溪洛渡水電站圍堰除險加固設計

溪洛渡水電站圍堰除險加固設計

1工程施工量及工程體系西洛渡水庫位于四川省雷波縣與云南省永善縣交界處的江龍渡峽谷。右岸距四川省雷波縣約15公里，右岸距云南省永善縣約8公里。電站工程樞紐由混凝土雙曲拱壩、左右岸地下廠房、泄洪隧洞等建筑物組成,電站裝機13860MW,正常蓄水位600.00m,壩頂高程610.00m,雙曲拱壩最大壩高278.0m,屬一等大(1)型工程。溪洛渡水電站導流工程為三等工程,上、下游圍堰為3級建筑物。根據(jù)壩址所在河段水文、地質(zhì)及水工建筑物的特性,溪洛渡水電站采用一次圍堰斷流、隧洞導流、基坑全年施工的施工導流方案。上游圍堰位于大壩上游約285m處,枯水期江面寬90m,水深10～15m。圍堰兩岸谷坡坡度25°～35°,岸坡大部分基巖裸露,主要為P2β4、P2β5、P2β6層玄武巖和角礫集塊熔巖,層內(nèi)錯動帶較發(fā)育;河床覆蓋層厚17～22m,局部可達25m,以粗顆粒為主,結(jié)構(gòu)較復雜,均一性較差。河床覆蓋層自下而上大致分為:卵(塊)碎石夾砂層、砂卵石夾塊碎石層和漂卵(塊)碎石夾砂層三大層。2大壩設計2.1大壩結(jié)構(gòu)的比較選擇2.1.1綜合技術(shù)經(jīng)濟的確定溪洛渡導流工程的設計流量為50年一遇洪水流量Q=32000m3/s,這是國內(nèi)在建的由隧洞過流的最大導流流量,在世界上也名列前茅。在導流工程的規(guī)模選擇上,除了能安全宣泄這一龐大的導流設計流量外,就是要妥善解決導流隧洞和擋水圍堰的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及施工可行性。通過與水工樞紐布置的協(xié)調(diào),確定了左、右岸各3條導流洞的布置方案,對導流洞的尺寸與上游圍堰的高度進行了綜合技術(shù)經(jīng)濟比較。一般情況下,在斷流圍堰擋水、隧洞導流的導流方案中,盡量提高圍堰的擋水高度、降低隧洞規(guī)模應是最經(jīng)濟的。在充分分析國內(nèi)外高土石圍堰設計及施工的基礎上(見表1),根據(jù)當時國內(nèi)地基處理技術(shù)、大型土石方機械的運用、施工技術(shù)及管理水平,通過施工進度的充分論證分析,為確保圍堰工程在一個枯水期內(nèi)能完成施工,認為本工程的圍堰高度宜控制在80m以下,因此在選定這一擋水高度下,6條導流洞的斷面尺寸為18m×20m(寬×高)后,再確定上游圍堰堰頂高程為436.00m,最大堰高78m。2.1.2枯水期內(nèi)土石類圍堰堆筑材料參考國內(nèi)外特大型水電工程的資料,著重研究了碾壓混凝土圍堰和土石圍堰。由于碾壓混凝土圍堰,施工工程量大(上游圍堰高達96.0m,而且需在一個枯水期內(nèi)完成土石子堰堆筑7.24萬m3、混凝土防滲墻0.34萬m2、混凝土圍堰的基礎開挖33萬m3、基礎固結(jié)灌漿3.4萬m和38萬m3碾壓混凝土澆筑施工)、工序多、技術(shù)要求高,一個枯水期內(nèi)難以完成,因此本工程選擇了能充分利用當?shù)夭牧?結(jié)構(gòu)簡單,施工方便,既能適應深厚覆蓋層基礎,又可使用大型施工設備進行高強度堆筑的土石類圍堰。2.1.3圍堰結(jié)構(gòu)型式的確定堰體防滲分別比較了心墻、斜墻、斜心墻三種結(jié)構(gòu)型式。從布置和工程量上,心墻和斜心墻方案堰體緊湊,利于導流洞進口布置和堰面保護,工程量要比斜墻類圍堰節(jié)省。從施工角度分析,斜墻和斜心墻方案防滲墻軸線前移,以便在防滲墻施工期間,其軸線后有足夠的場地來進行堰體堆筑,有利于堰體堆筑施工進度及施工強度的均衡。