金龍灘閘室底板減薄后閘室安全性評(píng)價(jià)

陳詩(shī)錦

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

1 工程簡(jiǎn)況

金龍灘水電站位于湖北省恩施州來(lái)鳳縣境內(nèi)沅水下游左岸支流之酉水干流上，上游距來(lái)鳳縣城約45 km。水庫(kù)校核洪水位358.50 m，正常蓄水位344.50 m，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容3230萬(wàn)m3。樞紐工程由右岸非溢流壩、溢流閘壩 （攔河閘）、電站進(jìn)水口、河床式廠房、電站副廠房以及防洪墻等建筑物組成。大壩全長(zhǎng)162.4 m，壩頂高程359.50 m，溢流閘壩最大壩高27.1 m，河床式廠房段最大高度41.20 m。電站共裝機(jī)3臺(tái)，總裝機(jī)容量27 MW。

溢流閘壩段 （攔河閘）緊挨非溢流壩段布置，承擔(dān)著泄洪、施工期導(dǎo)流和排沙任務(wù)，壩頂高程359.50 m，總長(zhǎng)72 m，共設(shè)5孔開敞式泄洪孔,每孔凈寬12 m，堰頂高程334.50 m，校核洪水位時(shí)最大泄量9800 m3/s。泄洪閘順?biāo)鞣较蛴缮嫌武伾w、控制段和消能防沖段 （消力池）組成。上游鋪蓋長(zhǎng)15 m，控制段總長(zhǎng)23 m，后緊接消力池，采用底流消能，消力池末端設(shè)消力坎，坎高1 m。溢流壩控制段底部建基面基巖高程331.50 m，根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和閘室前緣長(zhǎng)度，5孔泄洪閘分為3個(gè)壩段，即左右兩閘室一聯(lián)，中間3號(hào)閘室為一獨(dú)立壩段，呈倒 “∏”形置于灰?guī)r地基上。底板設(shè)計(jì)厚度2 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20；閘墩厚2 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25。結(jié)構(gòu)分縫在2號(hào)和4號(hào)閘孔底板中心處，縫寬20 mm，縫間設(shè)銅片和橡膠兩道止水。

壩基與壩肩持力層均為奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組（01n），巖性為中厚層-薄層泥粉晶灰?guī)r與灰質(zhì)白云巖，巖性較堅(jiān)硬，飽和抗壓強(qiáng)度50 MPa，屬中硬巖。建基面巖體弱～微風(fēng)化，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀 30°/SE∠3°～10°。 壩基地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單， 建基面無(wú)連續(xù)軟弱夾層分布，巖層產(chǎn)狀展布穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)貫通壩基和兩岸壩肩上、下游的大斷層。壩基圍巖總體屬Ⅲ類，按規(guī)范滿足大壩建基要求。

工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，工程設(shè)防烈度Ⅵ度。

2 閘基施工

（1）地基開挖。閘基巖體巖性單一，巖體為中-薄層結(jié)構(gòu)，局部薄層厚2～5 mm，產(chǎn)狀近水平，垂直裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化程度低，屬微風(fēng)化-新鮮巖體，巖石堅(jiān)硬，巖溶較發(fā)育，見(jiàn)個(gè)別溶洞及溶隙。河床部分基本無(wú)覆蓋層，開挖中已對(duì)建基面斷層鈣泥質(zhì)物進(jìn)行了沖洗，并用C15混凝土充填。

（2）固結(jié)灌漿。對(duì)整個(gè)閘壩基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，孔、排距均為3 m，深5 m，呈梅花形布置，共鉆灌漿孔122孔，灌漿長(zhǎng)度635 m。

（3）帷幕灌漿。壩址區(qū)大量鉆孔壓水試驗(yàn)資料表明:弱透水段 （1≤q＜10 Lu）占83%，中等透水段 （10≤q＜100 Lu）占 15.8%， 強(qiáng)透水段 （q≥100 Lu）占1.2%。壩基設(shè)一排防滲帷幕，深度按要求達(dá)到相對(duì)不透水層 （5 Lu），河床段最大孔深40.0 m，孔距1.5 m，幕線從壩頭向山體內(nèi)延伸，向左、右岸分別延伸31.0、22.0 m。

（4）閘基處理。壩基巖溶較發(fā)育，建基面揭露多處巖溶，有長(zhǎng)9～15 m的溶槽和洞穴，亦有沿小斷層溶蝕成的塌陷區(qū)。建基面開挖形成后，對(duì)多處巖溶等地質(zhì)缺陷均做了刻槽開挖，并回填埋石混凝土。由于溢流閘壩區(qū)地基巖體存在軟弱夾層，為增加底板與巖基的連接，增加抗滑能力，提高泄水建筑物的穩(wěn)定性，除了布置防滲排水設(shè)施外，在溢流壩控制段底部布置梅花狀錨筋樁，待錨固樁與巖體鑲固后，再澆筑底板混凝土。錨筋樁平均間距2.5 m，順?biāo)鞣较驈纳嫌沃料掠伍g距由密變疏，整個(gè)溢流壩控制段總布錨筋樁258個(gè)。

3 閘室穩(wěn)定及底板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘室按SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用基床系數(shù)法進(jìn)行閘室底板結(jié)構(gòu)計(jì)算，灰?guī)r基礎(chǔ)基床系數(shù)取981000 kN/m2。C20混凝土容重取23.5631 kN/m3，浮容重 13.5631 kN/m3，泊松比0.2。設(shè)計(jì)閘室底板厚度2 m，計(jì)算配筋2925 mm2/m，選用φ25@150 mm鋼筋，實(shí)際配筋3272 mm2/m，經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗裂配筋均滿足規(guī)范要求。

