某“U”型圍堰修復設計方案研究

2020-09-23 07:17:10李建會石太軍

水電站設計 2020年3期

李建會，石太軍

(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 前言

某土石圍堰為一座航電樞紐工程的二期二段導流圍堰，堰高21.2～17.2 m，長約1 km，平面布置呈“U”型與右岸岸坡形成封閉施工場地，圍護右岸船閘干地施工。圍堰擋水時段為2018年6月至2019年10月，使用期限2年。

2018年5月下旬，因外圍二期一段圍堰遭遇超標洪水，河道內水位達到325.5 m，而此時二期二段圍堰下游橫向段長約60 m堰體填筑高程及防滲土工膜鋪設頂高程僅為325 m，不能抵御該水位洪水，導致該段堰體滿堰垮塌、基坑充水。圍堰遭遇超標洪水后面貌如圖1所示。

圖1 二段圍堰遭遇超標洪水后面貌

1 圍堰布置及結構

二期二段圍堰平面呈“U”型，上游橫向圍堰直線段長約150 m，右端與上游右側岸坡相接；上游橫向圍堰與縱向圍堰銜接圓弧段長度55 m、角度63.25°；縱向圍堰段長度436 m，順河向布置；縱向圍堰與下游橫向圍堰銜接圓弧段長度54 m、角度61.72°；下游圍堰直線段長度為248 m，右端與下游右側岸坡相接。

圍堰基礎高程為312～316 m，正常擋水位330.7 m，堰頂高程333.2 m，堰頂寬8 m，迎水側坡比1：1.75，背水側坡比1：1.5，在322 m高程設一級2 m寬馬道。

二段圍堰采用土石圍堰結構型式，為降低工程投資，減少開挖料倒運，圍堰施工時多采用開挖料直接用于填筑：對于河床砂卵礫石層和弱風化石英砂巖、細砂巖開挖料，因其物理力學性能較好，可作為堰殼填筑料；砂卵石開挖料中級配良好和粒徑符合要求，作為堰體過渡料和反濾料；泥巖強度低、易崩解風化，待其完全風化后作為防滲土料；強風化、弱風化泥巖和泥質砂巖開挖料物理力學性能較差，僅用于堰體內部防滲體兩側區域填筑料；迎水面堰面防沖結構采用塊石防沖護坡，厚度1 m，轉彎裹頭段及流速較大區域厚度為2 m；圍堰迎水面坡腳設置防掏槽，嵌入地面砂卵石層以下3 m，底寬2 m。圍堰典型斷面結構如圖2所示。

2 圍堰修復設計

災后對二期二段圍堰進行排查，發現下列問題：上游橫向圍堰轉彎部位明顯滲漏，上游轉彎段丁壩位置防沖塊石部分被沖走；縱向圍堰閘墩部位明顯滲漏，閘墩上下游側約50 m范圍防沖大塊石被沖走；下游橫向圍堰轉彎部位被沖毀，下游橫向圍堰與船閘下游右導墻銜接部位明顯滲漏。據此確定二段圍堰修復工作主要為：進行圍堰沖毀段填筑恢復、圍堰滲漏段防滲加固、圍堰迎水面防沖保護加強。

圖2 二段圍堰典型斷面示意

2.1 沖毀段恢復設計

圍堰沖毀段位于下游橫向圍堰段與縱向圍堰轉彎銜接部位，長約60 m。擬定沖毀段恢復圍堰外輪廓斷面尺寸與原設計相同。由于圍堰下部須采用水下填筑，且堰基下部有一定厚度的砂卵石層，復合土工膜防滲已不具備施工條件，因此防滲結構采用高噴防滲墻[1]。高噴防滲墻設計擋水高度20 m，按墻體允許滲透比降(J=60)計算，墻體厚度采用40 cm設計。

