官地水電站地下廠房尾水出口圍堰方案優(yōu)化

岳金旗

(四川二灘建設(shè)咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 概述

官地水電站位于雅礱江干流、四川省涼山彝族自治州鹽源縣金河鄉(xiāng)打倮村境內(nèi)，上游與錦屏二級(jí)水電站尾水銜接，下游與二灘水電站相距約145 km，距西昌市公路里程約80 km。

官地水電站工程等級(jí)為一等，樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段、消力池、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成。碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 334 m，最大壩高168 m，壩頂長516 m。溢流壩段布置5孔溢流表孔，每孔凈寬15 m，溢流堰頂高程1 311 m;在左右岸各設(shè)放空中孔，溢流壩段下游接消力池。

引水發(fā)電系統(tǒng)采用右岸地下廠房布置方案，由進(jìn)水口、引水洞、主、副廠房、母線洞、主變室、出線洞、永久通排風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)廠交通洞、尾水管及連接洞、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、廠房排水設(shè)施及地面開關(guān)站等組成。引水發(fā)電系統(tǒng)采用單機(jī)單管供水，裝4臺(tái)單機(jī)容量為600 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 400 MW。

主廠房最大開挖尺寸為243.44 m×31.1 m×76.3 m，機(jī)組安裝高程1 195.8 m。主變室位于主廠房與尾調(diào)室之間。主變室最大開挖尺寸為197.3 m ×18.8 m ×28.6 m，尾調(diào)室最大開挖尺寸為221 m ×21.5 m ×76.5 m，由兩個(gè)單室組成。尾水洞共兩條，1#尾水隧洞長407.377 m，2#尾水隧洞長515.188 m，凈斷面均為16 m×18 m的方圓型，襯厚0.8 ～1.5 m。

2 尾水出口地質(zhì)條件與圍堰施工方案比選

2.1 地質(zhì)條件

出口段有斷層通過及錯(cuò)動(dòng)帶多組，緩傾角結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，緩傾裂隙常呈密集帶產(chǎn)出;出口最大邊坡高達(dá)95 m左右，局部分布陡、緩錯(cuò)動(dòng)帶及裂隙組合，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，邊坡巖體主要為Ⅳ、Ⅴ類沉積凝灰?guī)r，地表、地下均可見溶洞;尾水洞閘基主要置于Ⅱ、Ⅲ類巖體上，巖體較為完整。尾水洞全洞段位于地下水位以下，有裂隙承壓水存在。

2.2 圍堰設(shè)計(jì)原則

尾水洞出口圍堰的防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)不得低于P=10%，并充分考慮因外部條件引起的河水壅高等不利因素的影響。廠房下部混凝土和機(jī)組埋件安裝施工期考慮到廠房施工對(duì)發(fā)電工期的影響，2009年以后將尾水洞出口的防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)提高到P=2%，并要求滿足以下條件:

(1)滿足施工期間右岸交通通行要求;

(2)圍堰布置要充分考慮出口明渠段長度，少占?jí)夯虿徽級(jí)好髑谓ㄖ?

(3)圍堰盡可能座落在基巖上;

(4)滿足工程施工、工期、防洪、抗沖刷要求;

(5)充分利用尾水出口基巖預(yù)留巖坎，減少圍堰工程量，滿足經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的;

(6)便于圍堰的拆除和清渣。

2.3 方案比選

開工后，對(duì)出口圍堰的形式進(jìn)行了多方案的比選。方案一是投標(biāo)時(shí)的一類形式的代表，方案二、三為兩種結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并經(jīng)進(jìn)一步查勘現(xiàn)場(chǎng)后的比選方案。圍堰多方案的比選，主要是基于實(shí)際工程地質(zhì)及水文情況較招標(biāo)文件描述和投標(biāo)文件判斷的變化;其一:導(dǎo)流洞過流后，導(dǎo)流洞過流沖刷導(dǎo)致導(dǎo)流洞出口下游及尾水出口附近河床變化、流態(tài)變化和水位壅高;其二:實(shí)際鉆探揭示的尾水洞出口附近河床基覆線與招標(biāo)文件描述的地質(zhì)情況出入較大。

(1)方案一:尾水洞出口圍堰按不低于6～9月洪水頻率P=2%設(shè)計(jì)(Q=11 000 m3/s)，相應(yīng)的水位高程為1 220.2 m;考慮安全超高，圍堰頂部高程為1 221 m;圍堰采用預(yù)留巖坎加漿砌石圍堰相結(jié)合的形式，預(yù)留巖坎高程約為1 202 m。為確保巖坎圍堰穩(wěn)定和防滲要求，在圍堰基礎(chǔ)巖坎設(shè)置了一排防滲灌漿孔，孔距2 m，深入預(yù)留巖坎高程以下不小于2 m。圍堰基本斷面與迎水面垂直，背水面砌筑成臺(tái)階，坡度為1∶0.75，圍堰頂軸線長260 m，圍堰頂寬為7 m，為更好的滿足錯(cuò)車要求，每隔100 m左右將堰頂適當(dāng)加寬。圍堰迎水面鋪30 cm厚混凝土防滲漏，堰頂澆筑一層20 cm厚的C15混凝土;圍堰底部的最大寬度約為14.25 m，迎水面最大堰高約為19 m，漿砌石砌筑總量為49 200 m3。

