多布水電站工程一期圍堰防滲設(shè)計

謝瑞昌,春光魁,楊靜安

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

摘 要：多布水電站一期岸邊圍堰基礎(chǔ)覆蓋層深厚,，地質(zhì)條件復(fù)雜,，圍堰防滲范圍較大。通過計算滲流場的滲透壓力分布,、滲透坡降以及滲漏量,，確定防滲深度、防滲范圍等,，一期圍堰懸掛防滲范圍,，大致呈倒梯形分布。采用高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻相結(jié)合型式,。一期圍堰防滲設(shè)計經(jīng)歷了3 a期擋水考驗,，保證了左岸基坑的開挖及混凝土澆筑,防滲效果良好,。

關(guān)鍵詞：圍堰;防滲設(shè)計;深厚覆蓋層,；多布水電站

1 工程概況

多布水電站工程施工項目關(guān)鍵線路為左岸一期基坑開挖→廠房施工→主河床截流及圍堰施工→砂礫石壩施工→泄洪閘下閘→首臺機組發(fā)電→最后一臺機組發(fā)電。

一期圍堰工程包括一期圍堰填筑,、堰基堰體防滲處理以及河床圍堰側(cè)邊坡防護,。

2 設(shè)計條件

2.1 自然條件

尼洋河流域地處青藏高原東南部，具有大陸性高原溫帶半濕潤氣候特征,，四季分明,。多年平均氣溫8.4 ℃，多年平均降水量為838.0 mm,，多年平均蒸發(fā)量為1 766 mm,。

壩址以上控制流域面積約15 700 km2，壩址區(qū)多年平均流量486 m3/s,，每年11月—次年4月為旱季,，干旱少雨,、氣溫較低。5—10月為雨季,，降雨主要集中6—9月,。占全年降水量的75%以上。

壩址處河谷相對較窄,，河流流向為NE66.5°～52°,，主流偏左岸，河谷呈“U”形,，平水期河水位為3 055.00～3 056.00 m,，水深約3～4 m，谷寬158～187 m,。下游峽谷出口受擋水堤影響,，主流偏右岸，谷寬700～1 750 m,。河道平均坡降0.44%,。壩址區(qū)左岸主要發(fā)育河谷Ⅲ級階地，峽谷進出口發(fā)育漫灘及Ⅰ,、Ⅱ級堆積階地,。

壩址左岸和河床覆蓋層深厚，一期圍堰頂以下覆蓋層厚達194.4～286.3 m,，壩址區(qū)覆蓋層可以分為14層,。

2.2 導(dǎo)流方案

2.2.1 導(dǎo)流方式

壩址處主河道河谷較寬闊，主河床上布置有砂礫石復(fù)合壩,，左岸Ⅲ級階地上布置有泄洪閘,、生態(tài)放水閘、廠房和魚道,，泄洪閘孔口尺寸較大,、泄流能力較強，生態(tài)放水閘與泄洪閘相鄰布置,，同時施工,。根據(jù)地形及樞紐布置特點，本階段推薦采用分期導(dǎo)流方式,，一期左岸邊圍堰擋水,，河床過流，左岸基坑全年施工,；二期主河床一次斷流,，泄洪閘、生態(tài)放水閘過流，河床砂礫石壩施工,。

2.2.2 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

本樞紐工程屬Ⅲ等中型工程,，主要建筑物為3級，二期導(dǎo)流建筑物與永久泄洪閘,、生態(tài)放水閘,、砂礫石壩體結(jié)合布置。

一期導(dǎo)流建筑物的級別為5級,，一期導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)選擇10年一遇洪水重現(xiàn)期,，相應(yīng)導(dǎo)流流量Q10%=2 910 m3/s[4]。

二期導(dǎo)流建筑物的級別為4級,，二期導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)選用10年一遇洪水重現(xiàn)期,。相應(yīng)導(dǎo)流流量，第3年11月—第4年5月枯水期Q10%=1 390 m3/s,，第4年6—9月汛期Q10%=2 910 m3/s,，第4年10—12月枯水期Q10%=961 m3/s。

2.2.3 導(dǎo)流程序

(1) 一期導(dǎo)流：2012年5—12月,，原河床過水,，進行一期左岸圍堰開挖成型、填筑,、防滲施工,。2013年1月—2014年10月，原河床過水,，一期圍堰擋水,，進行左岸泄洪閘、生態(tài)放水閘,、引水發(fā)電系統(tǒng),、魚道工程施工。其中,，2013年5—6月,，右壩肩開挖清坡；2014年10月主河床截流前,，右壩肩開挖平臺上施工砂礫石壩混凝土防滲墻,，泄洪閘右邊墻澆完后填筑邊墻至一期圍堰之間砂礫石壩,，之后施工此部分砂礫石壩混凝土防滲墻,。

