張 永 清， 周 順 文， 相 昆 山， 楊 玉 川， 孔 科

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

西南山區(qū)水電站壩址區(qū)多屬于高山地貌，經(jīng)常出現(xiàn)深切的“V”型河谷。對(duì)于此種地形，多采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，如何合理地確定圍堰，將直接影響導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)度、工程量及投資。因此，圍堰形式的選擇和設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。

本文針對(duì)葉巴灘水電站工程的實(shí)際情況，研究分析表明不宜采用明渠、分期等導(dǎo)流方式，而推薦采用“斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流”的導(dǎo)流方式。根據(jù)圍堰布置原則及該工程特點(diǎn)，對(duì)上下游圍堰進(jìn)行相應(yīng)的方案比選。對(duì)上游圍堰，進(jìn)行了混凝土圍堰與土石圍堰的專題比選；而對(duì)下游圍堰，主要考慮其與二道壩存在結(jié)合布置的可能性，分析結(jié)合與不結(jié)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(wàn)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(fā)電建筑物三大系統(tǒng)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(gè)泄洪表孔、4個(gè)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(diǎn)[1～3]。

1.2 地質(zhì)條件

壩址區(qū)河道順直，多處跌水險(xiǎn)灘，水流湍急，枯水期江面寬30～70 m，水深5～10 m。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，山勢(shì)巍峨，地形陡峭，山頂高程大于4 000 m，相對(duì)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(tái)不發(fā)育，為基本對(duì)稱的深切“V”型峽谷。壩址區(qū)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(wú)河漫灘、階地發(fā)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(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度20～27 m，為中等偏強(qiáng)透水層，基巖為石英閃長(zhǎng)巖，巖石堅(jiān)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(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，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(shí)，承載和抗變形能力均可滿足圍堰要求。

2 施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與方式

2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

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(jí)別為1級(jí)，永久性次要建筑物為3級(jí)。

根據(jù)《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5379-2007)及《水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35041-2014)，綜合各方面因素，并參照國(guó)內(nèi)已建和在建的同類工程經(jīng)驗(yàn)，本階段選擇導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。根據(jù)地形地質(zhì)條件、工程區(qū)建筑材料情況及交通條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)及施工進(jìn)度要求，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素綜合考慮，圍堰宜選擇土石類圍堰，對(duì)于4級(jí)土石類導(dǎo)流建筑物，相應(yīng)的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為洪水重現(xiàn)期20～10年。

2.2 導(dǎo)流方式

壩址區(qū)兩岸山體雄厚，岸坡基巖出露，巖性以石英閃長(zhǎng)巖為主，具有良好的隧洞布置條件。根據(jù)壩址區(qū)地形與地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)及施工進(jìn)度要求，推薦采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)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(fā)電工期的關(guān)鍵項(xiàng)目，基坑過(guò)水及過(guò)水后的基坑清理等影響發(fā)電工期和工程總工期，經(jīng)濟(jì)損失較大，大壩宜采用全年施工。本河段無(wú)通航，干流常年不結(jié)冰，不需考慮通航、排冰設(shè)計(jì)。

根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件、樞紐建筑物布置特點(diǎn)、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(dǎo)流”的導(dǎo)流方式。

3 圍堰布置方案

本工程施工期設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量為5 670 m3/s，對(duì)于采用斷流圍堰基坑全年施工、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，如何合理地確定圍堰及導(dǎo)流洞的規(guī)模，將直接影響導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)度、工程量及投資，因此，根據(jù)圍堰布置原則及工程特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)流擋水建筑物進(jìn)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(jiàn)崩坡積堆積物，塊徑較大，厚度2～5 m?；A(chǔ)河床覆蓋層為漂(塊)砂卵(碎)礫石及含漂砂卵礫石層，層次簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，厚度20.77～27.32 m。河床覆蓋層以粗顆粒為主，無(wú)集中成帶的砂層等細(xì)顆粒分布，承載力較高，堰基不均勻沉陷和抗滑穩(wěn)定問(wèn)題不突出，施工時(shí)應(yīng)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(duì)其進(jìn)行比較分析。

3.1.1 混凝土圍堰

混凝土圍堰的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇洪水，相應(yīng)流量為Qp=10%=5 050 m3/s。經(jīng)計(jì)算，在相同的導(dǎo)流洞規(guī)模的前提下，堰前設(shè)計(jì)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(chǔ)防滲采用帷幕灌漿，并設(shè)置排水孔；經(jīng)初步分析計(jì)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(wàn)m3。

