束問題及釋放施工期溫度應力；在拱壩中心剖面布置一條中斷誘導縫解決中部泄洪壩段基礎強約束區長度過長問題，為防止中斷縫進一步向上擴展，影響泄洪系統的完整性，在中斷縫頂高程設置并縫措施；同時為了進一步釋放溫度應力及改善局部水壓傳力方向，在大壩拱端上游面壩踵部位設置了適應碾壓混凝土拱壩結構的周邊短縫。

2.4.3實踐效果

善泥坡水電站建成5年以來，經歷了多次泄洪運行及檢查，結果表明該泄洪系統運行良好，消能工未出現破損，下游兩岸岸坡穩定，消能區水墊合適。說明善泥坡水電站泄洪消能建筑物結構設計簡單、經濟、可靠，適應了深窄峽谷地區的碾壓混凝土拱壩大泄量泄洪消能特點。拱壩壩身未出現貫穿性裂縫，各結構縫縫面變形穩定，較好地實現了結構縫防裂目標。

3 結 語

善泥坡水電站于2014年建成并投產發電，距今已有5年多，經5年多的實際運行及監測數據表明，各建筑物運行均正常。工程建設秉承因地制宜、生態環保、安全可靠、動態控制、積極應用新技術的工程設計與服務理念，善泥坡水電站的建設攻克了多項技術難題。碾壓混凝土拱壩采用大規模窯洞式開挖技術，克服了壩肩高陡自然邊坡開挖難題，且首次采用大規模貼壁式窯洞設計，實現了拱壩建成后無壩肩人工開挖永久邊坡的先例；采用立體式消能工實現了世界最大規模的碾壓混凝土拱壩壩身泄洪量；采用了“封堵+平壓”理念成功解決了防滲帷幕沿線大型巖溶管道的處理難題；在狹窄的空間里建立了一套既適應碾壓混凝土快速施工、通行便利，又具有多通道安全保障的交通系統；通過合理的分縫防裂結構設計防止了壩體無序裂縫的發生；另外還積極應用各項先進技術，如采用三維協同設計、三維有限元全過程仿真模擬技術、壩基物探檢測等技術，為設計質量提高和設計優化提供技術支持。