天桥水电站除险加固工程围堰设计研究

同昕旺,余炳福

(葛洲坝集团第二工程有限公司,成都,610091)

1 概况

山西省天桥水电站是黄河中游北干流上第一座低水头大流量河床径流式电站,左岸为山西保德县,右岸为陕西府谷县。电站原枢纽由左向右依次为混凝土重力坝、电站厂房、泄洪闸、土坝等四部分。电站正常蓄水位为834m,防洪限制水位830m,死水位828m。水电站装机4台,总装机容量128MW。枢纽建筑物总长752m,左岸混凝土坝段长 385m,坝顶高程 838m;右岸土坝段长367m,坝顶高程836m。

天桥水电站于1978年7月竣工投入运行,存在的主要问题是工程按百年一遇洪水标准设计,不能满足现行规范要求。在1994年7月第一次大坝安全定期检查第三次专家会议上,天桥水电站被定为险坝,大坝安全类别定为三类,水库防洪安全等级为C级,需进行除险加固工作,提高防洪标准。除险加固工程主要内容是将右岸部分土坝挖除,新建两孔泄洪闸和四孔冲沙闸,提高建筑物的防洪能力。为确保上述除险加固项目在干地施工,需修建上、下游围堰,形成施工基坑。

2 围堰设计标准

工程等别及建筑物级别:根据《防洪标准》(GB50201-94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000),除险加固工程等别为Ⅲ等,工程规模为中型。根据工程等别和建筑物的重要性,确定主要建筑物为3级,次要建筑物为4级,临时性建筑物为5级。上、下游围堰按5级建筑物设计。

导流标准确定:根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,上下游围堰为5级建筑物,建筑物类型是土石与混凝土结构,按10～5年一遇的洪水标准进行设计。

根据建设方的要求,上下游围堰的设计标准按10年一遇的洪水考虑。10年一遇洪水入库洪峰流量为9270m3/s,上游相应库水位为830.00m,浮动0.5m;考虑洪峰流量全部下泄,下游相应水位为819.60m。非汛期枢纽最大下泄流量为万家寨水库,最大发电下泄流量1800m3/s,设防水位815.34m。

3 围堰设计

围堰设计时充分利用原建筑物的上下游导墙,围堰设计平面图如图1所示。

图1 围堰设计平面

3.1 上游围堰设计

天桥电站库水位的特点是枯水期水位为834.00m,汛期水位为830.00m。上游围堰作为施工期坝体挡水的建筑物,堰顶设计高程为836.00m。

根据上游围堰部位的地形地质条件,结构设计时沿上游围堰轴线控制点分段设计。其中,D1～D6段为土石围堰,D6～D7段为混凝土围堰。

3.1.1 土石围堰断面设计。D1～D6段为土石围堰,轴线长度为376.49m,采用均质土石混合料填筑。因基础为坝前淤积物,基础承载力较低,故围堰采用加大底宽的断面形式,顶宽设计为10m,上下游边坡坡比为1∶2.5,堰高3m～4m。围堰接近主河道段(D4～D6段)上游坡,采用1.0m厚的块石护坡。

3.1.2 混凝土围堰断面设计。D6～D7段处于水寨岛前沿,距主河道较近,修筑土石围堰则防护非常困难,既影响原泄洪闸泄洪,又占压新建基坑部位。根据基岩地质等高线资料,该地段基岩面较高,最低823.00m,设计成混凝土围堰,采用水下混凝土施工方式形成。围堰轴线长度51.71m,堰底宽度8.0m,堰顶宽度考虑通车需要设计为6.0m,堰高8m～13m。由于围堰断面不能满足重力坝稳定设计断面,在混凝土围堰上游侧增设预应力锚束,间距 2.0m,每束张拉吨位200t。该围堰段基岩面以下4m处(高程分布为818m～824m)存在软弱夹层JC13-01,根据重力坝设计规范,为解决重力式混凝土围堰的深层滑动问题,在混凝土围堰背后增加一道钢筋混凝土抗滑墙。

3.1.3 上游围堰防渗设计。考虑D1～D2段远离河床,不作防渗设计;D2～D5′段,土石围堰基底下为坝前淤积层和砂砾石层,采用高压旋喷法(孔距1.0m)设计防渗墙,嵌入基岩1.0m,最大防渗墙深度达40m;D5′～D6段紧邻混凝土围堰,采用地下连续墙防渗,嵌入基岩1.0m,解决土围堰与混凝土围堰接头绕渗问题。由于水寨岛基岩相对破碎,渗透系数较大,在混凝土围堰及原上游右导墙区域,利用锚索施工孔位进行一次帷幕灌浆,确保新建闸室基坑开挖时不出现较大渗水问题。

