沙灣水電站閘壩錯縫側傾現象分析及控制措施研究

劉后露，王 東，易恒如，周澤澤，郭廣鑫，金浩博

(1.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；2.長江航道規劃設計研究院，湖北 武漢 430040)

0 引 言

傳統河床式水能開發方式下，尾水渠長度較短，其功能是將發完電后的水流平穩流暢地導入下游河道中，所以電站的可利用水頭集中在發電站上游。設計長尾水渠能有效集中上下游水頭至電站處，使水能的混合開發方式變得多樣化[1]。國內已有此類型水電站完建投產，如大渡河安谷水電站(尾水渠長9.5 km)、青衣江百花灘電站(尾水渠長7.9 km)等，其中大渡河沙灣水電站運行已近10年，是亞洲已經投產運行的第二長尾水渠的水電站。沙灣水電站尾水渠起始端底部高程大大低于原河床高程，廠房基礎開挖時會在相鄰建筑位置形成高差顯著的深基坑邊坡，導致相鄰的水閘修建在高填方基礎上，成為地基不均勻變形的敏感點，水工建筑物變形控制難度高。本文通過研究沙灣水電站緊鄰廠房的高填方基礎上的沖砂閘工程的變形原因，提出了減緩其不均勻沉降的措施，建議了軟、硬地基交界處的沉降錯縫側傾變形的控制標準。該工程的建設經驗和教訓可為同類開發方式的水電站提供借鑒。

膠凝砂礫石是介于堆石料與混凝土之間的材料[2]，是用河床砂礫石或開挖廢棄料與少量膠凝材料經過簡易拌和振搗碾壓而成的一種筑壩新材料，也被稱為硬填料[3]，其具有節省水泥、拌和簡易、施工速度快、抗震性能好的特點[4]，且其對軟基有較好的適應性。膠凝砂礫石材料受力狀態良好，彈性模量大，其沉降量較堆石料沉降量低一個數量級[5]。目前國內膠凝砂礫石筑壩技術多用于圍堰工程等臨時性建筑物[6]，并逐步推廣至永久水工建筑物。

1 沙灣水電站工程及病害概況

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區葫蘆鎮，為大渡河干流下游梯級開發水電站，上游接銅街子電站，下游接安谷電站。電站采用閘壩、深河床式廠房結合長尾水渠的開發方式，尾水渠長9 015 m。水庫正常蓄水位432.0 m，水庫總庫容4 867萬m3，最大壩高為86.9 m。電站安裝4臺發電機組，裝機總容量480 MW。

工程屬二等大(2)型工程，樞紐工程包括混凝土面板砂礫石壩、泄洪沖砂閘(泄洪閘、沖砂閘各五孔)、主廠房、右岸接頭壩等建筑物，下游立視見圖1。

圖1 沙灣水電站下游立視圖及豎向變形分布

泄洪沖砂閘建基于深厚覆蓋層砂卵石地基上，均采用開敞式平底寬頂堰，閘墩高18.5 m，總寬204.1 m，其中1～4號閘建基于高填方砂卵石地基上，從5號閘到1號閘回填深度逐漸加大，最深達43 m，設計回填干密度2.32 g/cm3，壓實度98%。緊鄰1號閘右側的是建在基巖上的4號廠房壩段，基礎高程361.00 m，尾水出口底板高程377.97 m，后接1∶3.6的反坡段，尾水渠首底高程398.23 m。長尾水渠布置在下游河床右側，全長9 015 m，底寬91 m。

沙灣水電站自2009年4月下閘蓄水以來，1～4號沖砂閘結構沉降變形顯著，1號沖砂閘與相鄰廠房壩段間結構縫豎向錯動尤其明顯。上游側1號閘右邊墩、2號閘左邊墩、3～4號閘中墩分別沉降18.1、13.9、11.5 cm，下游側1號閘右邊墩、2號閘左邊墩、3號右邊墩、4號閘左邊墩分別沉降18.7、14.0、6.7、2.6 cm，填方軟基上建筑物形成很大不均勻沉陷；1號沖砂閘壩段與4號機組壩段軟硬基相接，其界面上的測縫計早前就發生測值快速擴大隨即失效的現象。這些有害變形將該縫面上的垂直止水、閘前緣與鋪蓋間的止水等關鍵構件置于危險的境地。2014年5月，在1號沖砂閘右墩與廠房間及附近的多個結構縫上發現嚴重滲漏通道，閘下游海漫排水孔涌水且有細砂帶出，判斷該基礎滲透破壞狀況與1～4號閘段結構持續沉降存在關聯。2014年～2015年對該閘基前的防滲墻進行補強處理，變形速率減小但未徹底收斂。截至2017年5月，LS37累計沉降18.0 cm，LS38累計沉降18.67 cm。豎向變形分布參見圖1。