(2)方案二:尾水洞出口圍堰采用預(yù)留巖坎與混凝土圍堰相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。堰體堰基均采用水泥灌漿技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)防滲處理。尾水洞出口圍堰采用巖坎與混凝土圍堰相結(jié)合的形式，軸線根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)并考慮下基坑道路的布置確定，圍堰設(shè)計(jì)頂高程為1 225 m，堰頂按雙車道設(shè)計(jì)為9 m，軸線長310 m，混凝土圍堰迎水面垂直，背水面邊坡為1∶0.7，圍堰混凝土標(biāo)號(hào)為C15。圍堰混凝土澆筑總量為69 800 m3。

(3)方案三:由于出口河道狹窄，河道水流湍急，為減少對(duì)基坑的占?jí)?，并且簡化基礎(chǔ)防滲結(jié)構(gòu)，出口汛期圍堰擬采用漿砌石結(jié)構(gòu)，將堰基座落在基巖上。基礎(chǔ)防滲采用固結(jié)灌漿，堰體通過漿砌石擋墻防滲。由于堰頂有交通要求，工程量相對(duì)較大，為節(jié)約造價(jià)，僅在迎、背水面采用漿砌石擋墻、中間箱體采用開挖石渣回填密實(shí)。為保持堰體的整體性，其基礎(chǔ)用漿砌石將上下游擋墻相連。迎水面和背水面的坡比均為1∶0.3，堰頂公路按照泥結(jié)碎石路面標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堰頂寬8.5 m。預(yù)留巖坎高程1 206.58 m，堰頂高程1 221.58 m，堰頂寬8.5 m，相應(yīng)軸線長約202.9 m，最大堰高26.58 m。漿砌石砌筑總量為13 900 m3，土石方回填總量為16 700 m3。

3 河道河床變化及工程地質(zhì)條件變化

3.1 河道河床變化導(dǎo)致水位流量關(guān)系變化

導(dǎo)流洞截流后，經(jīng)過2008年一個(gè)汛期，雅礱江河道尾水洞出口段底部淤積的泥沙及石渣越來越多，致使江水水位壅高，在相同流量情況下，相同部位2008年汛期以后的水位比2008年汛期以前的水位上升約5.38 m，比招標(biāo)文件中提供的水位高約 5.17 m(表1)。

3.2 尾水出口工程地質(zhì)條件變化

表1 導(dǎo)流洞過流前后出口水位變化表

實(shí)測(cè)圍堰底部基覆線情況與投標(biāo)時(shí)推測(cè)基覆線情況出入較大，圍堰施工范圍內(nèi)底部存在很多破碎巖體，破碎巖體深度為3.7～21.26 m，其中圍堰兩個(gè)轉(zhuǎn)彎段破碎巖體最深，且尾水出口河床水位抬高約5.38 m，致使圍堰基礎(chǔ)無法座落在基巖上(表2)。

表2 尾水出口圍堰實(shí)測(cè)基覆線高程表

4 最終確定的圍堰方案

根據(jù)三個(gè)方案的不同特點(diǎn)，在滿足圍堰設(shè)計(jì)原則的條件下，結(jié)合河道河床變化、基覆線出露情況，最終確定的圍堰方案為:尾水出口圍堰采取三期圍堰施工，二期圍堰與尾水洞巖塞聯(lián)合擋水度汛。

一期圍堰為枯期圍堰，采用河床堆積料、尾水出口開挖砂礫石料或碎石土料填筑，做粘土心墻防滲，圍堰高程為1 208 m。

二期圍堰為埋石混凝土(標(biāo)號(hào)C15)圍堰，圍堰布置在永久結(jié)構(gòu)物外側(cè)，堰體部分建在覆蓋層上，圍堰與尾水洞預(yù)留巖塞(長25 m)聯(lián)合度汛，堰頂高程1 218.5 m(不含1.2 m防浪墻)，堰高16 m，堰體長211.7 m，圍堰外側(cè)布設(shè)頂 高 程 為1 207.5 m、入巖1 m、厚1 m的鋼筋混凝土防滲墻;圍堰底覆蓋層基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)布設(shè)混凝土斜墻支撐圍堰基角，防止圍堰傾覆;對(duì)埋石混凝土圍堰底部覆蓋層進(jìn)行固結(jié)灌漿。防滲墻混凝土總量為2 683 m3、堰體埋石混凝土總量為24 450 m3(其中C15混凝土約為17 200 m3)，見圖1、2。

圖1 尾水出口圍堰軸線布置圖

圍堰內(nèi)側(cè)抗傾覆加固:待尾水出口明渠靠圍堰部分開挖至設(shè)計(jì)高程后，對(duì)混凝土圍堰上游彎段0+48～0+96.76、下 游 彎 段 0+148～0+209.27段底部的覆蓋層進(jìn)行清理至基巖面，然后從基巖面澆筑C20混凝土支墩置換覆蓋層，總長約110 m。C20混凝土支墩頂寬1 m，內(nèi)側(cè)坡比為1∶0.45，高度根據(jù)實(shí)際開挖情況確定。為保證C20混凝土支墩與基巖面連接牢固，在交接部位分別設(shè)置φ32，L=6 m的插筋，插筋間排距均為1.5 m，插筋錨入基巖面或混凝土圍堰4.5 m，外露部分埋入C20混凝土支墩內(nèi)。C20混凝土總量為4 980 m3。