4 3、4號(hào)泄洪閘建基面及閘底板厚度

受外界因素影響，3、4號(hào)閘孔底板施工進(jìn)度拖后，為順利渡汛，閘孔底板基礎(chǔ)開挖時(shí)，部分基礎(chǔ)開挖深度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求便澆筑了混凝土，致使3、4號(hào)閘室底板厚度小于設(shè)計(jì)厚度，其中以3號(hào)閘室為甚，2010年4月委托專門檢測(cè)單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，認(rèn)定底板厚度0.8～1.4 m。

為提高底板結(jié)構(gòu)剛度，在梅花形布置的固結(jié)灌漿孔中增設(shè)錨樁，每根錨樁采用3根φ25鋼筋錨入基巖5 m，插入混凝土底板內(nèi)1 m，并在3號(hào)閘墩及基巖接觸部位增設(shè)20根錨樁，每根錨樁由3根φ32鋼筋組成，深12 m，入巖10 m，插入閘墩混凝土內(nèi)2 m，其頭部設(shè)丁字頭，以加強(qiáng)與混凝土閘墩及底板與基巖的聯(lián)接。

5 閘室底板安全評(píng)價(jià)

仔細(xì)分析設(shè)計(jì)報(bào)告、補(bǔ)強(qiáng)措施及實(shí)際運(yùn)行狀況后認(rèn)為:

（1）由于發(fā)生特殊情況，為了安全度汛，3號(hào)泄洪閘底板厚度為0.8～1.4 m，小于設(shè)計(jì)厚度2.0 m要求。

（2）3號(hào)泄洪閘室為中間閘室，呈倒 “∏”形置于灰?guī)r地基上，巖體完整，堅(jiān)硬中等，巖體彈性模量較大，由于水頭不高，上部荷載較小，底板反向變位小，不致成為底板設(shè)計(jì)的制約因素，泄洪閘底板的配筋實(shí)際按最小含鋼率配筋。

（3）3號(hào)閘室底板下已增加錨筋樁加固，加強(qiáng)了底板與基巖聯(lián)接，底板剛度得到了提高。

（4）采用SAP2000有限元軟件對(duì)3號(hào)閘室進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，底板平均厚度為1.2 m時(shí)，單元網(wǎng)格劃分最大尺寸為0.5 m×0.5 m。計(jì)算成果表明，底板最大彎矩出現(xiàn)在下游附近閘墩邊線處，值為1080 kN·m，最小 （負(fù)）彎矩出現(xiàn)在下游底板閘孔中心附近，值為-300 kN·m。底板最大位移0.53 mm。實(shí)際配筋3272 mm2/m時(shí)，底板應(yīng)力及配筋仍滿足規(guī)范要求，且具有一定強(qiáng)度余度。

（5）泄洪閘在施工期經(jīng)歷了兩次泄洪，因圍堰未拆，僅3、4號(hào)閘泄洪。第一次在2009年8月15日，泄洪流量4700 m3/s（約10年一遇洪水），最高洪水位353 m，高于正常蓄水位 （344.5 m）8.5 m，第二次在2010年6月27日，泄洪流量3000 m3/s，最高洪水位347 m，高于正常蓄水位2.5 m。泄洪后檢查發(fā)現(xiàn)，除泄洪閘消力池后面河床發(fā)生局部沖刷破壞外，泄洪閘及非溢流壩運(yùn)行正常，結(jié)構(gòu)安全。

總的來(lái)說(shuō)，金龍灘電站利用上游二期圍堰抬高水頭5～6 m，曾達(dá)到的最大泄量為4700 m3/s，最高庫(kù)水位353 m，超過(guò)正常高水位8.4 m，比校核洪水位低5.5 m，但處于較大水頭差集中泄洪的不利工況下運(yùn)行，3、4號(hào)泄洪閘底板運(yùn)行正常，未發(fā)生任何破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）由于特殊原因，3號(hào)泄洪閘底板厚度僅為0.8～1.4 m，小于原設(shè)計(jì)要求，但由于金龍灘閘壩不高，基巖為中等堅(jiān)硬的灰?guī)r，彈性模量較大，反向彎矩較小，閘室底板實(shí)際按構(gòu)造配筋，三維有限元計(jì)算成果表明，即使底板按平均厚度1.2 m計(jì)算，現(xiàn)有配筋仍滿足強(qiáng)度及抗裂要求，考慮到3號(hào)閘室底板補(bǔ)強(qiáng)處理后，提升了底板與地基的連接，提高了底板結(jié)構(gòu)剛度，綜合分析施工度汛及低水頭發(fā)電等不利工況下閘室實(shí)際運(yùn)行狀況，3號(hào)閘室底板厚度尚不構(gòu)成制約下閘蓄水的因素，金龍灘水電站可以正常安全運(yùn)行。

（2）考慮到底板減薄有可能造成底板開裂，根據(jù)眾多巖石地基上水閘采用分離式結(jié)構(gòu)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議如果因閘基巖體反彈變形，底板中部產(chǎn)生貫穿性裂縫，既可按結(jié)構(gòu)性裂縫處理規(guī)程及時(shí)對(duì)該裂縫進(jìn)行灌漿處理，也可將該縫改鑿為永久性工作縫，將3號(hào)閘室從整體式結(jié)構(gòu)改為分離式結(jié)構(gòu)，仍可正常運(yùn)行。

（3）從金龍灘3號(hào)閘室底板厚度問(wèn)題可見(jiàn)，巖石地基上不同彈性地基的閘室，在底板結(jié)構(gòu)計(jì)算中，采用規(guī)范推薦的基床系數(shù)法計(jì)算基巖上的閘室底板配筋時(shí)，配筋裕度較大。