為保證混凝土圍堰的施工，圍堰之前需增設(shè)一道枯期土石圍堰，該土石圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇設(shè)計(jì)洪水，擋水時(shí)段為11月～5月，相應(yīng)流量為Qp=20%=1 110 m3/s；經(jīng)計(jì)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(chǔ)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(shè)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(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇洪水，相應(yīng)流量為Qp=5%=5 670 m3/s。在相同的導(dǎo)流洞規(guī)模的前提下，圍堰頂高程為2 766.00 m，最大堰高約58.0 m，經(jīng)初步分析計(jì)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(shè)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(duì)地基的要求較低，可充分利用工程開(kāi)挖料，造價(jià)低廉；混凝土圍堰所需的水泥、粉煤灰等主要建材均需外購(gòu)，而本工程地理位置偏遠(yuǎn)，海拔較高，對(duì)外交通條件較差，運(yùn)費(fèi)較高。

土石圍堰施工受氣候影響小，施工技術(shù)簡(jiǎn)單，可組織高強(qiáng)度施工，一個(gè)枯水期內(nèi)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(jìn)行基坑排水、混凝土圍堰基礎(chǔ)開(kāi)挖和處理，然后才能進(jìn)行混凝土圍堰澆筑施工。根據(jù)施工進(jìn)度分析，防滲墻施工需要3個(gè)月，圍堰基礎(chǔ)開(kāi)挖和處理需要2個(gè)月，枯期(11月～5月)剩余2個(gè)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(dǎo)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(wú)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(chǎng)，運(yùn)距增大，不經(jīng)濟(jì)。

近年來(lái)在金沙江、雅礱江和大渡河上設(shè)計(jì)、施工了多座60 m左右的土石圍堰，積累了較多的工程經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)以上綜合分析比較，土石圍堰的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，相應(yīng)流量為5 670 m3/s，下游圍堰設(shè)計(jì)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(dāng)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(jié)合布置的可能性。下面對(duì)結(jié)合和不結(jié)合布置方案進(jìn)行比較選擇。

3.2.1 結(jié)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(wàn)m3，導(dǎo)流洞下閘前將頂部4m混凝土爆破拆除，將頂高程恢復(fù)至3 730.00 m，滿足二道壩永久運(yùn)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?？萜谕潦瘒甙?年一遇枯期洪水考慮(11月～5月)，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為Qp=20%=1 100 m3/s，設(shè)計(jì)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(tái)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(kāi)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(jìn)行。經(jīng)施工進(jìn)度分析，河床截流后上、下游兩道防滲墻施工需3個(gè)月，二道壩基礎(chǔ)開(kāi)挖和基礎(chǔ)處理需2個(gè)月，枯期期(11月～5月)剩余2個(gè)月難以完成46 m高的二道壩(全年圍堰)施工。構(gòu)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(wàn)m3，碾壓混凝土最高月澆筑強(qiáng)度5.0萬(wàn)m3，實(shí)際施工歷時(shí)3.5個(gè)月。

因此，下游枯期土石圍堰需按過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)。過(guò)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(guò)流堰面采用1.0 m厚大塊石進(jìn)行護(hù)面，圍堰的布置如圖3所示。

圖3 結(jié)合方案圍堰剖面圖

3.2.2 不結(jié)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(tái)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(tái)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(jié)合方案圍堰剖面圖

3.2.3 方案比選

結(jié)合方案的枯期土石圍堰(汛期過(guò)水)底寬約100 m，不結(jié)合方案的全年擋水土石圍堰底寬約87 m，兩者基本相當(dāng)，對(duì)導(dǎo)流洞出口布置沒(méi)有影響，亦即不能減短導(dǎo)流洞長(zhǎng)度。

結(jié)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(wàn)元；且加高部分需導(dǎo)流洞下閘前采用控制爆破拆除，施工工藝要求較高。

結(jié)合方案的枯期土石圍堰(汛期過(guò)水)需做好堰面過(guò)流保護(hù)，堰面防護(hù)大塊石約8 600 m3，施工相對(duì)復(fù)雜，且造價(jià)相對(duì)較高；不結(jié)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(wàn)m3，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，且造價(jià)低。大塊石單價(jià)按120元/ m3考慮，土石填筑單價(jià)按30元m3考慮，結(jié)合方案的枯期土石圍堰較不結(jié)合方案的全年擋水土石圍堰直接投資高22萬(wàn)元。

結(jié)合方案第三年汛期基坑灌水，影響大壩基坑開(kāi)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(guān)鍵線路上的大壩工程施工；不結(jié)合方案二道壩可選擇合理的時(shí)段進(jìn)行施工，可與大壩施工協(xié)調(diào)安排。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

由于圍堰形式選擇的合理與否，直接關(guān)系到導(dǎo)流工程的布置、施工及進(jìn)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(guān)重要。

根據(jù)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(zhì)情況、施工條件、工期及經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面進(jìn)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(jié)合的方案，而且是比較合理的，對(duì)于今后類似水電工程圍堰型式選擇有一定的指導(dǎo)價(jià)值。