閻步宇，張國華

(甘肅電投河西水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅張掖 734000)

1 工程概況

寶瓶水電站位于黑河上游，工程所處位置以黑河為界，左岸屬甘肅省肅南裕固族自治縣，右岸屬青海祁連縣，是黑河水能規(guī)劃的第七座梯級電站，工程主要任務(wù)是發(fā)電，采用引水式開發(fā)。水庫總庫容2050萬m3，電站總裝機容量123MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量4.14億kW·h，工程總投資10.3億元。

寶瓶水電站工程主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房三部分建筑物組成，工程為中型Ⅲ等工程，首部樞紐主要由混凝土面板堆石壩、溢洪道、泄洪排沙洞、引水發(fā)電進水口等建筑物組成?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?528.6m，最大壩高93.60m，壩頂長147.0m，壩頂寬6.0m。上游坡比為1∶1.45，下游壩坡為1∶1.4。大壩設(shè)計總填筑方量為123.17萬m3。

泄水建筑物由潛孔式溢洪道和泄洪排沙洞組成。溢洪道布置在大壩左岸，共三孔三槽，采用擴散挑流消能;泄洪排沙洞進口布置在左岸山梁上，采用挑流消能。引水建筑物由岸塔式進水口、有壓隧洞、調(diào)壓井、高壓水道等組成，全長7041.23m。引用流量100m3/s，額定水頭139.6m。發(fā)電廠房為地面式廠房，主要由地面廠房、尾水渠、升壓站、廠區(qū)防洪建筑物及進廠公路等建筑物組成，安裝3臺混流式機組。

寶瓶水電站大壩樞紐工程于2009年11月1日開工，2010年4月30日主河床截流，2011年3月10日大壩填筑到頂，2012年2月16日順利實現(xiàn)下閘蓄水，同年6月24日首臺機發(fā)電，較設(shè)計工期提前了10個月。

2 右岸坡積物

從壩體平面布置看，壩軸線下游右側(cè)存在較大范圍的第四系坡積物區(qū)域。堆積物坡腳寬，坡上變窄，厚度下厚上薄，在臨河谷處呈直立陡坎狀，與河水面相對高差5～70m，上部為崩坡積塊石碎石土，厚25～35m，松散，無膠結(jié)。表層土含量較高，崩積巖塊多分布于堆積體中前部，塊石、碎石土成分主要為蛇紋巖，呈棱角狀，無分選，大小混雜，多架空。下部為Ⅱ級階地砂卵礫石，主要由漂石、砂卵礫石、局部夾砂層透鏡體組成，砂層透鏡體厚度不均。砂卵礫石厚20～35m，較密實，無膠結(jié)，砂卵礫石成分主要為蛇紋巖、石英巖、砂巖等，磨圓較好，多呈渾圓、橢圓狀，分選性差。

該片第四系堆積物在面板壩壩體范圍內(nèi)順河長度230m，前緣高程2450～2455m，后緣高程 2535～2570m，垂直河道寬度80～150m，根據(jù)平行斷面法計算:崩坡積塊石碎石土石方量約23萬m3，砂卵礫石方量約10萬m3。圖1、圖2為右岸堆積物概貌及細(xì)部情況。

圖1 右岸堆積體范圍 (從上游向下游方向看)

圖2 堆積體下部顆粒組成

3 問題的提出

面對寶瓶水電站右岸坡積物，設(shè)計人員和專家均存在兩種不同的意見。一種意見認(rèn)為右岸坡積物主要由崩塌形成，局部存在架空現(xiàn)象，顆粒不均勻，密實度不高，坡積物變形對壩體存在不利影響，必須進行全部挖除換填;另一種意見認(rèn)為根據(jù)坡積物剖面情況，下部主要由砂礫石組成，相對比較密實，上部局部崩積體顆粒膠結(jié)，且經(jīng)過多年自然沉積，只需挖除表面相對不密實層，沒有必要全部挖除。針對此種情況，公司組織設(shè)計、監(jiān)理、施工、試驗等單位組成了研究小組，進行深入試驗分析論證，通過試驗從坡積物材料特性、穩(wěn)定性等方面進行仔細(xì)深入的對比分析。

4 右岸坡積物材料特性試驗研究

為考察壩軸線下游右岸坡積物的壓縮特性和變形特性，分別在堆積物不同高程取樣進行了室內(nèi)試驗分析。現(xiàn)場試驗得出的堆積物不同高程位置的材料容重與級配見表1。

表1 寶瓶水電站橫14剖面洪積砂卵礫石顆分成果

4.1 材料級配及試樣控制標(biāo)準(zhǔn)

試驗材料取自堆積體不同高程位置，試驗材料按表1編號材料相應(yīng)編號。材料試驗的級配見表2。

表2 材料試驗級配

試驗依據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進行。

4.2 試驗控制干密度

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，結(jié)合試驗室試樣制備情況，試驗控制干密度確定為:1號材料為1.96g/cm3，2號為2.06g/cm3，3號為2.01g/cm3。