3.2 下游围堰设计

下游围堰位于原泄洪闸右岸墙尾端,设计时进行了土石围堰、混凝土围堰和钢板桩围堰的比较(见表1)。通过比较,充分利用土石围堰和混凝土围堰的优点,采用土石围堰与混凝土围堰混合结构型式,围堰轴线控制点为A1～A3,轴线长度为177.39m。A1～A2为土石围堰,A2～A3为土石包裹混凝土围堰,即先将A2～A3段填筑为土石围堰,并在土石围堰中采用地下连续墙的方法形成混凝土基础,加高形成混凝土围堰。这样投资相对小,又不占压基坑开挖部位和原泄洪通道。

表1 下游围堰方案比较

3.2.1 土石围堰断面设计。土石围堰上下游边坡坡比设计为1∶1.5,迎水面设计3.0m厚防冲块石,背水面采用0.5m厚干砌石护坡。

3.2.2 混凝土围堰设计。混凝土围堰设计是结合新建中导墙尾墩头进行考虑的,围堰设计最大宽度为13.4m,底部坎入基岩1.0m,最大设计高度为22.0m。在一期土石围堰填筑高程816.00m平台,采用地下连续墙结合高喷法施工混凝土围堰,二期加高至全年度汛高程820.00m。

3.3 围堰防渗设计

土石围堰A1～A1′段远离河床,不作防渗设计;A1′～A2段采用高压旋喷法(孔距1.0m)设计防渗墙,平均深度为20m。A2～A3段基岩增设防渗帷幕,保证基坑开挖部位不出现较大渗水。

4 围堰稳定验算

4.1 上游土石围堰稳定验算

图2 上游土石围堰典型断面

4.1.1 计算内容

根据规范要求和现天桥水库实际运用情况,同时与渗流稳定计算工况相对应,围堰抗滑稳定计算工况组合如下:工况一,稳定渗流期上、下游边坡稳定计算,上游正常蓄水位834.00m,下游无水位出露;工况二,稳定渗流期遭遇地震上、下游边坡稳定计算,上游正常蓄水位834.00m,下游无水位出露;工况三,库水位降落期上游边坡稳定计算,水位由834m降至827m,上游围堰基础出露。以上工况均有防渗墙。上游土石围堰典型断面见图2。

4.1.2 稳定计算

4.1.2.1 计算模型及参数确定。参照碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)规定,坝坡抗滑稳定的安全系数,应不小于表2规定数值。

表2 坝坡抗滑稳定最小安全系数

鉴于围堰属临时建筑物,工程等级较低,根据规范定为5级建筑物,相应正常运用条件K允许=1.25,非常运用条件 KⅠ允许=1.15、KⅡ允许=1.10。

计算模型上部与渗流稳定计算模型一样,只是基础层不同,自上而下分别为堰体土层、10.5m壤土层、18.5m厚砂砾石层、15m厚泥灰岩层。计算用各地层参数见表3。

表3 抗滑稳定计算用各地层参数

4.1.2.2 坝体稳定计算。本次稳定计算采用“土石坝稳定分析程序系统(HH_SLOPER1.0)”进行计算和分析,选用方法为简化毕肖普法。各工况稳定计算结果汇总于表4。

表4 最小安全系数汇总

4.1.3 计算结果与分析

从以上稳定计算结果可以看出,各工况上、下游坡最小稳定安全系数都满足规范要求,且有较高富余度。因此,上游围堰抗滑稳定满足要求。

4.2 上游混凝土围堰稳定验算

上游混凝土围堰最不利工况见图3。黄河水容重考虑为15kN/m3;混凝土的容重取为24kN/m3。

4.2.1 取单宽进行混凝土段的稳定验算

上游水压力P,工况1为汛期,工况2为非汛期。

图3 上游混凝土围堰计算简图

工况1:P1=270kN;工况2:P2=550kN

底部扬压力:工况1:U1=360kN;工况2:U2=440kN

按工况2进行稳定复核:M =+4877.3kN.m,K=2.17,混凝土围堰稳定。

4.2.2 取单位宽度进行深层抗滑稳定校核

最不利工况如图3。接触面以上的总铅直力∑W=W1+W2+W3+W4=5104kN

上游水压力P,按汛期浮动2m考虑,P=1687.5kN

底部扬压力U=1800kN

抗滑稳定安全系数:Ks=f(∑W-U)/P

坝基底部为弱层,根据工程地质资料取接触面间的摩擦系数 f=0.35

Ks=0.35×(5104-1800)/1687.5=0.685＜1.0

因此,须对混凝土围堰进行必要的工程处理。本工程中,围堰迎水面采用帷幕灌浆,增设抗滑墙等工程措施。抗滑墙设计墙厚1.0m,纵向配筋2×4φ22mm钢筋,满足抗剪要求。

