枕头坝一级水电站二期围堰设计及优化

刘儒

(中国水利水电第三工程局有限公司，成都，610045)

1 工程概况

枕头坝一级水电站为大渡河干流水电梯级调整规划的第十九个梯级，位于大渡河中下游乐山市金口河区的核桃坪河段上，上游距离深溪沟电站25km，下游距离枕头坝二级电站4.1km。工程区左岸有成昆铁路经过，附近分布有乌斯河、关村坝及金口河火车站，306省道从左岸坝肩及库区通过，交通条件优越。

坝址处控制流域面积73057km2，多年平均流量1360m3/s，枯水期河面高程589m～590m。电站采用堤坝式开发，初拟正常蓄水位624m，最大坝高86.5m，电站装机容量720MW，多年平均发电量32.90亿kW·h，正常蓄水位以下库容0.435亿m3，水库总库容0.469亿m3，为径流式电站。开发任务为发电，兼顾下游用水。工程枢纽布置从左往右依次为:左岸非溢流坝段，河床厂房坝段，左岸1#、2#泄洪闸，排污闸坝段，3#～5#泄洪闸坝段及右岸非溢流坝段。

工程施工导流采用分期导流方式，其导流程序为:导流一期先围右岸，在右岸滩地上修筑一期土石子围堰，在一期基坑中进行导流明渠、纵向混凝土导墙的施工。其中，导流明渠结合3#～5#泄洪闸施工，将3#～5#泄洪闸闸墩提前浇筑10m至595m高程，由束窄后的左岸主河床过流。2011年11月，导流明渠具备过流条件后拆除一期土石子围堰的进、出口横向部分;2011年11月27日进行主河床截流，在二期上下游围堰保护下完成左岸非溢流坝段、河床厂房坝段、左岸1#、2#泄洪闸坝段施工;2013年11月～2014年4月，完成3#～5#泄洪闸595m高程以上混凝土浇筑及金属结构安装，此时段由导流明渠过流。2014年5月拆除二期上下游围堰，2014年6～9月由1#～5#5孔泄洪闸过流。2014年10月填筑三期下游围堰，由3#～5#泄洪闸3扇事故门及三期下游围堰挡水形成三期基坑，完成3#～5#泄洪闸闸墩锚索张拉及弧形工作闸门安装，此时段由1#、2#泄洪闸过流。

2 围堰地形地质条件

上游围堰位于大坝上游约200m，枯水期河面宽80m，水深一般6m～7m，但在河床右侧有一河床深槽，最低高程578.30m，水深达11.70m，两岸谷坡坡度40°～50°，两岸基岩裸露。下游围堰位于大坝下游约400m，枯水期河谷宽80m，水深6m～7m，两岸谷坡坡度30°～45°，左岸坡覆盖层深厚，右岸在620m高程以上基岩裸露，以下坡段地形平缓，被Ⅰ级阶地砂卵砾石层所覆盖，未见基岩出露。

围堰地基由河床含漂砂砾石层组成，一般厚35m～50m。漂石块径20cm～70cm，表层靠岸坡一带有大孤石分布，最大块径达5.0m以上;卵砾石粒径一般4cm～9cm，成分复杂，以白云岩、砂岩、玄武岩及灰岩为主，磨圆度中等～较差，呈次圆状，由中粗砂及少量细砂充填，并间夹有3层相对较连续的砂层分布。据统计，河床砂卵砾石层中，卵砾石约占70%～90%，砂粒约占30%～10%，上部结构属中等密实，下部呈密实状态。

经抽水试验及室内渗透试验，测得坝址河床砂卵砾石层的渗透系数K=2.28×10－2cm/s～7.5×10－2cm/s，属强透水层;经现场承载力试验，其允许承载力为0.5MPa～0.55MPa，压缩模量42MPa～60MPa，内摩擦角φ=29°～32°。

围堰下伏基岩顶面高程548m～533m，岩性为玄武岩，多为弱风化状态，裂隙中等～较发育，岩体总体较坚硬，基岩浅部呈中等透水性。

两岸堰基仍为玄武岩，上游围堰两岸基岩裸露，多为强～弱风化，裂隙发育，部分裂隙卸荷张开成10cm～30cm宽缝。推测强卸荷带水平深10m～20m，弱卸荷带水平深达50m～60m，两岸地下水位低平，受裂隙及风化卸荷的影响，堰肩岩体水平向渗透性较强。下游围堰在600m高程以下均为覆盖层，其物质组成主要为碎块石及阶地砂卵砾石层，粘土含量较少，透水性较强。

上、下游围堰以含漂砂卵砾石层作为基础，其地基承载力和变形满足要求，存在的主要问题是强透水的砂卵砾石层的防渗及下部间夹砂层的抗滑稳定问题。

图1 二期上下游围堰工程地质剖面图

3 围堰设计思路及方案

3.1 围堰工程特点

与国内同类围堰工程相比，枕头坝一级水电站二期上、下游围堰具有以下特点和难点:

(1)堰基河床覆盖层深厚。覆盖层深度最大达50m，堰顶距基坑深度达73m;

(2)围堰基础防渗工程量巨大。上游围堰防渗墙面积为6883m2，最大深度63m;下游围堰防渗墙面积10357m2，最大深度59m。围堰施工工期相当紧张;

(3)由于堰基覆盖层深厚，围堰堰脚防淘刷方案显得尤为重要;

(4)枕头坝一级上游的瀑布沟水电站已建成运行，瀑布沟水电站为季调节水库，围堰施工时可对洪水进行调节，同时上游具备较为完善的自动水情测报系统，洪水预报的准确率较高。