圖2 尾水出口圍堰防滲、灌漿、加固斷面圖

三期圍堰為枯期圍堰，主要為拆除二期圍堰設(shè)置，堰頂高程為1 206 m。

由于河道河床變化導(dǎo)致水位流量關(guān)系變化，致使三期圍堰的形成和二期圍堰的拆除困難加大，在形成三期圍堰前，利用一個(gè)枯期將河道清理至原河道高程，尾水出口河段水位流量關(guān)系曲線基本達(dá)到導(dǎo)流洞過流前的狀況，以達(dá)到三期圍堰施工、二期圍堰拆除、保證發(fā)電出力的目的。

在進(jìn)行尾水出口邊坡高程1 225 m以上開挖時(shí)，采取不同高程的臨時(shí)預(yù)留集渣平臺(tái)、分時(shí)段通行的方法解決右岸交通通行問題。邊坡開挖至高程1 225 m后，利用邊坡高程1 225 m的馬道，增加貼坡混凝土將馬道加寬，與尾閘交通洞連接，形成右岸道路，以保證交通通行。

尾水出口二期圍堰拆除前，尾水閘室啟閉機(jī)及閘門必須安裝調(diào)試完成，并具備下閘擋水條件，以保證2011年安全度汛;考慮到可能不再清理或無條件清理尾水渠的情況，在二期圍堰拆除前，必須提前對(duì)尾水明渠1 208 m高程以下的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行驗(yàn)收。

尾水出口二期圍堰的拆除分三部分進(jìn)行。一是對(duì)高程1 208 m以上部分埋石混凝土圍堰進(jìn)行拆除;二是對(duì)圍堰防滲墻外側(cè)臨河明渠進(jìn)行開挖;三是對(duì)1 208 m高程以下圍堰底部和預(yù)留巖埂進(jìn)行爆破拆除。

5 擋水圍堰效果

尾水出口圍堰一期、二期施工已經(jīng)完成。一期圍堰施工時(shí)段為:2008年11月～2009年1月;二期圍堰施工時(shí)段為:2009年1月～2009年5月31日;尾水閘室于2010年12月底具備擋水下閘條件。二期圍堰已經(jīng)經(jīng)歷了2009年、2010年汛期考驗(yàn)，運(yùn)行結(jié)果表明:

(1)圍堰整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)行安全、可靠。

(2)基礎(chǔ)防滲處理效果良好、承重基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理可靠、防傾覆處理及時(shí)、合理、有效，實(shí)現(xiàn)了圍堰的整體設(shè)計(jì)意圖。

(3)比選和優(yōu)化措施合理、經(jīng)濟(jì)，降低了施工和運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)，右岸保通效果良好，最大限度的減少了施工干擾。

(4)圍堰未侵占明渠結(jié)構(gòu)體型空間，施工道路布置合理、便捷，為明渠基坑施工創(chuàng)造了有利的條件。

6 結(jié)語

(1)尾水出口圍堰的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行是非常重要的，其直接影響到整體工程工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、工程安全和施工安全;該工程整個(gè)尾水洞及廠房大部分均在河道枯期水位以下，廠房混凝土施工、金結(jié)、電氣、機(jī)電安裝均同步進(jìn)行，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大，必須認(rèn)真研究圍堰設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格控制圍堰每一道施工工序的質(zhì)量，確保圍堰整體運(yùn)行安全、質(zhì)量可靠。

(2)雅礱江官地水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程尾水出口圍堰設(shè)計(jì)和施工是整個(gè)工程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，導(dǎo)流洞過流后導(dǎo)致導(dǎo)流洞出口近600 m河道河床發(fā)生變化，致使河道水位壅高;出口段基覆線的變化增加了圍堰設(shè)計(jì)的不確定因素，給圍堰的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行帶來了很大的難度和風(fēng)險(xiǎn);圍堰和巖塞聯(lián)合度汛的方式解決了河水壅高帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)和施工難度，出口段基覆線的實(shí)測(cè)勘察為圍堰結(jié)構(gòu)的選擇奠定了基礎(chǔ)。

(3)圍堰方案確定后，施工過程的質(zhì)量控制成為圍堰成敗的關(guān)鍵。覆蓋層地基承載力的加強(qiáng)及圍堰內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)加固直接影響到圍堰的整體穩(wěn)定，圍堰基礎(chǔ)臨江側(cè)的鋼筋混凝土防滲墻施工質(zhì)量是堰體基礎(chǔ)防滲的關(guān)鍵，官地水電站圍堰從設(shè)計(jì)比選確定，到施工工序質(zhì)量控制都經(jīng)歷了嚴(yán)格的審核、把關(guān)。事實(shí)證明:圍堰的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行是成功的。