水電站擴建工程深水圍堰地質勘察問題研究

劉建鑫

(四川河川投資有限公司，成都，610000)

1 工程概況

塔貝拉水利樞紐(Tarbela Project)是巴基斯坦開發印度河干流的一座綜合利用水利樞紐工程，也是巴基斯坦東水西調的主要水源工程。工程于1968年開工，1976年正式蓄水發電。大壩為斜心墻土石壩，壩體體積1.21億m3，是世界上填筑量最大的土石壩。塔貝拉工程原設計以灌溉為主。共有5條引水洞，其中4條位于右壩肩，1條位于左壩肩。工程分三個階段在右壩肩的1號和2號隧洞上裝設了10臺175MW的水輪發電機組。四期擴建工程是將現有4號灌溉洞改為發電洞，在原有灌溉洞出口及廠房尾水區新建四期廠房，擴容3臺470MW混流式機組，四期擴建工程平面布置如圖1。

圖1 塔貝拉四期擴建工程面布置示意

為滿足新廠房區干地施工，必須在廠房下游(電站尾水區)建造一段圍堰。本文將簡單闡述四期擴建工程圍堰建設常規地質條件勘探情況，并對特殊地質條件的勘探問題進行研究。

2 圍堰工程建設常規地質條件勘察

2.1 常規地質條件勘探內容

塔貝拉水電站第四期擴建工程于1992年進行了概念設計，當時并沒有進行勘察工作。于2010年開始進行可研設計，2012年完成勘察設計報告，進行了少量勘察，主要集中在隧洞段和廠房。施工條件勘察作為四期擴建工程的重要組成部分，在開工前展開，主要完成工作量見表1。

表1 圍堰施工前完成的勘察工作量

2.2 工程地質評價

2.2.1 土層結構

堰基左段水深23m～30m，水下地面高程多在310m～316m，覆蓋層自上而下基本可以分為三層，分別為卵礫石層(CG)、粉土質砂(SM)和含礫石、卵石粉土質砂(SMg)；堰基右段水深在3m～30m間變化，水下地面高程多在310m～338m不等，推測覆蓋層分布范圍很少，基巖以碳質片巖和灰巖為主，在靠近右岸地段為輝綠巖。

2.2.2 地基土的震動液化

根據顆分試驗成果，第②、③層土中粒徑小于5mm的顆粒百分含量均大于30%，且粘粒含量小于10%，小于地震動峰值加速度為0.25g所要求不發生地震液化的最小粘粒含量18%，因此，判定該地基存在地震液化的可能。但由于圍堰是臨時性工程，液化問題可淡化。

2.2.3 地基土沉降穩定

由于堰基的覆蓋層厚度差別較大，且右段基巖基本裸露，土層厚度向左側廠房部位逐漸變厚，因此判斷地基沉降是不可避免的，且存在不均勻沉降問題，設計時應予以考慮。地基土壓縮性指標建議值見表2。

2.2.4 地基滲透穩定性

不管是第②層土，還是第③層土，其粘粒含量均大于3%，為少粘性土，滲透變形類型主要為流土，但由于局部礫石、卵石和漂石相對集中，亦存在管涌的可能性。臨界坡降建議值見表2。

2.2.5 堰基滲流及其控制措施建議

總的來說，在廠房施工期間，圍堰下游的水將通過地基滲透進入基坑，為保證“干地”作業條件，建議根據前述巖土層的滲透性及滲漏量估算，對地基采取必要的防滲及排水處理措施。

此外，由于覆蓋層厚度變化大，地基防滲工程施工應根據先導孔揭露的基巖面及巖體的透水率變化情況，調整灌漿深度。

表2 堰址區土層的主要指標建議值

3 圍堰工程建設特殊條件勘察

與一般的工程建設條件不同，四期擴建工程中，必須最大限度地保證原工程的功能。工程現有的電站廠房在圍堰建設和運行期均正常發電。同時，三次建設工程和近40年的運行，對圍堰工程建設條件均帶來了不同程度的影響。由于改擴建工程的特殊性，本圍堰建設條件勘察還包括：下游水位勘察、水下覆蓋層勘察、引水洞工作情況勘察等。

3.1 工程建設水位勘察

3.1.1 上下游水位監測分析

根據最近一年的494d水庫壩前日水位資料，最小水位422.8m，出現在2014年5月31日；最大水位472.55m，出現在2014年9月19日和2014年9月25日。水庫壩前日水位過程見圖2，水庫壩前日水位統計見表3。可見塔貝拉水庫水位隨季節波動較大。

