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(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概況

西藏某水電站為二等大(2)型工程，電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身5孔溢流表孔和1孔泄洪沖沙底孔、壩式進水口、壓力管道、壩后式發(fā)電廠房組成；共安裝4臺單機容量165MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量660MW。

碾壓混凝土大壩為永久2級建筑物，施工導(dǎo)流工程臨時建筑物為4級建筑物。電站大壩施工采用一次斷流圍堰、隧洞過流、基坑全年施工的導(dǎo)流方式。上游圍堰軸線距壩軸線約210m，枯水期江面寬約115m，堰頂高程處河谷寬224.0m。上游圍堰左、右岸坡地表基巖裸露，局部覆蓋少量崩坡積物，基巖巖性為黑云母花崗閃長巖，呈弱風(fēng)化狀，巖體較完整～完整性差。河床覆蓋層厚度4.4m～38.9m不等，靠左岸深、靠右岸淺，總體呈Ⅴ型，主要為沖積漂卵石，漂石含量35%～40%，直徑以0.5m～2.0m為主，大者直徑可達5m，中細砂充填其間，局部存在架空現(xiàn)象；軸線附近兩側(cè)岸邊表層分布厚0.8m～1.9m的中細砂。漂卵石層滲透系數(shù)為0.02cm/s～0.13cm/s，呈強透水性。

2 圍堰結(jié)構(gòu)方案比選

2.1 圍堰規(guī)模選擇

本工程導(dǎo)流程序分為初期導(dǎo)流和中后期導(dǎo)流。初期導(dǎo)流階段，由圍堰擋水，導(dǎo)流隧洞泄流，設(shè)計標準為全年20年一遇洪水，流量8840m3/s；中后期導(dǎo)流階段，由壩體臨時度汛斷面擋水，導(dǎo)流隧洞結(jié)合泄洪沖沙底孔泄流，壩體臨時度汛標準為全年50年一遇洪水，流量10300m3/s。施工導(dǎo)流期間，導(dǎo)流隧洞過流量大，在導(dǎo)流工程的規(guī)模選擇上，需要妥善解決導(dǎo)流隧洞和擋水圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和施工可行性[1]，通過水工模型試驗等綜合分析，確定了采用兩條導(dǎo)流隧洞，單洞襯砌后斷面尺寸為15m×17m(寬×高)，再確定施工導(dǎo)流程序及圍堰頂高程?？紤]波浪爬高與安全超高后，上游圍堰最大堰高60m。

表1施工導(dǎo)流程序

2.2 堰型選擇

本工程地處西藏高海拔地區(qū)，當(dāng)?shù)夭牧县S富，水泥和粉煤灰價格高，土石圍堰在經(jīng)濟上有較大優(yōu)勢；壩址區(qū)覆蓋層深厚，土石圍堰具有較好的適應(yīng)變形能力。本工程選擇采用土石圍堰。

常用的土石圍堰型式有心墻和斜墻兩種，心墻圍堰堰體填筑量、帷幕灌漿量相對較小，工程投資較省；斜墻圍堰堰體上部堆石料填筑和基礎(chǔ)防滲墻及帷幕灌漿的施工可以有機脫開，對爭取工期較為有利，為此需要分析圍堰的施工進度，為圍堰型式選擇提供依據(jù)。

本工程河床截流時間安排在12月底，為滿足防洪度汛要求，截流后第2年汛前上游圍堰應(yīng)填筑至堰頂高程，滿足攔擋全年20年一遇洪水要求。圍堰施工關(guān)鍵線路為：河床截流→加高至防滲墻施工平臺高程→混凝土防滲墻施工→墻下帷幕灌漿施工→上部堰體填筑。