(2) 二期導(dǎo)流：2014年11月，電站進水口閘門和廠房尾水閘門具備擋水條件,，主河床截流,，泄洪閘、生態(tài)放水閘、魚道過水,，河床上,、下游橫向圍堰擋水。二期導(dǎo)流期間主要進行砂礫石壩填筑及機組安裝等工程施工,。

3 一期圍堰防滲設(shè)計

3.1 一期防滲布置思路

一期工程泄洪閘,、引水發(fā)電系統(tǒng)基坑的左岸為大山體，山體地貌極不規(guī)則,，地面起伏變化大,，基坑左岸覆蓋層開挖邊坡1∶1.5，邊坡頂高程3 085.00～3 102.00 m,，比一期擋水高程3 063.00 m高出22～39 m,，山體后緣延伸深遠，圍繞基坑左岸山體的防滲布置很不經(jīng)濟,。

一期泄洪閘,、引水發(fā)電系統(tǒng)基坑左岸覆蓋層山體未布置防滲系統(tǒng)，只能在基坑右岸臨河側(cè)布置防滲及圍堰設(shè)計,。左岸覆蓋層山體地下水豐富,，施工期左岸山體地下水大量滲入基坑，給基坑施工造成了一定困難,。經(jīng)比較,，滲水的抽排費用遠遠小于在左岸覆蓋層山體布置防滲系統(tǒng)。

3.2 一期圍堰堰體設(shè)計

沿壩址左岸尼洋河岸邊填筑圍堰,、部分預(yù)留砂礫石坎,，其布置以能將泄洪閘、生態(tài)放水閘,、引水發(fā)電系統(tǒng),、魚道全部圍護，使之施工不受洪水影響為原則[8-10],。

2014年汛期度汛,，河床下泄流量Q10%=2 910 m3/s時，一期圍堰上游段堰前水位為3 061.15 m,，堰頂高程為3 063.00 m,。一期圍堰中間段及下游段圍堰頂高程為3 063.00～3 060.56 m。堰頂寬度8.0～14.0 m,，一期圍堰沿左岸基坑全長991.22 m,。

砂礫石坎開挖最大高度9.16 m，迎水面為自然邊坡,，背水面開挖邊坡為1∶1.75,。圍堰在泄洪閘右邊墻附近(Y0+358.20 m～588.40 m)預(yù)留坎體較小,，需要填筑砂礫石以達到設(shè)計斷面尺寸，與開挖斷面平順相接,。砂礫石填筑最大高度6.44 m,，最大頂寬14.0 m，迎水面坡度1∶2.0,，背水面坡度1∶1.75,。

一期圍堰部分為預(yù)留砂礫石坎，部分為填筑段,，河床砂礫石坎邊坡經(jīng)歷了千百年長期的自然過流考驗,，形成了穩(wěn)定邊坡，無需再額外防護,。左岸地形凹處進行填筑，未減少過流斷面,，河床下泄度汛流量Q10%=2 910 m3/s時，流斷面最大流速為3.2 m/s,，填筑段河床側(cè)堰坡以鋼筋籠防護,，厚度1.0 m,。

一期圍堰上下游段于河床截流前拆除,。一期圍堰縱向段中，處于二期上游圍堰與壩非結(jié)合段的位置,，一期圍堰與壩重合部分的防滲墻及其兩側(cè)埋土,，于二期基坑填壩前拆除，拆除深度5.39～5.74 m,、長度72.15 m,，一期圍堰縱向段其余防滲墻及填筑體不拆除。

3.3 一期圍堰防滲設(shè)計

本工程一期圍堰的防滲采用高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻結(jié)合的型式,，在圍堰中間段防滲較深部位采用混凝土防滲墻防滲,，在圍堰進出口段防滲較淺部位采用高噴灌漿防滲。

3.3.1 一期圍堰防滲方案比選

(1) 防滲方案比較

初擬高壓噴射灌漿和混凝土防滲墻2種防滲型式方案,，從施工條件,、防滲效果、投入設(shè)備,、費用等方面綜合分析比較如下[5-7]：

施工條件方面,，高噴灌漿和混凝土防滲墻，2種型式目前都擁有完善成熟的施工技術(shù),，技術(shù)上可行,。高噴灌漿施工簡便,、經(jīng)濟,，設(shè)備簡單,、占地少，施工管理方便,，但防滲深度不宜太深,。混凝土防滲墻對地層適應(yīng)性強,，防滲質(zhì)量和工藝可靠,。

