毛尔盖水电站导流洞下闸封堵过程中的风险管控

2015-04-19聂光利刘国勇

四川水利 2015年1期

聂光利，刘国勇

(1.中水四川水电开发有限公司毛尔盖水电有限公司，成都，610041;

2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都，610072)

1 工程概况

毛尔盖水电站装机容量420MW，挡水建筑物为碎石土心墙堆石坝，最大坝高147m，水库总库容5.35亿m3。工程为II等大(2)型工程，首部枢纽由挡水建筑物、溢洪道、放空洞组成。开敞式溢洪道布置在大坝左坝肩，闸室段设1孔10m×9m的闸孔，堰顶高程为2124.00m。放空洞布置在左岸，底板高程为2040.00m。

本工程坝区枢纽施工采用断流围堰挡水、隧洞过流，坝体工程施工采用全年导流方式。导流洞布置于左岸，导流洞洞身断面为城门洞型，过水净断面为8m×9.5m(宽×高)，围堰高度43m。导流洞进口闸室底板顶高程为1994.00m，设8m×9.5m(宽×高)平板封堵门一扇。

本工程位于四川省阿坝州黑水河干流上，年内洪枯流量相差大，坝址处黑水河分期设计洪水见表1。

表1 黑水河毛尔盖电站坝址分期设计洪水成果单位:m3/s

2 导流洞提前下闸时间分析及经济效益

根据河道水文特征和工程规划总体施工进度安排，导流洞于2006年7月开工至2008年10月完工，2008年11月初导流洞过水，河道截流。2011年12月初，引水发电系统具备首台机组发电的条件。同时根据首部工程的施工进度安排，2011年11月初，导流洞下闸封堵。下闸设计标准为10年一遇洪水，月平均流量80.4m3/s，对应下闸前水位1997.54m。2011年11月～2012年4月进行导流洞的封堵施工，封堵期间拦河大坝挡水，放空洞过流，渲泄施工期间设计洪水(11月到次年4月20年一遇洪水标准)Q=248m3/s时，上游水位2057.40m。导流洞封堵后，2012年汛前首部工程完工，汛期各永久水工建筑物投入正常运行。

根据工程2010年实际施工进度情况，大坝、溢洪道、放空洞可以在2011年4月底完工，比原来规划进度提前12个月，首部枢纽具备提前下闸蓄水的条件。提前下闸蓄水将带来巨大的经济效益。

导流洞洞身结构按安全抵挡74m外水设计，设计挡水位为2068.0m。倘若由于其他不确定因素导致5月前不能完成一期堵头封堵施工，上游最高库水位将超过洞身结构安全承载水位，结构存在安全风险。即导流洞一期封堵施工的安全时段截至2011年4月底，为此要求导流洞一期堵头应在4月底前完成。根据一期堵头施工进度分析成果，在施工较为顺利的情况下导流洞下闸至一期堵头完建共需31天，因此，导流洞下闸时间应在2011年3月31日前。

影响工程下闸时间的因素主要有:工程建设进度，移民安置进度，环保审查，下闸蓄水验收流程。根据工程建设进度安排，溢洪道及厂房进水口工程在2011年1月20日前全部完建，2011年3月中旬大坝填筑可达到2124.0m(溢洪道进口底板高程)，工程建设进度不影响下闸计划;根据移民安置验收节点时间要求，工程区移民及库底清理应于2011年1月5日前完成，2011年1月31日通过省移民局终验并获取终验报告;根据“环保验收节点时间”要求，2010年11月30日前提出水库蓄水环保专项验收申请，2011年2月21～28日，组织水库蓄水环保专项验收;环保专项验收通过后再进行水库蓄水安全鉴定验收。根据各项验收程序通常用时情况，分析得出工程下闸蓄水最早时间为2011年3月15日。

通过以上分析认为，本工程导流洞下闸封堵时间最迟不晚于2011年3月31日，在有条件情况下，应尽早提前下闸。综合分析影响工程下闸时间的各因素，为确保各流程的顺利实施，推荐本工程导流洞下闸时间为2011年3月15日。

提前下闸蓄水给毛尔盖电站带来巨大经济利益，可增加毛尔盖电站发电量约3.03亿kW.h，增加发电效益约13089.60万元。毛尔盖水电站提前下闸蓄水，给下游色尔古电站、柳坪电站带来巨大的经济利益，共可增加发电量约0.23亿kW.h，可增加发电效益约2793.60万元。因此毛尔盖电站提前下闸蓄水可以带来15882.6万元发电经济效益。