由于本工程填筑量大,涉及的工程項目較多,且要求在一個枯水期完建,因此在結(jié)構(gòu)滿足設計要求的前提下應優(yōu)先考慮采用有利于工期的斜墻或斜心墻結(jié)構(gòu)型式。通過對本工程工期、布置以及經(jīng)濟分析比較,最終選擇了斜心墻的圍堰結(jié)構(gòu)型式。由于防滲墻上部碎石土斜心墻填筑為圍堰工期的控制性環(huán)節(jié),且受天氣影響較大,為了提高施工工期的保證性,設計中在斜心墻下部增加了水平段,使得斜心墻部分碎石土填筑也可以與防滲墻施工同時進行,從而大大節(jié)約了工期。2.1.4防滲墻設計方案由于河床覆蓋層結(jié)構(gòu)復雜,均一性較差,滲透性大,堰基防滲需采用垂直防滲截斷覆蓋層。比較了高噴防滲墻、剛性混凝土防滲墻以及塑性混凝土防滲墻,三者在技術(shù)和應用上都比較成熟。雖然高噴防滲墻施工工期快,但其對設備及基礎覆蓋層的要求都較高。而本工程中的第二、三層河床覆蓋層主要是砂卵石夾孤塊石層,粒徑極不均勻,呈層狀分布,架空現(xiàn)象比較明顯,孤石粒徑一般50～100cm,個別可達300cm,約占10%～20%,為保證防滲墻的防滲質(zhì)量,確保深基坑的施工進度和安全,放棄了高噴防滲墻方案。由于本工程圍堰高達78.00m(擋水水頭約100.00m),如采用高模量的剛性混凝土防滲墻,在上部荷載的作用下周圍土層的沉降量比防滲墻大得多,使得墻體承受巨大的上部壓力和側(cè)面拖曳力,引起墻體接頭處產(chǎn)生應力集中以及墻體內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓應力而導致墻體破壞,因此本工程防滲墻選用彈模低、適應變形能力大的塑性混凝土防滲墻。通過國內(nèi)工程實踐和大量研究,以及對本工程塑性混凝土防滲墻應力分析計算,表明墻的變形能與周圍土體變形協(xié)調(diào),上覆荷重基本由墻與周圍土體均勻分擔,防滲墻的應力狀態(tài)較好。2.1.5墻結(jié)構(gòu)施工難點本工程對黏土、碎石土、土工膜三種防滲材料進行了比較;黏土施工受氣候影響大,施工控制要求高,制約施工工期,且當?shù)仞ね羶α坎怀渥?。?jīng)計算,黏土斜心墻方案在施工期和水庫水位降落期抗滑安全系數(shù)均相對其他防滲材料為小且后項不滿足規(guī)范要求。與黏土相比,碎石土雖滲透系數(shù)略大,但受氣候影響相對于黏土較小,施工上升速度較黏土快,壩址區(qū)附近有充足的料源,施工技術(shù)成熟,工期能滿足要求。土工膜施工速度快,在工期上較有優(yōu)勢、投資上也有一定的經(jīng)濟性,但由于施工中容易發(fā)生破損,特別是對于高水頭防滲中土工膜接頭處理具有一定的風險性。因此,設計選擇了可以充分利用當?shù)夭牧?且技術(shù)成熟的碎石土防滲材料。2.2壩結(jié)構(gòu)設計2.2.1斜心墻下坡面圍堰采用碎石土斜心墻土石圍堰,堰前水位434.80m,加上波浪爬高和超高,確定堰頂高程436.00m,最大堰高78m,考慮交通要求,堰頂寬度為12m,堰頂總長300.12m。經(jīng)邊坡穩(wěn)定計算,上游堰坡坡比定為1∶2.5,下游堰坡坡比定為1∶1.75;為保證斜墻及水平段上覆石渣料的厚度,上游堰坡在高程405m處設寬30m平臺;根據(jù)下基坑道路的布置及結(jié)構(gòu)需要,下游堰坡在高程402m、379m處分別設10m、2m寬馬道;圍堰軸線上游17.5m處為截流戧堤軸線。下游堰坡坡腳處高程379m設排水棱體,排水棱體頂寬5m,上、下游坡比1∶1.5。