3.2 设计思路

针对枕头坝一级水电站二期上下游围堰的特点，在设计过程中重点做好以下几个方面的工作:

(1)收集类似深厚覆盖层土石不过水围堰的工程实例，为设计提供参考;

(2)先后委托两家科研院校对导流模型试验进行研究，筛选方案;

(3)结合模型试验，优化防护方案;

(4)针对深厚覆盖层堰脚抗淘刷薄弱处，采取针对性防护设计;

(5)围堰型式力求结构简单，施工方便，在计划工期内完成。

3.3 围堰结构设计

二期上、下游围堰均为土石不过水围堰，建筑物级别为4级，按全年20年一遇洪水重现期设计，相应流量为6600m3/s(考虑瀑布沟调蓄后流量)。

二期上游围堰堰顶高程613m，围堰最低高程585.00m，最大堰高28m，堰顶宽10.0m，堰顶长度172.2m。上游迎水面边坡为1∶2.0，下游背水面边坡为1∶2.0。堰体由护坡块石、钢筋笼护面、过渡层、夹土石渣及防渗体组成，其防渗型式:602m高程以下采用塑性混凝土防渗墙防渗，厚1.0m;602m高程以上采用HDPE复合土工膜防渗，土工膜结构采用“之”字形布置。上游堰面水面以下采用大块石抛填护脚，水面以上采用钢筋笼护坡，作为抗冲防掏、镇脚稳定。

二期下游围堰堰顶高程600m，围堰最低高程583m，最大堰高17.0m，堰顶宽10.0m，堰顶长度204m。堰体由块石、过渡层、夹土石渣、防渗体组成，上游背水面边坡为1∶2.0，下游迎水面边坡为1∶2.0。右岸端头33m范围594m高程以下部分，采用C20混凝土面板护面，同时布置一排厚度1m、最大深度10m的混凝土连续墙作为防淘墙，保护堰脚。堰体防渗型式，594m高程以下采用塑性混凝土防渗墙防渗，厚1.0m;594m以上采用HDPE复合土工膜防渗，土工膜结构采用“之”字形布置。下游堰面水面以下采用大块石抛填护脚，水面以上采用钢筋笼护坡，作为抗冲防掏、镇脚稳定。

图2 二期上、下游围堰典型断面示意

4 围堰设计优化

4.1 堰面防护优化

水工模型试验验证，上游来水量在3510m3/s～6600m3/s时，上游围堰堰前水流流态平稳，围堰附近流速小于0.1m/s;下游围堰迎水面回流流速约1m/s，只在河道左岸回流流速较大，约5m/s，洪水回流对围堰堰脚产生淘刷的可能性较小。因此，设计结合现场施工实际情况及模型试验成果，对上下游围堰堰面防护进行优化，取消大部分钢筋笼护面，只保留上游围堰0+000.00m～0+080.00m、高程594m～604m，下游围堰左岸堰边0+210.15m～0+230.15m、高程591m～600m部分的钢筋笼护面。其余部位堰面防护型式调整为直接挂网喷C20混凝土，厚10cm，钢筋网φ8mm@20cm×20cm;喷混凝土护面范围内设φ100mm排水孔，预埋φ100mmPVC管，管内设φ90mm塑料盲材，长60cm，外露5cm，俯角5°，间排距2.5m×2.5m。

4.2 围堰体型调整

二期上游围堰右岸存在基岩陡坎，导致防渗墙未真正深入基岩，存在较大的渗漏通道，需对渗漏通道进行帷幕灌浆补强处理。由于处理难度较大，至2012年5月初仍未完成帷幕灌浆补强，要在2012年5月底达到度汛面貌，还需完成二期上游围堰602m～613m的围堰填筑及土工膜施工，原设计方案土工膜需待防渗墙施工完毕后才能施工，度汛形势十分严峻。为加快二期上游围堰施工进度，保证防渗墙帷幕灌浆与土工膜同步施工，满足二期上游围堰汛前达到度汛面貌，确保基坑顺利度汛，设计对二期上游围堰防渗墙施工平台以上体型进行了优化。将二期上游围堰迎水面堰顶边线由原设计位置向下游移至围堰轴线处，迎水面603m高程以上坡比由1∶2.0调整为1∶1.75，603m高程以下坡比不变;背水侧堰顶边线向下游偏移4m，堰体坡比仍为1∶2.0，600m高程马道由3m调整为2m，堰顶宽度由10m调整为9m;取消复合土工膜迎水面的砂垫层及过渡料，采用在复合土工膜上直接挂网喷C20混凝土作为护面。

5 结语

通过取消钢筋笼护面，优化围堰护面结构，直接节约工程投资约800万元。通过合理调整二期上游围堰的体型，在602m高程预留出8m宽的平台，可作为防渗墙灌浆补强的施工平台，防渗墙灌浆与土工膜可以同步施工，特别是采用直接在土工膜上挂网喷混凝土进行防护，大大加快了二期上游围堰602m～613m高程的填筑和护面施工进度，确保了围堰在2012年汛前达到设计要求的度汛面貌。

2012年7月28日，大渡河上游普降暴雨，枕头坝一级坝址处最大洪水达到6100m3/s，超过5000m3/s以上的洪水历时长达10余天，在经历了长历时、大流量洪水考验后，围堰护面结构未发生破坏，二期上下游围堰运行安全，二期上下游围堰迎水面水流流态、回水流速与水工模型试验基本一致，这说明结合水工模型试验，对二期上下游围堰护面结构的优化是合理的。

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