大流量深厚覆盖层过水围堰设计

李军，蔡建国，李其虎

(1.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭州310014；2.二滩水电开发有限责任公司,四川成都610021)

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河湾上，是雅砻江干流规划建设的21座梯级电站中装机规模最大的水电站。本工程利用雅砻江150 km长的锦屏大河湾，开挖隧洞引水发电，首部设低闸，引水隧洞为4洞8机，单机容量600 MW，电站总装机容量4 800 MW。

本工程根据闸址地形地质条件，以及水文和枢纽布置特点，闸坝施工采用枯水期断流围堰、汛期围堰过水、右岸单洞导流方案。工程于2008年11月底截流后，至2011年11月初围堰拆除，要经过2009年、2010年和2011年3个汛期度汛。围堰堰顶高程按拦挡枯水期12月—5月时段10年一遇洪水流量1 690 m3/s确定，围堰过流标准按全年20年一遇洪水，Q=8 850m3/s设计。

2 过水围堰关键技术问题及解决措施

2.1 关键技术问题

上游土石过水围堰最大堰高21.0m，围堰直接修建在覆盖层上，覆盖层厚23～43m，堰体及基础防渗采用厚0.8 m的塑性混凝土防渗墙，最大墙深61.0 m，堰面过流保护采用C20混凝土护面。设计过流堰顶单宽流量47.0m3/s·m，最大单宽流量54.0m3/s·m，设计堰上水头9.7m，水位差5.4 m，堰坡最大平均流速达12.6m/s。上游围堰典型剖面见图1。

下游土石过水围堰最大堰高19.0m，围堰直接修建在覆盖层上，覆盖层厚20～38m，堰体及基础防渗采用厚0.8m的塑性混凝土防渗墙，最大墙深54.0m，堰面过流保护采用C20混凝土护面。设计过流堰顶单宽流量65.0m3/s·m，最大单宽流量67.0m3/s·m，设计堰上水头11.5 m，水位差3.2 m，堰坡最大平均流速达9.7m/s。下游围堰典型剖面见图2。

国内外已有不少工程采用过土石过水围堰，汛期流量比较大的河流上也有采用[1-3]。经与国内的类似工程如天生桥二级、东风、普定、大化、珊溪及国外的卡博拉巴萨等工程设计指标相比（表1），锦屏二级土石过水围堰无论在过水围堰高度、规模、覆盖层深度、过水水力指标均为国内高水平，围堰需经历3个汛期过流，过流量大，历时长，且整个汛期围堰均处在过流状态，汛期无法检查，围堰过流的防冲保护设计难度大，尤其是下游围堰堰脚防护设计，施工期水深达11 m左右，防冲保护设施需水下施工，设计难度大[4-6]。

图1 上游围堰典型剖面图

图2 下游围堰典型剖面图

表1 国内外部分土石过水围堰主要指标表

注：1.表中斜线左数字为设计值，斜线右数字为实测最大值；2.表中数据根据相关资料摘录。

2.2 解决措施

土石过水围堰的安全度汛与合理设计是紧密相关的，围堰体型、防护材料和防护方式是保证围堰安全度汛的核心问题。针对锦屏二级水电站过水围堰的特点，结合水力学模型试验成果，为了使大流量、深覆盖层上的土石过水围堰这一型式得以成功应用，对防护面板稳定、防护面板分缝、堰脚防冲等关键技术进行了研究，并采取了应对措施[7-9]。

1）混凝土防护面板结构稳定措施。上游围堰溢流面坡比为1∶3.5，采用厚1.2m的现浇混凝土面板（单块尺寸为12.5 m×9.0m），为增加面板的稳定性，每块面板上都设置了Ф25锚筋，与面板夹角为18°，伸入堰体7.0m,为提高锚筋的抗拔效果，锚筋的锚固端均设置50 cm×50 cm×50 cm混凝土预制块。面板排水孔采用预埋PVC管方式，孔径10 cm，间排距为2.5m×1.25m。