2 計算模型及參數

2.1 計算模擬范圍

不均勻沉降發生在1～4號閘段，因此選取1號～4號閘段作為分析重點，結合地形地質條件，對分層閘基及人工回填砂卵石體進行模擬，建立沖砂閘壩段三維有限元模型：閘基高程416.5 m，閘頂高程435 m，閘孔凈寬14 m，分別向左右岸延伸至廠房和泄洪閘段，閘底向下延伸至高程360 m，坐標系原點位于所建模型上游基底處，上下游為X方向，向下游為正；左右岸為Y方向，指向右岸為正；鉛直為Z方向，向上為正。

模型中閘基和回填體采用非線性Drucker-Prager(D-P)本構。模型單元總數81 054個，節點數37 617個。其中閘體單元數10 343個，閘基單元數70 711個。三維模型網格劃分見圖2。

圖2 沙灣水電站1號～5號沖砂閘有限元模型網格示意

2.2 計算工況

針對沙灣水電站的實際地基地質情況，模擬的基本荷載包括自重、水壓力、水重和揚壓力。模擬如下4種工況：①完建工況。上下游無水，主要計算荷載為閘壩自重。②正常工況。上游水位432 m，下游水位415.5 m，主要計算荷載為閘壩自重、上下游水壓力、水重、揚壓力。③設計工況。上游水位429.95 m，下游水位423.00 m，主要計算荷載為閘壩自重、上下游水壓力、水重、揚壓力。④校核工況。上游水位432.58 m，下游水位24.45 m，主要計算荷載為閘壩自重、上下游水壓力、水重、揚壓力。

2.3 材料基本參數

根據沙灣水電站混凝土和地基巖土材料試驗結果，相關計算參數見表1。

表1 沙灣水電站材料物理力學參數

2.4 模型參數合理性分析

回填砂卵石地基的最終沉降量，理論上為自重應力下的沉降量與建閘后的附加應力下的沉降量之和，閘基最大沉降量設計值小于12 cm[7]。按原設計參數模擬出正常工況下地基沉降位移最大為12.14 cm，極接近最大設計值，可認為本文構建的模型可靠。而后以1號沖砂閘下游側實際沉降18.6 cm為邊界條件，反演人工填筑砂卵石的綜合變模為0.05 GPa，小于原設計參數0.08 GPa。此后以反演出的變模參數分析各工況鉛垂向位移。

3 沖砂閘不均勻沉降分析

3.1 鉛垂向位移分析

圖3為完建工況及正常工況下閘室均產生沉降變形。不同工況下最大沉降量差異明顯。具體沉降范圍見表2。圖4為回填砂卵石地基各工況下閘段最大沉降量。由圖4可知，在4種工況下，各閘室下游側沉降量大于上游側沉降量，且沉降量隨回填深度增加而增加。正常工況下1號閘右閘墩下游處的沉降量最大，達18.97 cm；完建工況下閘室最大沉降量最小，為12.11 cm，占正常工況下1號閘右閘墩最大沉降量的64%。

圖3 回填砂卵石地基后閘段鉛垂向位移云圖

表2 回填砂卵石地基各工況下閘段沉降量范圍

圖4 回填砂卵石地基各工況下閘段最大沉降量

3.2 高填方地基鉛垂向應力分析

高填方區域鉛直向最大應力0.45 MPa(見表2)，小于砂卵石回填地基的允許承載力0.5～0.6 MPa[8]。各工況下閘室底板應力均滿足規范要求。正常工況時，閘壩上下游水位差最大，基底應力分布最不均勻，且應力值最大，從而該工況下閘室沉降最大。設計和校核工況時，上下游水位差小，閘基底浮托力大，應力水平降低且分布有時更均勻，因此其沉降量更小。

考慮到深基坑施工排水過程，分析認為完建工況是一個閘體基礎初期壓實階段，在閘室自重作用下，初期填筑顆粒排列不斷調整，細顆粒料軟化蠕變，粗顆粒料壓縮變形，基礎逐漸密實，逐步趨于穩定狀態，故閘室自重對回填基礎的壓實是造成豎向變形的核心因素。沉降量隨回填深度的增加而增加，表明地基回填深度不同是造成不均勻沉降的主要原因。