根据计算，导流洞一、二期封堵(含加固费用)共需费用437.7万元，与原设计相比增加费用159.4万元。

因此提前下闸可带来直接经济效益15723.2万元，经济上十分可观。

3 风险管理措施

针对实际的施工进度，调整了工程施工导流规划，根据研究导流洞必须于汛前3月中旬下闸蓄水，比原计划提前8个月。下闸后，导流洞封堵期正是汛期，按规范要求计算闸门的最大挡水水头达到139m，超过了原闸门挡水能力(74m)。因此，导流洞提前下闸蓄水带来了巨大的经济效益，同时也带来了大的工程风险。综合分析后认为主要有以下风险:(1)闸门挡水风险;(2)导流洞原衬砌结构风险;(3)堵头施工安全风险;(4)导流洞进口突然溃决的风险。

3.1 闸门挡水风险管控

闸门挡水水平由原设计的74m提高到139m，且闸门、闸室已施工，改建已不可能。根据计算，导流洞闸门设计水头74m时，导流洞门叶主梁的最大弯曲应力σ=202.6MPa，已经很接近Q345B的钢材容许应力［σ］=205MPa;门槽主轨底板弯曲应力σ=154.3MPa＜［σ］=171MPa。由于闸室门槽预埋件已埋设，门槽主轨已安装，且导流洞已过水，金属结构能加固的只有门叶，通过对门叶进行加固处理后，门槽主轨能承受的最大水头为81m，也远低于封堵期外水水头。针对此风险，经研究后采用在门后回填15m长的混凝土，其长度除填满闸门后闸室段空腔外，再进入导流洞2m。回填混凝土有两个主要作用，一是能挡封堵期外水推力，二是加固导流洞进口边坡。

3.2 导流洞原衬砌和堵头施工期风险管控

导流洞洞身全长869.91m，采用全断面钢筋混凝土衬砌，进口段多为Ⅳ类围岩，衬砌厚度1.0m;洞身中间段围岩主要为Ⅲ－2类，其次为Ⅳ类，局部Ⅴ类，衬砌厚度为0.6m～1.0m;出口段围岩主要为Ⅴ类，衬砌厚度1.0m。其中，对进出口及处于强风化、强卸荷的洞段围岩，进行固结灌浆。

3月中旬下闸封堵导流洞，封堵施工的安全时段仅为3月～4月。根据对导流洞永久堵头施工进度分析，由于永久堵头施工工序复杂(排水、浇筑混凝土、灌浆等项目)，在下闸后的一个月内不能完成永久堵头封堵的全部项目。进入汛期后，永久堵头封堵施工期进口闸门及洞身段结构将面临极大的安全风险。而若将堵头分段施工，利用较为安全的3～4月施工一期堵头，并利用一期堵头来抵挡二期堵头施工期的高外水，既可满足一期堵头施工期安全，又可降低二期堵头施工期的安全风险。因此，针对本工程下闸蓄水实际情况，在下闸封堵工期相对较紧的情况下，研究采用了永久堵头分期分段施工。

导流洞原设计封堵期最大外水压力74m，现封堵期可能面对的外水压力比其高了65m，洞身结构安全复核选择导流洞进口段0+030.0m断面。根据洞身开挖揭示的围岩情况，对洞周进行固结灌浆加固，选取外水折减系数为0.6。在洞身现有结构配筋情况下，底板中部、边墙下部及中部结构最大裂缝宽度将达到0.51mm，且边墙中部受拉钢筋最大拉应力达到324.8MPa，均超过规范要求范围，结构安全性无法保证。其风险是外水将使混凝土衬砌开裂，洞内渗水剧增，封堵施工无法进行。对此风险，加固衬砌也是一种办法，但将使施工工期大增，4月底无法完工，无法避开度汛风险。因此，导流洞封堵如何分段设置，以避开衬砌结构风险尤为重要。

原导流洞永久堵头布置在洞身0+530.0m～0+560.0m。根据永久堵头布置，一期堵头可考虑设置在紧邻闸门后及二期堵头前两种方案。

通过对洞身稳定复核成果分析，在导流洞下闸后工程不同蓄水方案情况下，若将一期堵头设置在进口闸门后，一、二期堵头间洞身结构裂缝均超过规范规定值，洞身结构稳定安全风险均较大。此外，导流洞运行已超过2年，洞身衬砌可能的冲蚀破坏将使导流洞承担外水能力进一步降低，洞身渗水量增大，甚至可能造成结构破坏。同时，由于闸门密封不严等问题造成的渗漏，将增大二期堵头施工期排水难度，影响二期堵头施工进度，二期堵头施工期面临较大的安全风险。