防滲效果方面，2種型式均能滿足滲流控制標(biāo)準(zhǔn),，一期岸邊圍堰所處地層中含有大量的沖積中～細砂層(-Ⅱ)和沖積中粗砂層(-Ⅳ1),，近年來,高噴灌漿在同類地層中已建防滲工程實際運行效果不甚理想。地層各組分密實性好,，混凝土防滲墻成孔條件相對有利,，防滲效果較好。

投入設(shè)備方面,，墻深大于32 m地段,，若采用高噴灌漿型式，為保證防滲效果,，需采用2排旋噴孔形式,，每排分2序孔施工，同樣的施工工期需投入的設(shè)備數(shù)量,，比防滲墻要多,，初步估計增大約1倍?；炷练罎B墻設(shè)備數(shù)量可大幅度降低,，明顯占優(yōu)勢。

工程量及投資方面,，混凝土防滲墻型式需要較寬的施工平臺,，增加填筑量和拆除量，施工工期相對較長,投資有所增加,。

(2) 防滲方案選定

一期岸邊圍堰堰體及基礎(chǔ)防滲,，水平長度1 156.28 m，防滲深度19.50～46.52 m,。中間段和部分上下游段0+127.15 m～0+757.61 m,，推薦采用懸掛式混凝土防滲墻防滲，懸掛防滲深度32.00～46.52 m,，防滲墻厚度0.60 m,，坎頂寬度最小14.0 m,。上游段0-60.000 m～0+127.15 m和下游段0+757.61 m～1+056.28 m,，推薦采用懸掛式高壓噴射灌漿防滲，懸掛防滲深度19.50～35.55 m,，最小有效厚度0.60 m,，坎頂寬度最小8.0 m。

3.3.2 一期圍堰滲透穩(wěn)定計算

對初步選擇的防滲方案進行滲透壓力分布,、滲透坡降及滲流量計算,，以確定防滲深度和范圍等。

3.3.2.1 計算原理

參照SL265-2001《水閘設(shè)計規(guī)范》[1],，采用改進阻力系數(shù)法計算[2-3],。

根據(jù)達西定律，滲流段單寬流量為：

(1)

式中:k為滲流場土料的滲透系數(shù),，m/s,；J為滲流段的滲透坡降；T為地基透水層深度,，m,；hi為滲透水頭損失，m；li為滲流段長度,，m,；ξi為各滲透段的阻力系數(shù),。

各分段水頭損失值hi可按公式計算：

(2)

式中:H為上下游水位差，m,。

一期圍堰的地下滲流段可歸納為內(nèi)部垂直段,、出口段型式，如圖1所示,。

圖1 內(nèi)部垂直段,、出口段型式圖

內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)ξy：

(3)

出口段的阻力系數(shù)ξ0：

(4)

式中:S為防滲體的入土深度,，m,。

覆蓋層基礎(chǔ)上防滲體的地基有效深度Te可按公式計算：

當(dāng)L0/S0≥5時，Te=0.5L0

當(dāng)L0/S0<>Te=5L0/(1.+2)

式中:L0為地下輪廓的水平投影長度,m,；S0為地下輪廓的垂直投影長度,m,。

3.3.2.2 計算過程及結(jié)果

一期圍堰用來圍護泄洪閘、引水發(fā)電系統(tǒng)的基坑,，以形成干地施工條件,。

計算中選取一期圍堰中段，即廠房及泄洪閘基坑最低處斷面,、一期圍堰軸線上游端點斷面,、一期圍堰軸線下游端點斷面等4種典型工況斷面。計算出各水力要素及滲透坡降,，計算結(jié)果見表1,。

表1 各種典型斷面的滲透計算表

斷面坎前水位/m防滲體墻底高程/m地基計算深度T/m墻后基坑高程/m墻后水頭h/m墻內(nèi)最大滲透坡降J墻墻后覆蓋層最大滲透坡降J土墻后覆蓋層允許滲透坡降廠房和泄洪閘基坑最低處3060．523020．0094．903029．720．0318．00．1320．15～0．20泄洪閘消力池右邊墻基坑3059．883015．0058．703043．07．9015．00．1960．20～0．30一期圍堰上游端點背水面基坑3061．153043．5021．063057．02．283．10．1670．20～0．30一期圍堰下游端點背水面基坑3059．223040．0026．293052．04．225．00．2260．20～0．30

高噴灌漿墻允許滲透坡降按60控制，混凝土防滲墻允許滲透坡降按70控制,。各種典型斷面工況下,，一期圍堰防滲體(高壓噴射灌漿或混凝土防滲墻)內(nèi)滲透坡降J墻，墻后覆蓋層最大滲透坡降J土,，均不超過允許滲透坡降要求,，滿足滲透穩(wěn)定要求。