綜合高噴防滲墻施工、水下拋填、不同填筑料之間的反濾、過渡要求，對沖毀段恢復堰體結構進行如下分區：

(1)截流戧堤采用石渣、砂卵礫石水下拋填，為便于高噴防滲墻施工，粒徑不宜大于20 cm。

(2)戧堤兩側培厚部分，采用質地堅硬、不易水解風化的石渣或砂卵礫石拋填。

(3)戧堤以上高噴防滲軸線兩側2 m范圍內，采用砂卵礫石填筑，為便于高噴防滲墻施工，粒徑不宜大于20 cm，分層碾壓填筑，碾壓層厚80 cm左右。

(4)戧堤以上堰體采用質地堅硬、不易水解風化的石渣砂卵礫石填筑料，分層碾壓填筑，碾壓層厚80 cm左右；

(5)堰體砂卵石料與防沖大塊石之間部分，為過渡料區，采用級配連續的砂卵礫石填筑，厚度不小于50 cm；

(6)高噴施工平臺以上防滲體，采用黏土填筑，黏土伸入高噴防滲墻頂以下50 cm，頂寬1 m，底寬2 m；

(7)黏土防滲體兩側反濾層，采用級配砂卵礫石填筑，厚度50 cm。

二段圍堰沖毀段恢復典型段面結構見圖3。

2.2 滲漏段防滲加固設計

滲漏段分嚴重滲漏段、零星滲漏點、無明顯滲漏段。由于前期采用點對點控制性灌漿防滲補強功效低，且無法保證下一個汛期圍堰的安全，實現合同工期風險較大，最終確定對未采用高噴防滲墻區域進行封閉式高噴防滲墻補強。高噴防滲墻布置在迎水側距離圍堰軸線3 m處，墻體厚度不小于40 cm，墻體底部深入基巖50 cm。二段圍堰滲漏段防滲加固典型斷面如圖4所示。

圖3 二段圍堰沖毀段恢復典型段面(單位：m)

圖4 二段圍堰滲漏段防滲加固典型斷面(單位：m)

2.3 堰坡防沖保護加固設計

汛期河道洪水流速較大且圍堰存在回流區，水流條件差，淘刷問題突出，為避免圍堰結構進一步被沖刷，有必要對迎水側防沖護坡進行加固，具體如下：

(1)沖毀段恢復堰體迎水面采用大塊石防護：水下拋填的大塊石護坡底層1 m厚、粒徑30～50 cm；水下拋填的大塊石護坡表層1 m厚部分及坡腳防沖部分，粒徑不小于30 cm，中值粒徑不小于50 cm；戧堤高程以上的大塊石護坡厚1 m，粒徑不小于50 cm。

(2)圍堰回流區及沖刷嚴重區域堰坡迎水側布置厚度1(水上)～2 m(水下)的大塊石護坡，塊石粒徑不小于50 cm。

(3)圍堰其他部位根據現場實際沖淘情況恢復大塊石護腳及護坡，大塊石中值粒徑不小于50 cm；大塊石材料不足時，可采用格賓石籠或混凝土塊替代，單個格賓石籠或混凝土塊體體積不小于0.25 m3。

3 圍堰穩定性復核

圍堰基礎主要為厚度1.0～8.6 m的沖洪積層卵石層，透水性強。為確保堰體在現狀條件下、基坑降水過程中、修復后正常使用過程中以及遭遇超標洪水外水位到達堰頂極端條件下的穩定安全，對堰體不同結構現狀工況、基坑降水工況、正常使用工況、外水位到達堰頂極端工況進行了穩定復核，并對可能存在的問題提出防護措施。

3.1 計算標準、工況及參數

工程導流建筑物級別分為4級。根據《水利水電工程圍堰設計規范》要求，堰坡及覆蓋層地基的抗滑穩定，宜按單一安全系數剛體極限平衡法計算；抗滑穩定采用瑞典圓弧法時，4級土石圍堰的邊坡穩定安全系數應不小于1.05。在基坑降水情況下，為保證邊坡穩定，整體及較大規模塊體穩定最小安全系數應不小于1。

穩定安全復核計算各工況水位見表1，選用的計算參數見表2。

3.2 典型剖面計算成果

采用中國水利水電科學研究院開發的Stab程序對圍堰典型部位的不同工況進行了穩定復核計算，結果見表3，滑動部位及塊體規模見圖5～10。

表1 圍堰穩定計算各工況參數

表2 修復設計計算選用參數

表3 各工況計算成果

根據計算結果在現狀工況、正常工況、極端工況下，圍堰滲漏段及恢復段結構體形處于基本穩定狀態(沖毀段現狀工況背水側坡處于極限穩定狀態)；在降水工況下，圍堰滲漏段及恢復段結構體形背水側坡322 m高程以下均有滑動失穩的風險，因此，降水前對圍堰背水側坡322 m高程以下進行拋石壓坡并壓實，頂部322 m高程拋石厚度為50 cm(水平頂寬約90 cm)，坡比1:1.75(沖毀段段1：1.85)；降水過程中控制基坑降水速率不超過1 m/d(初期兩天降水速率控制在0.5 m/d)；背水面堰面322 m以上部分采用厚度為50 cm塊石護坡進行防護處理。