河床截流時間安排在12月底，圍堰有效的施工時間為5.5個月。經(jīng)計算，心墻方案施工工期為7個月，其中截流、防滲墻施工平臺填筑0.5個月，混凝土防滲墻3.5個月，帷幕灌漿0.5個月，防滲墻施工平臺以上堰體填筑2.5個月；斜墻方案施工工期為5.5個月，其中截流、防滲墻施工平臺填筑0.5個月，混凝土防滲墻3.5個月，帷幕灌漿0.5個月，防滲墻施工平臺以上防滲體施工1.0個月。

為滿足截流后第2年汛前上游圍堰應(yīng)填筑至堰頂高程的要求，斜墻方案進度上具有明顯優(yōu)勢，因此，本工程選擇采用斜墻土石圍堰。

2.3 堰體防滲材料選擇

常用的土石圍堰堰體防滲型式有防滲土料和土工膜兩種，由于電站附近土料較缺乏，因此，選擇采用復(fù)合土工膜作為上游圍堰堰體防滲材料。土工膜具有性能可靠、變形能力強、施工方便、造價低廉等優(yōu)點，而且避免了防滲土料開采對當(dāng)?shù)赝恋氐那终己铜h(huán)境破壞，有利于環(huán)保，近年被廣泛應(yīng)用于電站工程的土石圍堰中(見表2)。防滲土工膜采用復(fù)合土工膜(兩布一膜)，規(guī)格為600g/1.0mmHDPE/600g，其主要性能指標要求見表3。

表2復(fù)合土工膜在圍堰工程上的部分應(yīng)用實例

工程名稱堰高(m)土工膜最大水頭(m)土工膜結(jié)構(gòu)型式土工膜材質(zhì),主膜厚度(mm),(抗拉強度(kN/m))白鶴灘上游圍堰8343.58斜墻復(fù)合土工膜350g/1.0mm/350g白鶴灘下游圍堰5318.74心墻復(fù)合土工膜350g/1.0mm/350g龍開口上游圍堰52.533.49心墻復(fù)合土工膜400g/0.8mmPE/400g深溪溝上游圍堰4534.0斜墻復(fù)合土工膜300g/1.0mm/300g大崗山上游圍堰53.538.0斜墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g瀑布溝上游圍堰47.538.5斜墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g錦屏一級上游圍堰64.544.0斜墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g小灣上游圍堰60.633.0心墻復(fù)合土工膜350g/0.5mmHDPE/350g糯扎渡上游圍堰7432.0斜墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾上游圍堰6541.99心墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾下游圍堰28.06.05心墻復(fù)合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g

表3防滲土工膜主要性能指標

2.4 基礎(chǔ)防滲選擇

上游圍堰河床部位覆蓋層厚度4.4m～38.9m不等，左岸深、右岸淺，主要為沖積漂卵石，漂石含量35%～40%，直徑以0.5m～2.0m為主，部分可達5m，中細砂充填，局部存在架空現(xiàn)象。堰址處覆蓋層粒徑成分參考壩址處覆蓋層粒徑成分，壩址處沖積漂卵石層>1000mm平均含量22.36%，1000mm～200mm平均含量16.88%，200mm～60mm平均含量20.45%，60mm～20mm平均含量14.26%，<20mm平均含量26.05%。根據(jù)鉆孔抽水試驗，漂卵石層滲透系數(shù)為0.02cm/s～0.13cm/s，呈強透水性。河床部位相對隔水層(q≤5Lu)垂直深度6m～42m(含覆蓋層)，相對隔水層(q≤10Lu)垂直深度0～36m(含覆蓋層)。

根據(jù)圍堰堰基處的地質(zhì)條件，堰基防滲可采用高噴灌漿和混凝土防滲墻。高噴灌漿具有施工速度快的特點，適用于軟弱土層，如第四紀的沖(淤)積層、殘積層以及人工填土等；混凝土防滲墻施工速度較慢，但防滲效果較好，國內(nèi)有比較成熟的施工經(jīng)驗，適用于各種地質(zhì)條件。圍堰堰基處漂石含量高，圍堰擋水水頭高，為確保防滲效果，采用全封閉混凝土防滲墻，并設(shè)置墻下帷幕灌漿，對圍堰岸坡亦進行帷幕灌漿處理。