碎石土斜心墻頂部厚4m,高程421m以上為直心墻,以下為斜心墻部分(其中高程378～393m為水平段);碎石土斜心墻上下游均設有反濾層和過渡層,反濾層厚度1m,過渡層厚度不小于2m。直心墻部分上下游坡比均為1∶0.3,斜心墻部分上下游坡比分別為1∶1.75、1∶1.5。圍堰典型斷面見圖1。2.2.2防滲墻體狀結(jié)構(gòu)據(jù)圍堰基礎河床覆蓋層的顆粒組成初步判斷,第二、三層有可能產(chǎn)生管涌破壞,臨界比降約為1∶0.2。斜心墻基礎覆蓋層采用塑性混凝土防滲墻全封閉防滲,防滲墻最大深度55m,采用厚度1.0m。防滲墻底部嵌入基巖1.0m,頂部采用插入式接頭,插入心墻5m,接頭外側(cè)周邊鋪設高塑性黏土。根據(jù)應力應變計算分析,結(jié)合其它工程經(jīng)驗類比,塑性混凝土防滲墻技術(shù)指標取:28d強度5MPa,彈性模量小于1500MPa。河床基巖透水性較強,從鉆孔壓水試驗來看,第二、三層間及其以上巖體均大于10Lu,屬中等透水;二、三層間以下巖體均小于10Lu,屬弱透水。根據(jù)河床基巖特性,需對河床基巖進行帷幕灌漿。墻下帷幕采用單排孔,間距1.5m,帷幕深入q=3～10Lu基巖分界線下1m。2.2.30lu堰肩花架圍堰堰肩巖體破碎,滲透性較強,為防止堰肩繞滲,在堰肩設有帷幕灌漿。灌漿范圍:高程381.0m以上為深入弱風化巖體呂榮值q>30Lu下1.0m。;高程381.0m以下為深入弱風化巖體呂榮值q=10～30Lu下1.0m。堰肩帷幕采用兩排灌漿孔,排距2m,靠下游排灌漿孔(加強孔)孔深為靠上游排孔深的1/2,灌漿孔距為2.0m。由于兩岸巖體較為破碎,為防止兩岸繞滲對岸坡處心墻的沖蝕,保證斜心墻與基礎較好接觸,沿斜心墻防滲軸線設置混凝土板,混凝土板寬4.0m、厚0.5m,混凝土板與岸坡巖石間需設插筋,蓋板周邊鋪設高塑性黏土。2.2.4大壩主堆塊的設計2.2.4.粒徑和滲透系數(shù)碎石土料中粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%,最大粒徑不大于100mm,0.075mm以下的顆粒含量不小于15%;滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s;碎石土料的填筑標準按壓實度控制為0.98～1.00。2.2.4.密度和不均勻系數(shù)反濾料采用人工砂石料調(diào)配,要求具有連續(xù)的級配;石料飽和抗壓強度大于或等于35MPa;D10=0.3～0.6mm、D15=0.45～0.8mm、D30=1.2～2mm、D50=2.5～4mm、D60=5～7mm、D85=10～17mm、Dmax≤40mm;不均勻系數(shù)Cu=5～8;小于0.075mm的顆粒含量小于或等于2%;壓實后的相對密度不小于0.80;反濾料的滲透系數(shù)應大于5×10-3cm/s。2.2.4.mdp的滲透系數(shù)上游圍堰過渡料應具有良好的級配,最大粒徑80～100mm,小于5mm的顆粒含量為30%～50%,小于0.075mm的顆粒含量不超過8%;壓實后滲透系數(shù)為1×10-3cm/s～1×10-4cm/s。過渡層的填筑標準按孔隙率控制為15%～20%。2.2.4.預處理5g/cm3石渣堆石體要求巖塊的濕抗壓強度大于40MPa,干容重不小于2.05g/cm3。最大粒徑為800mm,小于5mm的顆粒含量不超過20%,小于0.075mm的顆粒含量不超過5%,并具有低壓縮性、高抗剪強度。堆石料的填筑標準按孔隙率控制為20%～25%。2.2.4.5.排水溝用作排水棱體的堆石填料粒徑為700～1100mm。2.2.4.6.河岸設計的主要尺寸見表22.3計算嵌入結(jié)果表明2.3.1滲流量4.7m通過對上游圍堰進行滲流分析,圍堰最大滲流量8056.7m3/d,滲流量不大。