劉建鑫

(四川河川投資有限公司，成都，610000)

1 工程概況

塔貝拉水利樞紐(Tarbela Project)是巴基斯坦開發(fā)印度河干流的一座綜合利用水利樞紐工程，也是巴基斯坦東水西調(diào)的主要水源工程。工程于1968年開工，1976年正式蓄水發(fā)電。大壩為斜心墻土石壩，壩體體積1.21億m3，是世界上填筑量最大的土石壩。塔貝拉工程原設(shè)計(jì)以灌溉為主。共有5條引水洞，其中4條位于右壩肩，1條位于左壩肩。工程分三個(gè)階段在右壩肩的1號(hào)和2號(hào)隧洞上裝設(shè)了10臺(tái)175MW的水輪發(fā)電機(jī)組。四期擴(kuò)建工程是將現(xiàn)有4號(hào)灌溉洞改為發(fā)電洞，在原有灌溉洞出口及廠房尾水區(qū)新建四期廠房，擴(kuò)容3臺(tái)470MW混流式機(jī)組，四期擴(kuò)建工程平面布置如圖1。

圖1 塔貝拉四期擴(kuò)建工程面布置示意

為滿足新廠房區(qū)干地施工，必須在廠房下游(電站尾水區(qū))建造一段圍堰。本文將簡(jiǎn)單闡述四期擴(kuò)建工程圍堰建設(shè)常規(guī)地質(zhì)條件勘探情況，并對(duì)特殊地質(zhì)條件的勘探問題進(jìn)行研究。

2 圍堰工程建設(shè)常規(guī)地質(zhì)條件勘察

2.1 常規(guī)地質(zhì)條件勘探內(nèi)容

塔貝拉水電站第四期擴(kuò)建工程于1992年進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)行勘察工作。于2010年開始進(jìn)行可研設(shè)計(jì)，2012年完成勘察設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行了少量勘察，主要集中在隧洞段和廠房。施工條件勘察作為四期擴(kuò)建工程的重要組成部分，在開工前展開，主要完成工作量見表1。

表1 圍堰施工前完成的勘察工作量

2.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

2.2.1 土層結(jié)構(gòu)

堰基左段水深23m～30m，水下地面高程多在310m～316m，覆蓋層自上而下基本可以分為三層，分別為卵礫石層(CG)、粉土質(zhì)砂(SM)和含礫石、卵石粉土質(zhì)砂(SMg)；堰基右段水深在3m～30m間變化，水下地面高程多在310m～338m不等，推測(cè)覆蓋層分布范圍很少，基巖以碳質(zhì)片巖和灰?guī)r為主，在靠近右岸地段為輝綠巖。

2.2.2 地基土的震動(dòng)液化

根據(jù)顆分試驗(yàn)成果，第②、③層土中粒徑小于5mm的顆粒百分含量均大于30%，且粘粒含量小于10%，小于地震動(dòng)峰值加速度為0.25g所要求不發(fā)生地震液化的最小粘粒含量18%，因此，判定該地基存在地震液化的可能。但由于圍堰是臨時(shí)性工程，液化問題可淡化。

2.2.3 地基土沉降穩(wěn)定

由于堰基的覆蓋層厚度差別較大，且右段基巖基本裸露，土層厚度向左側(cè)廠房部位逐漸變厚，因此判斷地基沉降是不可避免的，且存在不均勻沉降問題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。地基土壓縮性指標(biāo)建議值見表2。

2.2.4 地基滲透穩(wěn)定性

不管是第②層土，還是第③層土，其粘粒含量均大于3%，為少粘性土，滲透變形類型主要為流土，但由于局部礫石、卵石和漂石相對(duì)集中，亦存在管涌的可能性。臨界坡降建議值見表2。

2.2.5 堰基滲流及其控制措施建議

總的來說，在廠房施工期間，圍堰下游的水將通過地基滲透進(jìn)入基坑，為保證“干地”作業(yè)條件，建議根據(jù)前述巖土層的滲透性及滲漏量估算，對(duì)地基采取必要的防滲及排水處理措施。