使用抗剪断公式验算:

K′S=f×(∑W-U)+cA/∑P

f=0.5抗剪断强度系数;c=0.08MPa抗剪断凝聚力;取扬压力折减系数为0.4

抗滑墙抵抗弯矩能力:759.473kN.m

K′S=[f×(∑W-u)+cA]/∑p=2.2

对于深层滑动的安全系数,重力坝设计规范中未作明确规定,当采用抗剪断公式计算时,软弱夹层的抗剪断强度参数 f和c较低,安全系数很难达到设计规范要求,因而不得不根据实际情况酌予降低,但至少不得低于2.0,采取的工程措施是可行的。

4.3 下游混凝土围堰稳定计算

下游围堰主要是对混凝土围堰段进行稳定验算。最不利工况,围堰内侧全部挖出。计算简图见图4。

图4 下游混凝土围堰计算简图

取单宽验算:W=7707.3kN

水压力P水,非汛期最高水位815.34m。

P水=2068.6kN

土压力P土,围堰顶部高程816.0m,按非粘性土考虑,

P土=1653.8kN

底部扬压力:U=1363.2kN

经过计算:M=+5927kN.m,k=1.14,混凝土围堰稳定。

5 围堰施工与运行评价

5.1 上游混凝土围堰

上游混凝土围堰采用水下混凝土施工,距迎水面1.2m处布置一排预应力锚索,2009年7月中旬开始挡水。在完成基坑岩石面以上开挖后,混凝土围堰背后岩石实际出露高程约1m～2m,造成抗滑墙施工不利。结合现场施工条件,通过优化施工方案,将抗滑墙设计修改为钢筋桩设计。即在围堰背后预留 10m宽度岩埂,布置170根3φ36mm的钢筋桩,穿过软弱夹层。预留岩埂后期与围堰同期拆除。运行近一年来,加固工程基坑已开挖至设计建基面,混凝土围堰无异常变形。

5.2 上游土石围堰

上游土石围堰于2009年4月开始施工,5月开始防渗墙施工,7月中旬开始挡水。土石围堰是请黄委进行稳定验算,验算时没有考虑基坑开挖后的稳定。由于坝前淤积层的力学指标极低,淤积土设计开挖边坡1∶3和1∶4不能满足稳定要求,在基坑下挖8m以后,由于开挖边坡变形,造成围堰内坡出现多条纵向裂缝,导致高喷防渗墙出现剪切破坏现象。现场采用内侧坡脚压重,边坡防护,围堰外侧加宽填筑10m等措施,并对防渗破坏地段补充防渗墙处理,围堰运行半年,始终处于稳定状态。

5.3 下游混凝土围堰

下游围堰于2009年5月开始填筑,一期填筑到816.0m高程,然后开始地下连续墙施工。由于围堰填筑均在水下进行,不具备分层碾压条件,又没有足够的沉降时间,地下连续施工时成槽极为困难。在汛前完成迎水面单排地下连续墙后,调整施工程序,先对地下连续墙框格内进行高喷固化处理,然后实施地下连续墙施工。2009年12月完成围堰施工。

围堰施工完成后,请三峡大学建立模型验算,结果如下:最不利工况下,围堰整体最大总位移位于围堰回填砂砾料顶端中部区域,倾向背水侧,最大总位移值为3.291mm。第1主应力拉应力的最大值为0.58MPa,位于815m高程现浇板跨中底部;第3主应力压应力最大值为2.42MPa,位于800m高程处背水侧连续墙与基岩接触部位。此工况下的变形和应力不是很大,最大拉应力小于C20混凝土的允许抗拉强度,最大压应力远小于C20混凝土的允许的抗压强度。接触面处高压灌浆区与基岩接触良好。接触面正应力最大值为2.07MPa,接触面处摩擦力最大值为1.24MPa,接触面处围堰底部的最大滑动距离为0.358mm。接触面处的摩擦力和滑动距离值较小,压应力不大,小于C20混凝土的允许抗压强度。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)关于坝基抗滑稳定计算的规定,对围堰进行抗滑和抗倾稳定性计算,抗滑安全系数为1.35,抗倾安全系数为1.89,均满足容许安全系数。说明围堰运行期间是安全的。

6 结语

天桥除险加固工程的地形地质条件较为复杂,围堰紧邻老建筑物的泄水建筑物,设计时必须考虑既不影响老建筑物的运行,又不占压新建工程的施工区域。本工程上游采用水下混凝土围堰,下游采用地下连续墙式混凝土围堰,完全解决了上述矛盾,实施过程又不断优化和验证,为工程的顺利推进创造了条件,也为类似工程提供了一定的借鉴经验。

〔1〕赵长海.预应力锚固技术.北京:中国水利水电出版社,2001.