計算結(jié)果表明,圍堰防滲措施的防滲效果較好,能夠保證大壩施工要求及施工期圍堰滲流穩(wěn)定性。2.3.2上游圍堰堰坡確定堰坡抗滑穩(wěn)定分析核算的工況為施工期(包括竣工期)、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期和穩(wěn)定滲流遇地震。采用瑞典圓弧法和簡化畢肖普方法進行圍堰堰坡穩(wěn)定性分析。各工況上游堰坡的相應安全系數(shù)見表3。圍堰堰坡容許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按SL274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》的規(guī)定取值,見表4。由計算成果可見,圍堰堰坡安全系數(shù)受控于庫水位驟降期,其余工況安全系數(shù)較大。由于本工程圍堰庫容較小,而6條大導流洞泄流能力較大,由暴雨形成的洪水暴漲暴落,在長達4年的圍堰擋水過程此種工況發(fā)生幾率較大。2.3.3計算成果表采用有限元方法對圍堰堰體及基礎防滲墻進行二維應力位移分析,計算成果見表5、表6。計算結(jié)果表明,上游圍堰堰體最大沉降量為91.9cm,基礎混凝土防滲墻最大沉降量為33.0cm,應力應變分析結(jié)果表明,圍堰是安全的。3大壩施工3.1圍堰分區(qū)圍堰根據(jù)上游圍堰的結(jié)構(gòu)型式、施工程序及強度等因素,將上游圍堰分為A、B、C、D、E、F共6個填筑區(qū)。其中,A、B區(qū)為水下拋填,C區(qū)的水下拋填及D區(qū)的填筑與防滲墻施工同時進行,E、F區(qū)在墻下帷幕灌漿完成后進行。上游圍堰分區(qū)見圖2,圍堰填筑順序見圖3。溪洛渡上游圍堰于2007年11月8號截流,11月18號右岸防滲墻平臺形成,12月1號右岸防滲墻10臺鉆機開鉆施工,12月6號左岸防滲墻12臺鉆機開鉆,2008年3月24號防滲墻完全封閉,最大孔深55.1m,成墻面積0.42萬m2。4月18號墻下帷幕完工;在防滲墻和墻下帷幕完工的同時堰體D區(qū)的填筑也完成,并在6月20號之前完成堰體E、F區(qū)填筑。全堰月最大填筑強度為22.5萬m3。3.2墻下無序灌漿本工程防滲墻成槽施工采用“鉆劈法”,槽孔分為一、二期槽,其中一期槽為二主一副,二期槽為三主二副。由于本工程河床地質(zhì)條件復雜、大孤石含量較多、架空現(xiàn)象嚴重,為確保防滲墻施工安全和穩(wěn)定,槽孔劃分采用“Ⅰ期小槽、Ⅱ期大槽”的原則,中間深槽部位一期槽長度為4.0m(2×1.0+1×2.0),而兩岸孔深較淺的部位一期槽長度為6.0m(3×1.0+2×1.5),;二期槽長度均為6.6m(3×1.0+2×1.8)。實際施工中由于河床孤石含量多,開挖滾石層厚度最大達16m,且直徑大、架空嚴重,施工中漏漿塌孔現(xiàn)象頻繁,整個上游圍堰防滲墻工程綜合平均工效僅為2.08m/臺·日。墻下帷幕灌漿采用在墻體內(nèi)預埋灌漿管法,帷幕灌漿按分序加密的原則進行。施工次序:先導孔(Ⅰ序孔鉆孔)、灌漿—Ⅱ序孔鉆孔、灌漿—檢查孔鉆孔、壓水試驗、灌漿。由兩排孔組成的帷幕,先施工下游排,再施工上游排。4滲流量大、滲流大,圍堰滲漏量大溪洛渡上游圍堰建成后已運行三年,經(jīng)歷了2008年、2009年、2010年三次汛期洪水,最大洪水流量約21000m3/s,相當于5年一遇,堰體未發(fā)生滲透破壞,圍堰滲漏量低于設計要求,堰體沉降量125.42mm,在設計范圍內(nèi)。5合理分區(qū)避免施