參考類似工程成功經(jīng)驗，及后續(xù)圍堰應(yīng)力應(yīng)變有限元分析成果，確定塑性混凝土防滲墻厚度為1.0m，混凝土設(shè)計指標為：①28d抗壓強度R28≥5MPa；②彈性模量≤1500MPa；③滲透系數(shù)K≤1×10-7cm/s；④28d破壞滲透比降J≥200；⑤要求墻體嵌入基巖不小于0.5m～1.0m。

上游圍堰下伏巖體為弱風(fēng)化花崗閃長巖，巖體較完整～完整性差，考慮到上游圍堰為臨時建筑物，帷幕灌漿設(shè)計標準取為10Lu。帷幕灌漿標準為：深入10Lu線且總深度不小于5m，單排孔，間距2m(陡坡段、倒懸段加密為1.5m)；②幕厚δ≥2.0m；③透水率q≤10Lu；④允許滲流梯度[J]≥20；⑤滲透系數(shù)k≤5×10-5cm/s。

3 堰體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 堰體斷面設(shè)計

圍堰采用土工膜斜心墻土石圍堰，由于圍堰后期為溝通河床左右岸的主要交通通道，且為有利于超標準洪水圍堰的加高，同時參考國內(nèi)類似高土石圍堰設(shè)計實例，圍堰的堰頂寬度取值為12.0m。圍堰邊坡坡度根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算成果，并參考類似工程確定。擬定圍堰上游邊坡水下為1∶1.5、水上為1∶2.3；下游邊坡為1∶1.75，考慮馬道，綜合坡比為1∶1.937。

圍堰防滲墻施工平臺以上采用復(fù)合土工膜斜墻防滲，土工膜上噴射20cm厚C25混凝土防護，其下鋪設(shè)0.5m厚墊層料及3.0m厚過渡料。防滲墻施工平臺以下采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻厚1.0m，最大深度約51.3m。防滲墻下接帷幕灌漿，灌漿深度至10Lu線且總深度不小于5m，并將帷幕灌漿線延伸至兩岸。

圖1 圍堰典型斷面示意

3.2 圍堰主要填筑料設(shè)計

3.2.1 石渣料

級配要求：①石塊飽和抗壓強度>35MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑800mm(圍堰防滲墻區(qū)域采用細石渣料，最大粒徑300mm)，小于5mm的顆粒含量不超過30%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；③水上碾壓石渣料部分填筑設(shè)計指標要求：孔隙率不大于24.5%，干密度不小于2.05g/cm3，滲透系數(shù)不小于1×10-1cm/s。

3.2.2 過渡料

級配要求：①石塊飽和抗壓強度>35MPa，軟化系數(shù)>0.8；②級配連續(xù)，最大粒徑300mm，小于5mm的顆粒含量不超過30%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；③填筑設(shè)計指標要求：孔隙率不大于24.0%，干密度不小于2.05g/cm3，滲透系數(shù)控制在(1～5)×10-2cm/s。過渡料與石渣料之間需滿足相應(yīng)的層間系數(shù)要求。

3.2.3 墊層料

級配要求：①級配連續(xù)，最大粒徑20mm，小于5mm的顆粒含量為30%～50%，小于0.075mm的顆粒含量不超過5%；②設(shè)計指標要求：相對密度不小于0.75，干密度不小于1.98g/cm3，滲透系數(shù)控制在(5～10)×10-3cm/s。墊層料與過渡料之間需滿足相應(yīng)的層間系數(shù)要求。