4 回填地基強化效果對比

深回填基礎填筑材料的密度和彈性模量若和原狀地基相差較大，不同回填深度易造成地基不均勻沉降。為減弱此種沉降，筆者提出采用回填地基固結灌漿和回填膠凝砂礫石材料2種措施來控制高填方工程的不均勻沉降，開展進一步模擬。

4.1 回填地基固結灌漿

用灌漿后的材料參數替換原模型完建和正常工況下材料參數，與實際工程作對比分析。灌漿砂礫石[9]參數見表1。

不同處理措施下最大沉降量如表3所示。由表3可知，固結灌漿后，各工況下1號～5號沖砂閘閘段沉降變形分布特征為閘室豎向位移均表現為向下沉降，沖砂閘右側沉降量大于左側沉降量，完建工況沉降范圍為5.71～51.37 mm；正常工況下沉降量最大，沉降范圍為7.66～68.96 mm，最大值發生于1號閘右閘墩下游側，與原工程措施在正常工況下沉降量相比減少64%。

表3 不同處理措施下最大沉降量(LS38) cm

4.2 膠凝砂礫石材料回填

通過查閱參考文獻[2]，膠凝砂礫石材料參數見表1，本文以C7.5膠凝砂礫石材料為例，用其參數替換原模型完建工況和正常工況中材料參數，與實際工程作對比分析。

采用膠凝砂礫石材料回填基礎后閘段鉛垂向位移云圖如圖5所示。由圖5可知，各工況下1號～4號沖砂閘壩段沉降變形分布具有以下特征，各閘壩均勻沉降，閘室在完建工況下豎向位移范圍為0.462～4.156 cm；正常工況時沉降范圍為0.530～4.771 cm，沉降量最大值4.771 cm位于上游側，與原工程措施在正常工況下沉降量相比減少75%。

圖5 回填膠凝砂礫石后閘段鉛垂向位移云圖

分析表明，相對于用砂卵石回填地基或回填體固結灌漿，采用膠凝砂礫石材料回填地基最有效減緩各閘壩段不均勻沉降?；靥铙w固結灌漿后其變形模量相對于原回填基礎的變形模量雖然增大許多，但其密度仍小于原狀砂卵石，沉降變形依然不易收斂，故隨填筑深度變化依然會造成各閘段不均勻沉降。而膠凝砂礫石填筑材料的彈性模量較大且與原狀砂卵石地基的變形模量更相協調，從而使得各閘段沉降均勻。因此，較高變形模量和較高密實度諸如膠凝砂礫石這樣的填筑材料可更有效控制此類不均勻沉降從而維護工程安全。

5 討論與建議

沙灣水電站在SL 265—2001《水閘設計規范》“天然土質地基上要滿足閘基最大沉降量不超過15 cm；閘壩相鄰部位的最大沉降差不超過5 cm”[10]的要求下嚴格執行1號～5號閘基填筑料干密度2.32 g/cm3、壓實度98%的填筑標準，仍出現了嚴重不均勻沉降，使得1號沖砂閘與4號廠房壩段之間出現18.7 cm的沉降錯縫和閘室側傾的典型病害。

筆者分析認為，軟、硬地基相鄰的基礎不同于獨立填方基礎，前者對變形協調更敏感，宜執行特別設計標準。本案例中，1號～4號閘沉降量均超過12 cm，雖相鄰閘室沉降差小于5 cm，但仍不符合規范要求。而在1號閘與4號廠房軟、硬基交界處，閘室最大沉降量近乎就是沉降差，達18.7 cm，更不滿足規范對變形量的2個要求。

若嚴格按照規范要求，這類軟、硬基交界處建筑物最大沉降設計值須以5 cm控制，才可同時滿足“沉降差不超過5 cm”的要求。但這對于高填方基礎的總體控制偏苛刻。結合上節對沙灣水電站高填方工程2種典型處理措施下的模擬結果，按止水銅片和止水帶的允許最大剪切變形量8 cm[11]計，考慮約20%的安全裕度，建議將軟、硬基交界填方地基最大沉降量和沉降差控制在6.5 cm以內，可確保建筑物變形安全。

6 結 論

(1)閘體自重對回填基礎的壓實是造成其產生過量鉛直向變形的核心因素，基礎填方深度不同以及回填體變形模量和密實度相對不足是地基不均勻沉降的主要原因。

(2)相對于砂卵石高標準回填和回填體固結灌漿，回填膠凝砂礫石材料可有效控制地基不均勻沉降，更適合軟、硬基交界地基填方基礎工程。

(3)建議對于該類軟、硬基交界處填方基礎的沉降量和沉降差控制在6.5 cm以內，可確保建筑物變形安全。