此外，由于覆蓋層厚度變化大，地基防滲工程施工應(yīng)根據(jù)先導(dǎo)孔揭露的基巖面及巖體的透水率變化情況，調(diào)整灌漿深度。

表2 堰址區(qū)土層的主要指標(biāo)建議值

3 圍堰工程建設(shè)特殊條件勘察

與一般的工程建設(shè)條件不同，四期擴(kuò)建工程中，必須最大限度地保證原工程的功能。工程現(xiàn)有的電站廠房在圍堰建設(shè)和運(yùn)行期均正常發(fā)電。同時(shí)，三次建設(shè)工程和近40年的運(yùn)行，對(duì)圍堰工程建設(shè)條件均帶來了不同程度的影響。由于改擴(kuò)建工程的特殊性，本圍堰建設(shè)條件勘察還包括：下游水位勘察、水下覆蓋層勘察、引水洞工作情況勘察等。

3.1 工程建設(shè)水位勘察

3.1.1 上下游水位監(jiān)測(cè)分析

根據(jù)最近一年的494d水庫壩前日水位資料，最小水位422.8m，出現(xiàn)在2014年5月31日；最大水位472.55m，出現(xiàn)在2014年9月19日和2014年9月25日。水庫壩前日水位過程見圖2，水庫壩前日水位統(tǒng)計(jì)見表3?？梢娝惱畮焖浑S季節(jié)波動(dòng)較大。

圖2 施工期水庫水位過程線

表3 水庫壩前日水位統(tǒng)計(jì)

根據(jù)最近一年的470d電站廠房下游的水位資料，最小水位338.1m，出現(xiàn)在2014年3月25日；最大水位340.6m，出現(xiàn)在2015年5月22日。電站廠房下游水位過程見圖3，水位在338m～341m范圍內(nèi)變化，變化范圍不大，但變化較劇烈。電站廠房下游水位日變化值見圖4，水位日變化最大值達(dá)2m，影響圍堰正常施工安全，增加圍堰施工難度。

圖3 下游廠房出口水位過程線

圖4 下游廠房出口水位日變化過程線

根據(jù)上述分析可知，受電站發(fā)電約束，下游圍堰所在位置的水位保持在338m～341m之間，與水下地形勘測(cè)結(jié)果結(jié)合分析可知，圍堰的最大擋水高度為32m。并且不受季節(jié)性的洪枯影響，常年基本不變。即不可能利用天然河流的洪枯差異伺機(jī)進(jìn)行截流和圍堰填筑施工，必須在32m的最大水深中完成圍堰的所有施工程序。

3.1.2 電站日常運(yùn)行期下游水位變化的分析

由于水電站出力頻繁變化，尾水水位快速變化，根據(jù)實(shí)測(cè)情況變幅約±1m，直接誘發(fā)圍堰堰址兩側(cè)的水流不定向流動(dòng)。當(dāng)電站出力加大、引水量加大、下游水位升高，水流從三期廠房的導(dǎo)墻下游向圍堰基坑方向流動(dòng)壅高；反之當(dāng)電站出力減小、引水量降低、下游水位降低，水流從基坑向下游方向流動(dòng)涌出。根據(jù)電站處理的規(guī)律，水位變化的周期一般為數(shù)小時(shí)。擾動(dòng)水流對(duì)鋼板樁圍堰樁格閉合帶來極大的困擾，水位變化的周期即界定了圍堰樁格施工的有效時(shí)間窗。

3.1.3 電站非常泄壓時(shí)下游水位變化的分析

由于該工程引水系統(tǒng)未配置調(diào)壓井，而采用泄壓閥方式應(yīng)對(duì)甩開負(fù)荷時(shí)的水擊效應(yīng)。電站出力大幅縮減時(shí)，關(guān)閉水輪機(jī)機(jī)前閥，導(dǎo)致泄壓閥開啟。由于業(yè)主管理方面的原因，泄壓閥開啟未設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)，因此對(duì)于圍堰施工和運(yùn)行而言，泄壓閥開啟屬無預(yù)警事件，并且塔貝拉電站水頭高、引水管近1km，泄壓閥開啟時(shí)，噴射水流高度超過10m，造成圍堰下游側(cè)涌浪高超過2m，嚴(yán)重威脅圍堰施工期和運(yùn)行期安全。