圖2 施工期水庫水位過程線

表3 水庫壩前日水位統計

根據最近一年的470d電站廠房下游的水位資料，最小水位338.1m，出現在2014年3月25日；最大水位340.6m，出現在2015年5月22日。電站廠房下游水位過程見圖3，水位在338m～341m范圍內變化，變化范圍不大，但變化較劇烈。電站廠房下游水位日變化值見圖4，水位日變化最大值達2m，影響圍堰正常施工安全，增加圍堰施工難度。

圖3 下游廠房出口水位過程線

圖4 下游廠房出口水位日變化過程線

根據上述分析可知，受電站發電約束，下游圍堰所在位置的水位保持在338m～341m之間，與水下地形勘測結果結合分析可知，圍堰的最大擋水高度為32m。并且不受季節性的洪枯影響，常年基本不變。即不可能利用天然河流的洪枯差異伺機進行截流和圍堰填筑施工，必須在32m的最大水深中完成圍堰的所有施工程序。

3.1.2 電站日常運行期下游水位變化的分析

由于水電站出力頻繁變化，尾水水位快速變化，根據實測情況變幅約±1m，直接誘發圍堰堰址兩側的水流不定向流動。當電站出力加大、引水量加大、下游水位升高，水流從三期廠房的導墻下游向圍堰基坑方向流動壅高；反之當電站出力減小、引水量降低、下游水位降低，水流從基坑向下游方向流動涌出。根據電站處理的規律，水位變化的周期一般為數小時。擾動水流對鋼板樁圍堰樁格閉合帶來極大的困擾，水位變化的周期即界定了圍堰樁格施工的有效時間窗。

3.1.3 電站非常泄壓時下游水位變化的分析

由于該工程引水系統未配置調壓井，而采用泄壓閥方式應對甩開負荷時的水擊效應。電站出力大幅縮減時，關閉水輪機機前閥，導致泄壓閥開啟。由于業主管理方面的原因，泄壓閥開啟未設置預警系統，因此對于圍堰施工和運行而言，泄壓閥開啟屬無預警事件，并且塔貝拉電站水頭高、引水管近1km，泄壓閥開啟時，噴射水流高度超過10m，造成圍堰下游側涌浪高超過2m，嚴重威脅圍堰施工期和運行期安全。

3.2 堰址水下覆蓋層勘察

由于塔貝拉工程歷經三次擴建且已投入運行近40年，經過仔細勘察發現堰址處的水下覆蓋層與一般的初建工程基礎存在巨大差異。

由于堰址處正位于4號引水洞和4組泄壓閥的消能沖刷范圍內，經過多年的運行，堰軸線下部的天然覆蓋層早已沖刷殆盡，在基礎深槽部位殘留的覆蓋層多是庫底淤積在引水洞泄流時攜帶而來的粉細沙，級配較差，承載力有限，抗滲能力低。并且，經過鉆孔取樣發現，覆蓋層中還包括了大量的鋼筋、混凝土塊等前期擴建的工程垃圾。對選定使用的鋼板樁圍堰的插樁和防滲施工帶來極大的困難。

在本工程開工前，業主在4號引水洞進行了一次歷時大約30min的紀念性泄水。一方面將進水口處淤積的大量泥沙帶到堰址處；另一方面將圍堰右側基礎的覆蓋層沖刷殆盡，勘察結果表明幾乎成為裸巖基礎，這會對圍堰的穩定和抗滲施工帶來極大的困難。

3.3 引水洞工作情況勘察

4號引水洞相當于圍堰工程的上游，其工作閘門由于年久失修，底部止水幾近失效，漏水量高達500m3/h，直接影響本工程的常規排水量。隧洞封堵前經常性排水量匯總如表4所示。

表4 4號隧洞封堵前經常性排水資源配置

4 結語

在常規建設條件勘察的基礎上，針對擴建工程特有的下游水位、水下覆蓋層、引水洞情況等方面的問題進行了專門的勘察分析，搜集到大量的資料，預測其對圍堰工程施工的影響。取得了良好的經濟效益和社會效益。

(1)經濟效益

對本工程堰址條件的勘察不僅了解了地形地質等常規工程條件參數，而且揭示了水位的影響因素、覆蓋層中的建筑垃圾、上游漏水量等一系列改擴建工程特有的工程條件參數和問題，對于規避后期圍堰的建設風險奠定了良好的基礎，為工程索賠提供了依據。

(2)社會效益

改擴建工程的建設條件與一般新建工程存在巨大的差異。一般新建工程以自然條件為主，而改擴建工程的建設多處于人造環境中，受現有工程條件的制約較大，甚至現有工程條件成為影響施工的主導因素。塔貝拉四期擴建圍堰工程是在改擴建工程施工方面的重要實踐，對于了解擴建工程特點和復雜性具有重要意義。隨著我國進入后水電開發時代，水庫、大壩和電站改造工程將逐漸增多，研究原工程條件和約束對圍堰施工的影響是具前瞻性的重要技術課題。