大渡河枕頭壩一級水電站縱向土石子圍堰防滲方案研究

謝豪　袁端

【摘 要】枕頭壩一級水電站縱向土石子圍堰基礎(chǔ)覆蓋層深厚，最厚處達(dá)60多m，以卵礫石為主，屬強(qiáng)透水層，圍堰保護(hù)基坑開挖深度較深，防滲方式可靠與否對工程安全至關(guān)重要。本工程通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選最終確定縱向土石子圍堰的防滲方案，為相關(guān)工程提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】枕頭壩一級水電站；圍堰；防滲；研究

0 工程概況

枕頭壩一級水電站為大渡河干流規(guī)劃的第十九個(gè)梯級，位于大渡河中下游樂山市金口河區(qū)的核桃坪河段上，上游距離深溪溝電站25km，下游距離枕頭壩二級電站4.1km。壩址處控制流域面積73057km2，多年平均流量1360m3/s。

電站為二等大（2）型工程，采用堤壩式開發(fā)，裝機(jī)容量720MW（4×180MW），多年平均發(fā)電量32.90億kW·h，正常蓄水位624m，水庫總庫容0.469億m3。工程開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游用水。樞紐由左岸非溢流壩段、河床廠房壩段、排污閘與泄洪閘壩段及右岸非溢流壩段組成，最大壩高86.5m。

1 自然條件

1.1 水文氣象

壩址河段屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)，河谷地區(qū)四季明顯，年平均氣溫一般為13～18℃，最低氣溫-5℃，最高氣溫多發(fā)生在七八月，年蒸發(fā)量達(dá)1200～1600mm，年平均相對濕度70%，多年平均年降水量1000mm。主汛期為6～9月，年最大流量多出現(xiàn)在六七月。大渡河洪水是在上游融雪基礎(chǔ)上加中下游暴雨洪水組成，常形成多峰洪水，洪水過程肥胖，漲落變幅小、底水高、持續(xù)時(shí)間長。

1.2 地形地質(zhì)

本工程壩址為一較寬緩的“V”形谷，枯水期河面高程589～590m，河水面寬70～130m，水深7～9m。河谷兩岸坡度總體上具有左陡右緩之勢。壩址兩岸出露基巖主要為前震旦系爛包坪組（Pt2l）玄武巖，壩址河床段覆蓋層深厚，最厚處達(dá)60多m，河床覆蓋層物質(zhì)組成自上而下總體分為2～4層，均以卵礫石或碎塊石為主，屬強(qiáng)透水層，局部段分布有砂夾細(xì)礫層，偶爾見有草綠色、灰色中粗砂或細(xì)砂層。

2 施工導(dǎo)流規(guī)劃

本工程采用明渠分期導(dǎo)流方式，一期由左岸河床泄流，圍右岸進(jìn)行導(dǎo)流明渠及縱向混凝土圍堰施工；二期由右岸導(dǎo)流明渠導(dǎo)流，圍左岸進(jìn)行左岸擋水壩段、廠房壩段、排漂閘壩段和2孔泄洪閘壩段施工；三期由2孔泄洪閘導(dǎo)流，圍右岸進(jìn)行剩余3孔泄洪閘壩段施工。

一期導(dǎo)流主要由預(yù)留巖埂和縱向土石子圍堰擋水，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇全年10年一遇，相應(yīng)流量為Q10%=6080m3/s，導(dǎo)流明渠進(jìn)口處的河床水位為599.04m，壩軸線處的河床水位為598.16m。

一期縱向圍堰總長為1064.30m，由預(yù)留巖埂及土石子圍堰組成，從導(dǎo)流明渠進(jìn)口至壩軸線上游（壩縱0-063.20m樁號(hào)）均可通過預(yù)留巖埂擋水，預(yù)留巖埂頂高程為600.0m，長380m，壩軸線上游（壩縱0-063.20m樁號(hào)）至下游導(dǎo)流明渠出口位置需修建縱向土石子圍堰擋水，土石子圍堰頂高程599.00m，長684.30m，頂寬6m，迎水面坡度1：1.0，背水面坡度1：1.5，迎水面采用鉛絲籠+噴20cm厚混凝土保護(hù)，噴混凝土內(nèi)設(shè)置φ50排水孔，間排距3×3m，梅花型布置，仰角10°。為防止水流淘刷堰腳，在圍堰迎水面堰腳設(shè)置2.0m深的齒槽，齒槽采用C10混凝土澆筑形成。

3 縱向土石子圍堰防滲方案研究

3.1 灌漿試驗(yàn)