一期圍堰懸掛防滲深度,，大致呈倒梯形分布,。距主廠房基坑最近處防滲體底高程為3 020.00 m，泄洪閘消力池右邊墻邊防滲體底高程最低為3 015.00 m,，防滲深度最大46.52 m,。進出口砂礫石坎，防滲深度相對較淺,。

3.4 一期圍堰防滲及其它工程量

一期圍堰混凝土防滲墻26 229 m2,，高壓噴射灌漿11 430 m2，現(xiàn)澆混凝土防滲墻1 018 m2,，防滲面積合計38 677 m2,。導(dǎo)向槽砂礫石開挖3 157 m3,，導(dǎo)向槽混凝土2 546 m3。圍堰砂礫石填筑25 411 m3,，鋼筋籠防護3 000 m3,，堰腳砂礫石開挖1 300 m3，拆除4 125 m3,。

4 一期圍堰施工運行情況

2012年1月—2014年11月圍堰擋水運行,經(jīng)歷了34.3個月3個汛期的考驗,。

(1) 2012年1月上旬，一期基坑泄洪閘廠房基礎(chǔ)開挖至3 058.00 m大平臺,，原河床過流,，水位高出基坑0.3～1.0 m，在基坑左側(cè)凹處,、山坡腳旁邊廠房區(qū)域,，分布一些積水，整個一期圍堰附近是干地,。

(2) 2012年6—8月,，一期基坑、廠房基礎(chǔ)全部寬度,、泄洪閘基礎(chǔ)全部寬度的1/4,，開挖至3 035.00 m大平臺，汛期河床水位較高,，高出基坑25.5 m,，在基坑左側(cè)凹處、山坡腳旁邊廠房區(qū)域左側(cè),，分布一些積水,，整個一期圍堰附近、泄洪閘基礎(chǔ)是干地,。2012年汛期現(xiàn)象表明,，一期圍堰防滲效果較好。

(3) 2012年9月,，一期基坑開挖完成后,，廠房基坑最低，有較多積水,，主要為左岸山體地下水入滲,。

(4) 2013年8月份，圍堰上游段中部,、堰前砂卵石地面上,，發(fā)現(xiàn)1個小孔洞有泛水現(xiàn)象，以后自行消失、未發(fā)現(xiàn)此類現(xiàn)象,。原因可能是拔管接頭處混凝土防滲墻接縫封閉不嚴(yán),，造成短期滲水點，后來自行閉合,。2014年5月初檢查時墻體完好,。經(jīng)過近3 a的擋水考驗，一期岸邊圍堰防滲效果良好,，運行情況良好,。

5 結(jié) 語

一期岸邊圍堰基礎(chǔ)覆蓋層深厚，堰頂以下覆蓋層深度達194.4～286.3 m,；覆蓋層巖性分為14層,，地質(zhì)條件復(fù)雜；一期岸邊圍堰堰體及基礎(chǔ)防滲水平長度達1 156.28 m,，一期基坑范圍較大,。一期圍堰采用懸掛式混凝土防滲墻防滲,，防滲深度19.50～46.52 m,，防滲墻厚度深處0.60 m、淺處0.40 m,。

一期圍堰防滲設(shè)計成功,，運行情況良好，圓滿完成了3 a期擋水使命,。

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Impermeability Design of Cofferdam, Phase I, Duobu Hydropower Station

XIE Ruichang, CHUN Guangkui, YANG Jing'an

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

Abstract：The overburden of the Phase I riverside cofferdam foundation, Duobu Hydropower Station, is thick. Its geological conditions are complicated. The impervious range of the cofferdam is large. Through calculation of the permeable pressure distribution, the permeable gradient and seepage quantity of the seepage field, the impervious depth and range, etc are determined. The suspended impervious range of Phase 1 cofferdam is roughly distributed in reverse trapezoid. Combination of the jet grouting and the concrete cutoff wall is applied. The proper impervious design of Phase I cofferdam experiences 3 a water retaining operation, securing excavation of the foundation pit on left bank and concrete placement. And the impervious effect is as expected.

Key words：cofferdam; impermeability design; deep and thick overburden; Duobu Hydropower Station

文章編號：1006—2610(2017)02—0051—04

收稿日期：2017-03-07

作者簡介：謝瑞昌(1970- )，男,，甘肅省定西市人,，高級工程師，從事水利水電工程施工組織設(shè)計,、監(jiān)理等工作.

中圖分類號：TV551.3

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2017.02.013