2）混凝土防护面板分缝结构措施。面板采用普通平板结构型式，具有施工方便优点，其缺点是按常规面板分缝（直缝），堰体发生不匀均沉降时分缝处易产生高低坎情况，过流时不利的水流条件将影响面板的稳定性。为解决该技术问题，本工程面板顺水流方向分缝采用了上、下搭接的台阶式分缝结构，并在块与块缝面之间设置了的联系钢筋。

3）下游围堰堰脚防护措施。下游土石过水围堰堰脚座落在覆盖层上，且需水下施工，堰脚的防冲防护对围堰的过水安全运行至关重要。根据水工模型试验及动床试验成果，堰脚处最大流速在7.5m/s左右，在下游堰脚抛投粒径0.8～1.2 m大块石防护下，下游动床范围内在Q=3 500～8 850m3/s过水工况下均有不同程度的冲刷，最大冲坑深约7 m，可见采用大块石堰脚防护风险较大。为此，研究比较了采用钢筋石笼和合金钢网石兜两种堰脚防护方案，钢筋石笼为传统防护措施，技术较成熟，一般抗冲流速可达6 m/s左右；合金钢网石兜适应变形、抗冲能力强、防冲效果好、施工相对较方便。最终选择了合金钢网石兜防护，该项技术应用于过水围堰堰脚防冲属国内首次。合金钢兜网由专业厂生产，合金钢丝直径3mm，平均网眼边长20 cm，单个合金钢网兜要求装石量不小于3m3，充填的块石料粒径应大于25 cm，小于60 cm。

4）上游过水围堰减小水位落差措施。上游围堰总挡水高度为24.5 m，按此高度过流水位落差高达8.7m，最大流速达16.5m/s左右，防护设计难度很大，为减小过流时的水位落差，在枯水期采用了在过水围堰顶部加3.5m高草包围堰结构型式挡水，汛前拆除，使过水围堰最大水位落差降至5.4 m，最大流速降至12.6 m/s，提高了围堰过水时的安全性。

3 围堰过流情况

锦屏二级上、下游土石过围堰于2008年12月开始修建，至2009年5月全部完工。上、下游围堰于2009年6月25日开始首次翻堰过流，直到2009年10月14日停止过流，过水历时长达110 d，过流期间河道来水最大流量为6 960 m3/s（大于5年一遇标准），最大过堰流量达5 200 m3/s；2010年围堰过流时间长达125 d。根据监测资料，上游围堰最大沉降为6 mm，下游围堰最大沉降仅为2 mm，渗压变化跟随水位的变化而变化，符合变化规律，水流条件与设计基本吻合。汛后基坑完成抽水后对围堰及两岸边坡进行仔细检查，围堰及边坡完好无损，没有出现裂缝等异常现象。锦屏二级过水围堰的成功过流度汛，为我国高过水水力指标的土石过水围堰设计提供了安全可靠的技术方案及经验。

[1] 王锦峰，杨鑫平.下坂地水库大坝上游围堰设计[J].西北水电，2009（2）：38-40.

[2] 王凤安，罗林，刘周岐.乌金峡水电站下游围堰防渗优化设计[J].西北水电，2008(4):30-33.

[3]黄烨.膏浆灌浆在柬埔寨甘再水电站围堰防渗中的应用[J].西北水电，2010(2):31-34.

[4] 中华人民共和国家发展和改革委员会．DL/T5397—2007水电工程施工组织设计规范[S]．北京：中国电力出版社，2008．

[5] 中华人民共和国水利部．SL303—2004水利水电工程施工组织设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2004．

[6] 陈泽曦.土石过水围堰设计中的几个要点[J].水电站设计，2003，19(1):40-42.

[7] 张黎明.过水土石围堰和土坝护面防护经验分析[J].水利水电工程设计，1998(4):47-49.

[8] 杨志雄,陈能平,赵增凯.天生桥一级水电站土石过水围堰设计[J].水力发电，1997(11):34-37.

[9] 胡志根,胡建明,李燕群.过水土石围堰下游护坡的溢流设计风险率模型[J].水科学进展,2003,14(5):622-625.