為保證墊層料在施工過程中不刺破土工膜，應(yīng)安排生產(chǎn)性試驗進行驗證，并盡可能利用天然砂礫料作為墊層料。

3.2.4 拋石護坡料

圍堰的拋石護坡料應(yīng)滿足抗沖要求，拋石護坡料的折算直徑為0.31m，取0.4m～0.6m。

3.3 圍堰主要工程量

圍堰主要工程量見表4。

表4上游圍堰主要工程量

4 圍堰計算成果

4.1 滲流計算

采用在巖土工程中應(yīng)用極為廣泛的Geo-Seep/W進行計算。平面滲流計算主要針對正常工況，計算結(jié)果見表5，上游圍堰的等水頭線和浸潤線、等水力坡降見圖2、圖3。通過對上游圍堰的滲流分析，圍堰堆渣單寬滲流量僅6.26m3/d·m，滲流量不大，圍堰防滲措施良好。

4.2 堰坡抗滑穩(wěn)定計算

根據(jù)滲流計算成果，獲得滲流計算浸潤線位置，由此可獲得堰體內(nèi)各處的孔壓，進而對上游圍堰進行與滲流耦合的邊坡穩(wěn)定分析?？刂瓶够€(wěn)定的有施工期(包括竣工時)、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期和正常運用遇地震四種工況，計算結(jié)果見表6。由計算結(jié)果分析，圍堰邊坡安全系數(shù)在水庫水位驟降期較小，其它工況安全系數(shù)較大，水位驟降期為控制工況。

表5正常工況下滲流計算成果

圖2 上游圍堰等水頭線及浸潤線

圖3 上游圍堰等水力坡降

表6上游圍堰堰坡抗滑穩(wěn)定計算成果

4.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

土石圍堰應(yīng)力應(yīng)變分析通常采用非線性彈性有限元，按平面應(yīng)變問題處理。計算模型采用鄧肯-張E-μ材料非線性彈性模型，采用中點增量法求解此非線性問題，用波陣法解線性方程組，加荷模擬圍堰的施工與蓄水過程。計算工況為：竣工期、蓄水期。

表7堰體應(yīng)力應(yīng)變計算成果

由計算結(jié)果分析，上游圍堰堰體最大沉降60.19cm，向下游最大水平位移24.11cm，最大主應(yīng)力1.86MPa，滿蓄后，堰體大部分區(qū)域應(yīng)力水平均在0.7以下，只是蓄水導(dǎo)致防滲墻上游小范圍區(qū)域應(yīng)力水平接近0.95，該區(qū)域是主動土壓力區(qū)，并不影響堰體穩(wěn)定。

4.4 防滲墻變形與應(yīng)力

防滲墻位移及應(yīng)力水平見表8。由計算結(jié)果可見，竣工期塑性防滲墻大主應(yīng)力最大值為3.78MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，最大應(yīng)力水平0.52，防滲墻未出現(xiàn)破壞單元，豎向沉降值為4.3cm；滿蓄期塑性防滲墻大主應(yīng)力最大值為3.03MPa，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，最大應(yīng)力水平0.50，防滲墻未出現(xiàn)破壞單元，豎向沉降值為13.7cm。

表8塑性混凝土防滲墻計算成果

5 結(jié)語

西藏某水電站上游圍堰采用土工膜斜心墻土石圍堰，圍堰最大堰高60.0m，擋水水頭高，為西藏地區(qū)已建的最高的土石圍堰；堰頂軸線長247.15m，堰體填筑方量約103萬m3，圍堰軸線長，堰體填筑方量大，填筑料種類多；堰體防滲采用土工膜防滲，基礎(chǔ)防滲采用高強度低彈模的塑性混凝土防滲墻，并設(shè)墻下帷幕灌漿，防滲體系復(fù)雜。河床覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍堰施工控制工序繁多，需在一個枯水期內(nèi)施工完成[1]。本工程采用了可靠的防滲結(jié)構(gòu)和防滲體系，通過計算分析，設(shè)計了合理的圍堰結(jié)構(gòu)和斷面型式，保證了圍堰滲流安全和穩(wěn)定，保證了基坑安全施工。