4.3 試驗及試驗成果

4.3.1 比重試驗

根據(jù)SL237—1999《土工試驗規(guī)程》要求，對于粒徑小于5mm的細(xì)粒土采用比重瓶法測定其比重，對于粒徑大于5mm的粗粒土采用虹吸筒法測定其比重，然后根據(jù)各粒組含量所占百分比以及相應(yīng)的比重，采用加權(quán)法確定用料的比重。按此方法測定的堆積體材料比重為2.68。

4.3.2 壓縮試驗

(1)試驗儀器。壓縮試驗采用大型高壓壓縮儀，壓縮儀容器的直徑為300mm、高為180mm，最大垂直壓力為10MPa。

(2)試驗方法。試驗過程中，根據(jù)試樣級配及控制干密度稱取試料，拌和均勻，分兩層裝入壓縮容器，并分層夯實到要求干密度。在施加第一級荷重后，立即向水槽中注水至滿，試樣自下向上飽和。垂直壓力等級分為 0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa及3.2MPa 7級，每一級加荷歷時由壓縮變形穩(wěn)定情況而定，本地試驗一般為1h，壓縮變形量由4個呈90°分布的位移傳感器測定，取其平均值。

(3)試驗成果。壓縮試驗成果的整理按表3所列公式計算。此次試驗中分別對1～3號材料進行了壓縮試驗，各種材料的試驗結(jié)果列于表4。

表3 壓縮試驗各參數(shù)的計算方法

表4 壓縮試驗結(jié)果

4.3.3 三軸壓縮試驗

(1)試驗儀器。三軸試驗采用SJ-70大型高壓三軸試驗儀，其軸向最大出力為2500kN，最大周圍壓力為7MPa。試樣直徑300mm，試樣高度700mm。

(2)試驗方法:

試樣制備方法:將風(fēng)干后的試料，按試料級配及干密度，稱取試料，拌和均勻，分5層均勻地裝入對開模內(nèi)，并分層夯實到控制干密度。對粗粒材料，尤其是帶棱角的塊石，在試驗剪切過程中，由于橡皮膜易被刺破，故試驗采用雙層橡皮膜。

試驗方法:對于飽和固結(jié)排水剪切試驗 (CD)，采用抽氣飽和，試樣右下向上通水，當(dāng)上管出水后停止抽氣，用靜水頭繼續(xù)飽和，直至從上管溢出的水中不含氣泡為止。飽和過程完成后，施加周圍壓力進行固結(jié)，至試樣排出的水量不再增加，即完成固結(jié)過程。試驗時的周圍壓力風(fēng)別為0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa及1.6MPa。剪切速度為1mm/min。試樣最大剪應(yīng)變一般為15%。

破壞點的確定:當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時，取峰值點為破壞點。當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值時，則取應(yīng)變15%所應(yīng)對的點為破壞點。

(3)試驗成果。此次試驗中僅對2號材料進行了三軸壓縮試驗。圖3為試驗所得的強度包線。從中可以看出，材料強度包線表現(xiàn)出非線性特征，為了準(zhǔn)確地表達(dá)堆石材料在不同應(yīng)力條件下的性能，有效內(nèi)摩擦角φ采用如下的表達(dá)式:

式中 φ0——壓力為一個大氣壓時的內(nèi)摩擦角;

Δφ——試驗值;

σ3——周圍壓力;

pa——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

三軸試驗所得出的材料強度指標(biāo)和Duncan模型參數(shù)見表5、表6，相應(yīng)的試驗曲線見圖4、圖5。

圖3 2號材料三軸試驗的強度包線

表5 2號材料的強度指標(biāo)

表6 2號材料Duncan模型參數(shù)

圖4 2號材料三軸試驗的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 2號材料三軸試驗的ε1—εv關(guān)系曲線

4.4 右岸坡積物材料性質(zhì)評價

從右岸坡積物的現(xiàn)場級配和密度試驗看，坡積體上部較松散，下部相對密實。但坡積物材料的總體密實度不高，顆粒分布不均勻。從表4所列壓縮試驗結(jié)果可見，堆積體中下部材料的壓縮系數(shù) av小于0.1MPa－1，屬低壓縮性。堆積物材料的壓縮模量不高，總體上呈低至中壓縮性。

從材料的三軸壓縮試驗看，堆積體材料的強度指標(biāo)中等，但材料的彈性模量數(shù)和體積模量數(shù)不高。因此，這部分材料在荷載作用下將會產(chǎn)生一定程度的變形。