由于縱向土石子圍堰基礎(chǔ)覆蓋層深厚且組成復(fù)雜，使用年限達(dá)2年，為了確保圍堰的防滲效果，現(xiàn)場進(jìn)行了圍堰的灌漿試驗(yàn)，具體試驗(yàn)成果如下：

（1）控制性灌漿試驗(yàn)是比較成功的：最大試驗(yàn)深度55m，接近實(shí)際施工最大防滲深度；防滲效果較好，單排孔孔距1.0m和雙排孔孔距1.5m時(shí)，K值均可達(dá)到<10-4cm/s的設(shè)計(jì)要求；水泥單耗適中，鉆灌工效5.5m/d。

（2）高噴灌漿試驗(yàn)造孔只能達(dá)到40m深度，孔距0.6m和1.0m的雙排孔，防滲效果不理想，有30%的孔段K值為10-3cm/s量級。

（3）改良性高噴灌漿試驗(yàn)深度僅為20m，防滲效果也不理想，50%孔段K值為10-3cm/s量級，不宜采用作為比選方案。

3.2 防滲方案擬定

根據(jù)灌漿試驗(yàn)成果，縱向土石子圍堰采用雙排控制性灌漿孔防滲，能基本滿足工程要求，但對粉砂層效果較差?；炷练罎B墻是覆蓋層地基防滲的主要措施之一，且應(yīng)用廣泛，防滲效果好，可靠性高，成功經(jīng)驗(yàn)多。

堰體防滲施工平臺(tái)防洪標(biāo)準(zhǔn)選擇全年5年一遇洪水，相應(yīng)流量為5530m3/s，對應(yīng)水位為596.27m，取防滲施工平臺(tái)高程為597.00m?？v向土石子圍堰597.00m高程以上均采用粘土心墻防滲， 597.00m高程以下部位的防滲方式擬對控制性灌漿、混凝土防滲墻、控制性灌漿與混凝土防滲墻相結(jié)合三種防滲方案進(jìn)行比選。

3.3 防滲方案設(shè)計(jì)

（1）方案一：雙排控制性灌漿方案

控制性灌漿方案考慮采用雙排孔布置，孔距1.5m，排距0.8m，分Ⅰ、Ⅱ序進(jìn)行，防滲灌漿孔入巖1.0m，防滲灌漿采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下分段灌漿法進(jìn)行施工，Ⅰ序孔灌漿壓力2.0MPa，Ⅱ序孔灌漿壓力2.5MPa；灌漿孔開孔孔徑為91mm，終孔孔徑應(yīng)不小于56mm。

控制性灌漿單排防滲面積為31796m2，單排孔軸線長度695m，平均孔深45.75m，采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，控制性灌漿單臺(tái)套設(shè)備鉆灌平均速度為5.5m/d。擬投入60臺(tái)套鉆灌設(shè)備，則防滲灌漿施工總工期約為155d。

（2）方案二：混凝土防滲墻方案

混凝土防滲墻深入基巖1.0m，最大防滲深度為63m，防滲墻承受的最大水頭為33.5m，根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降確定混凝土防滲墻墻體厚度為0.8m。一期、二期槽段長度均為6.8m，主孔孔徑為0.8m，副孔長度為1.2m。

混凝土防滲墻采用“鉆劈法”成槽施工，單臺(tái)沖擊鉆機(jī)平均工效為3.5m/d。混凝土防滲墻防滲面積為31796m2，軸線長度為695m，平均孔深45.75m，共350個(gè)孔，116個(gè)槽段，其中Ⅰ期槽58個(gè)，Ⅱ期槽58個(gè)，平均工效為3.5m/d*臺(tái)，擬投入58臺(tái)沖擊鉆機(jī)，則混凝土防滲墻施工總工期約為115d。

（3）方案三：混合（雙排控制性灌漿+混凝土防滲墻）防滲方案

由于控制性灌漿對粉砂層防滲效果較差，為了彌補(bǔ)不足同時(shí)又考慮經(jīng)濟(jì)性，故考慮將雙排控制性灌漿與混凝土防滲墻相組合的方案。本工程除縱向子圍堰上游端（0+006.00～0+168.00m樁號(hào)段）及下游端（0+630.80～0+701.66m樁號(hào)段）粉砂、細(xì)砂層分布較少，防滲深度在42m以內(nèi)外，中間段（0+168.00～0+630.80m樁號(hào)段）的地層中從上到下分布了三層較連續(xù)的粉砂、細(xì)砂層，且該段防滲深度均在42m以上，局部達(dá)到64.3m，由于控制性灌漿在粉砂、細(xì)砂層中的可灌性較差，而混凝土防滲墻在此類地層中能達(dá)到很好的防滲效果。故根據(jù)地層及覆蓋層深度不同的部位，在縱向子圍堰0+006.00～0+168.00m樁號(hào)段及0+630.80～0+701.66m樁號(hào)段采用雙排控制性灌漿防滲，0+168.00～0+630.80m樁號(hào)段采用混凝土防滲墻防滲。