3.2 堰址水下覆蓋層勘察

由于塔貝拉工程歷經(jīng)三次擴(kuò)建且已投入運(yùn)行近40年，經(jīng)過仔細(xì)勘察發(fā)現(xiàn)堰址處的水下覆蓋層與一般的初建工程基礎(chǔ)存在巨大差異。

由于堰址處正位于4號(hào)引水洞和4組泄壓閥的消能沖刷范圍內(nèi)，經(jīng)過多年的運(yùn)行，堰軸線下部的天然覆蓋層早已沖刷殆盡，在基礎(chǔ)深槽部位殘留的覆蓋層多是庫底淤積在引水洞泄流時(shí)攜帶而來的粉細(xì)沙，級(jí)配較差，承載力有限，抗?jié)B能力低。并且，經(jīng)過鉆孔取樣發(fā)現(xiàn)，覆蓋層中還包括了大量的鋼筋、混凝土塊等前期擴(kuò)建的工程垃圾。對(duì)選定使用的鋼板樁圍堰的插樁和防滲施工帶來極大的困難。

在本工程開工前，業(yè)主在4號(hào)引水洞進(jìn)行了一次歷時(shí)大約30min的紀(jì)念性泄水。一方面將進(jìn)水口處淤積的大量泥沙帶到堰址處；另一方面將圍堰右側(cè)基礎(chǔ)的覆蓋層沖刷殆盡，勘察結(jié)果表明幾乎成為裸巖基礎(chǔ)，這會(huì)對(duì)圍堰的穩(wěn)定和抗?jié)B施工帶來極大的困難。

3.3 引水洞工作情況勘察

4號(hào)引水洞相當(dāng)于圍堰工程的上游，其工作閘門由于年久失修，底部止水幾近失效，漏水量高達(dá)500m3/h，直接影響本工程的常規(guī)排水量。隧洞封堵前經(jīng)常性排水量匯總?cè)绫?所示。

表4 4號(hào)隧洞封堵前經(jīng)常性排水資源配置

4 結(jié)語

在常規(guī)建設(shè)條件勘察的基礎(chǔ)上，針對(duì)擴(kuò)建工程特有的下游水位、水下覆蓋層、引水洞情況等方面的問題進(jìn)行了專門的勘察分析，搜集到大量的資料，預(yù)測(cè)其對(duì)圍堰工程施工的影響。取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

(1)經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)本工程堰址條件的勘察不僅了解了地形地質(zhì)等常規(guī)工程條件參數(shù)，而且揭示了水位的影響因素、覆蓋層中的建筑垃圾、上游漏水量等一系列改擴(kuò)建工程特有的工程條件參數(shù)和問題，對(duì)于規(guī)避后期圍堰的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，為工程索賠提供了依據(jù)。

(2)社會(huì)效益

改擴(kuò)建工程的建設(shè)條件與一般新建工程存在巨大的差異。一般新建工程以自然條件為主，而改擴(kuò)建工程的建設(shè)多處于人造環(huán)境中，受現(xiàn)有工程條件的制約較大，甚至現(xiàn)有工程條件成為影響施工的主導(dǎo)因素。塔貝拉四期擴(kuò)建圍堰工程是在改擴(kuò)建工程施工方面的重要實(shí)踐，對(duì)于了解擴(kuò)建工程特點(diǎn)和復(fù)雜性具有重要意義。隨著我國進(jìn)入后水電開發(fā)時(shí)代，水庫、大壩和電站改造工程將逐漸增多，研究原工程條件和約束對(duì)圍堰施工的影響是具前瞻性的重要技術(shù)課題。