5 右岸坡積物對大壩應(yīng)力變形特性的影響分析

從對右岸坡積物的現(xiàn)場勘探、調(diào)查，以及級配和密度試驗結(jié)果看，右岸坡積物的材料分布不均勻，自上而下，坡積物材料的強度中等，模量不高，變形參數(shù)相對較低。因此，這部分坡積物在荷載作用下會產(chǎn)生一定程度的變形。但從坡積體的位置看，其分布主要集中壩軸線下游的右岸一側(cè)，分析認(rèn)為，這部分坡積體對壩體變形的影響主要集中在下游堆石區(qū)右岸的局部區(qū)域，對河床斷面和左岸堆石區(qū)的應(yīng)力變形不會有太大的影響。由于坡積體位于壩軸線下游，其局部變形的增大也不會對蓄水后混凝土面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生過大的影響?？紤]到壩體布置在河道的轉(zhuǎn)彎處，坡積體自身穩(wěn)定不存在問題，因此，坡積體對壩后下游坡的穩(wěn)定也不會造成不利影響。

從工程類比看，云南泗南江水電站混凝土面板堆石壩工程也存在類似的情況，經(jīng)過分析研究，選擇了保留堆積體的處理方案，云南泗南江水電站庫容2.47億m3，裝機容量201MW，混凝土面板堆石壩壩頂長度為344m，最大壩高115m，工程規(guī)模略大于寶瓶水電站。壩體左岸壩軸線下游有崩塌堆積體，分布范圍大，厚度多在20～30m之間，勘探揭露最大垂直埋深33m、最大水平埋深42m，表層0～3m存在架空現(xiàn)象，崩塌堆積體情況基本與寶瓶水電站類似。

6 研究結(jié)論

根據(jù)對寶瓶水電站面板堆石壩右岸堆積體顆粒級配及密度測試、材料室內(nèi)壓縮和三軸試驗，以及堆積體對壩體應(yīng)力變形影響的定性分析，可以得出以下主要結(jié)論:

(1)右岸坡積體主要由崩坡積塊石碎石和砂卵礫石組成，坡積物材料的密實度不高，顆粒分布不均勻。從壓縮試驗看，堆積體材料的壓縮模量不高，總體上呈低至中壓縮性。從三軸試驗看，堆積體材料的強度指標(biāo)中等，但材料的彈性模量數(shù)和體積模量數(shù)不高。

(2)坡積體自身穩(wěn)定不存在問題。由于坡積體位于河道轉(zhuǎn)彎的凸岸，因此，坡積體對壩后下游坡的穩(wěn)定不會造成不利影響。

(3)由于坡積體材料相對較松散，坡積體對下游堆石區(qū)右岸局部區(qū)域的變形有一定的影響，但對河床斷面和左岸堆石區(qū)的應(yīng)力變形不會有太大的影響。由于坡積體位于壩軸線下游，其局部變形的增大也不會對蓄水后混凝土面板的應(yīng)力變形產(chǎn)生過大的影響。

(4)考慮到寶瓶水電站壩址區(qū)的實際情況，并結(jié)合相關(guān)工程類比分析，右岸堆積體可予以保留，不必全部挖除。但應(yīng)適當(dāng)清除表層架空部分及相對不密實層，并在其表面設(shè)置反濾保護。

7 確定的處理措施

經(jīng)綜合論證分析后，寶瓶水電站確定的右岸坡積體處理措施為:保留右岸坡積體，但壩基范圍內(nèi)的崩塌堆積體清除表層3～5m架空及相對不密實層，在坡積體與壩體接觸面增加2m過渡料條帶作為反濾層，并在坡積體增設(shè)觀測儀器。在實際施工過程中嚴(yán)格按此方案進行。

8 結(jié)語

寶瓶水電站大壩于2010年4月30日截流，2011年3月10日填筑到頂，比設(shè)計工期提前了6個月，從開挖到填筑，僅用了短短7個月的 時間，完成了近26萬m3的壩基土石方開挖和110萬m3的堆石料填筑，而且主要集中在高海拔、高嚴(yán)寒的冬季惡劣氣候條件下完成，其中大壩軸線下游側(cè)右岸坡積物的設(shè)計優(yōu)化，減少土石方開挖量約20多萬m3，減少堆石料填筑20多萬m3，僅此一項就直接節(jié)約工程投資約1000萬元。更為關(guān)鍵的是此項優(yōu)化在很大程度上降低了施工難度，右岸坡積物上下高差達(dá)到了75m，按自上向下開挖的施工順序，光開挖就至少需要2個月時間，20萬m3的壩體填筑，至少需要1個月時間，直接節(jié)約了3個月的工期，大壩提前進入了沉陷期，使沉陷期達(dá)到了6個月，有力地促進了大壩的穩(wěn)定，為后續(xù)混凝土面板的施工創(chuàng)造了良好條件。

寶瓶水電站于2012年2月16日下閘蓄水，6月24日首臺機發(fā)電，設(shè)計優(yōu)化發(fā)揮了巨大的作用，大壩投入運行后，在正常水位2523m條件下運行了快1年時間。觀測資料顯示:大壩整體運行穩(wěn)定，右岸觀測數(shù)據(jù)基本與大壩整體一致，變形分布符合堆石壩一般規(guī)律，且變形逐漸趨于穩(wěn)定。截至2012年12月25日，寶瓶水電站累計上網(wǎng)電量2.96億kW·h，創(chuàng)直接經(jīng)濟效益8052萬元，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。