控制性灌漿孔和混凝土防滲墻布置參數(shù)、施工工效同方案一和方案二?？刂菩怨酀{單排防滲面積為6609m2，單排孔軸線長度232.86m，平均孔深28.4m，擬投入16臺(tái)套鉆灌設(shè)備，防滲灌漿施工工期約為120d?；炷练罎B墻防滲面積為25187m2，軸線長度為462.8m，平均孔深54.4m，共234個(gè)孔，77個(gè)槽段，其中Ⅰ期槽39個(gè)，Ⅱ期槽38個(gè)，擬投入39臺(tái)沖擊鉆機(jī)，則混凝土防滲墻施工工期約為129d。

3.4 滲流分析計(jì)算

（1）計(jì)算工況

1）控制性灌漿方案：雙排灌漿孔伸入覆蓋層1/3處、2/3處和防滲灌漿至基巖3個(gè)工況；

2）混凝土防滲墻方案：防滲墻伸入覆蓋層1/3處、2/3處和全封閉防滲墻3個(gè)工況；

3）控制性灌漿+混凝土防滲墻方案。

（2）計(jì)算結(jié)果

1）控制性灌漿方案

縱向子圍堰控制性灌漿伸入覆蓋層1/3、2/3及基巖時(shí)總滲流量分別為5541.3m3/h、4416.5m3/h、1936.6m3/h。

控制性灌漿孔伸入覆蓋層1/3、2/3時(shí)防滲體下部覆蓋層及出逸點(diǎn)附近滲透坡降在0.46以上，均大于該處覆蓋層允許坡降值（0.40），滲流穩(wěn)定不能滿足要求。控制性灌漿孔伸入基巖時(shí)滲透坡降最大處在防滲體下部巖體，其最大值約為4.66，出逸點(diǎn)附近滲透坡降約為0.36，小于該處覆蓋層允許坡降值（0.40），滲透穩(wěn)定滿足要求。

2）混凝土防滲墻方案

縱向子圍堰混凝土防滲墻伸入覆蓋層1/3、2/3及基巖時(shí)總滲流量分別為4875.6m3/h、3456.8m3/h、103.0m3/h。

懸掛式防滲墻伸入覆蓋層1/3、2/3時(shí)防滲體下部覆蓋層及出逸點(diǎn)附近滲透坡降在0.42以上，均大于該處覆蓋層允許坡降值（0.40），滲流穩(wěn)定不能滿足要求。全封閉防滲墻方案滲透坡降最大處在防滲體下部巖體，其最大值約為2.19，出逸點(diǎn)附近滲透坡降約為0.16，小于該處覆蓋層允許坡降值（0.40），滲透穩(wěn)定滿足要求。

3）控制性灌漿+混凝土防滲墻方案：

該方案只考慮混凝土防滲墻、控制性灌漿孔均到達(dá)基巖的工況，縱向子圍堰總滲流量為463.4 m3/h，滲透穩(wěn)定滿足要求。

3.5 防滲方案比選

縱向土石子圍堰597.00m高程以下防滲方案的投資及工期比較見表1，優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表1 各防滲方案投資及工期比較表

表2 各防滲方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

綜上分析，三個(gè)方案的投資最大差值為165.20萬元，占整個(gè)防滲投資的比重較小，不是控制性因素。方案三在工期和投資上介于方案一和方案二之間，該方案克服了控制性灌漿在粉砂層地層上可灌性差的缺點(diǎn)，既能發(fā)揮控制性灌漿單臺(tái)套施工設(shè)備施工工效較高的特點(diǎn)，也能發(fā)揮混凝土防滲墻在深厚覆蓋層地層中防滲可靠度高，實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)多的優(yōu)勢，能達(dá)到較好的防滲效果，故推薦縱向子圍堰597.00m高程以上采用粘土心墻防滲，597.00m高程以下采用混合（雙排控制性灌漿+混凝土防滲墻）防滲方案。

4 結(jié)語

枕頭壩一級水電站縱向土石子圍堰基礎(chǔ)覆蓋層深厚，屬強(qiáng)透水層，圍堰保護(hù)基坑開挖深度較深，防滲方式可靠與否對工程安全至關(guān)重要。本文通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)得出灌漿方式的適應(yīng)性和工效，對不同防滲方式及深度進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，再由工期、投資及優(yōu)缺點(diǎn)比較最終確定縱向土石子圍堰的防滲方案，為相關(guān)工程提供了借鑒。

[責(zé)任編輯：湯靜]