将一期堵头布置在二期堵头前，与二期堵头紧邻布置，可有效避免洞身及闸门大量渗水以及洞身段结构破坏给二期堵头施工带来的施工、安全风险。二期堵头施工期由一期堵头承担封堵期高外水，一期堵头的稳定可通过封堵长度解决，但因二期堵头下游洞身衬砌结构外水水头仍较高，需复核堵头下游原衬砌结构的安全性。

二期堵头下游洞身选取典型断面0+530.0m为结构复核计算代表性断面，该段围岩类别为Ⅳ类，衬砌厚度80cm，考虑到二期堵头段洞身施工中已进行了固结灌浆(桩号0+530.0m～0+560.0m段，灌浆压力3.0MPa～4.5Mpa，且质量检测成果表明，检查孔压水试验最大透水率为0.868Lu)，并且大坝帷幕灌浆已完成，实际灌浆压力为3.2MPa～3.6MPa，质量检测成果表明，检查孔压水试验最大透水率为0.638Lu。同时，考虑到该段洞身布设排水孔折减外压作用，根据《水工建筑物荷载设计规范》(DL5077－1997)规定，重力坝在采用防渗帷幕和排水孔时，排水孔后水压折减系数可取为0.2，洞身结构复核计算中外水水头折减系数取为0.2。计算结果显示，最大裂缝开展宽度0.2mm，钢筋最大应力111MPa，满足规范要求。

因此，通过合理地增加封堵混凝土段长，分期施工，避开了导流洞原衬砌结构风险和堵头汛期施工风险。

3.3 导流洞进口突然溃决的风险管控

导流洞堵头采用分期分段施工方式，二期堵头施工期间由原导流洞闸门及洞身抵挡封堵期外水，若上游水位超过原结构承载能力，将由一期堵头承载。但原衬砌结构在承载高外水时发生突溃，将对一期堵头结构造成威胁。针对此风险，应对导流洞地质情况进行分析研究。

根据洞身开挖揭示情况，进口段0+000.0～0+030.0m洞身整体为Ⅴ类围岩，岩体风化卸荷较强，裂隙发育，裂面普遍锈染、张开，为强卸荷弱风化岩体，呈碎裂结构;0+030.0m～0+224.0m洞身整体为Ⅳ类围岩，岩体微～弱风化，完整性差～较破碎，多呈互层状～碎裂结构，进口洞段开挖揭示表明，洞室洞壁干燥或局部湿润，说明洞室岩体透水性较弱。以上洞段实施了固结灌浆，固结灌浆入岩深度4m，灌浆压力0.8MPa，以加固围岩。

导流洞进口段洞身上覆岩体最小厚度约14m，近2倍隧洞宽度，在二期封堵期施工高外水139m作用下，水力坡降约为9.2，考虑围岩加固后可以满足渗透破坏要求。同时，类比瀑布沟导流洞下闸情况，其封堵期实际外水水头为117m，隧洞洞径13m×16.5m(宽×高，大于本工程8m×9.5m)，洞顶岩体覆盖厚度为18m(含混凝土回填厚度)，围岩类别为Ⅳ类，通过监测，封堵期施工安全没有出现问题;为保证洞室结构稳定，从安全的角度出发，在下闸前对进口洞脸边坡进行固结灌浆施工，以提高围岩整体承载力，经过固结灌浆加固后，在高外水作用下发生突溃可能性较小。

4 导流洞下闸封堵施工预案

导流洞在汛前下闸封堵，增加了导流洞结构本身和封堵期施工安全风险，虽然采取工程措施后，风险在可控范围，但仍需采取一定的施工风险预案，将风险降到最低。经研究后采取以下措施和预案。

(1)下闸前对导流洞闸门及门槽重新检修;

(2)为解决下闸后因闸门安装不到位或门叶间缝隙过大造成的渗漏量大等问题，在进口准备足量堵漏材料(可采用棉被、黄豆、粘土袋等)，并确保导流洞进口道路畅通;

(3)导流洞封堵施工通道为导流洞出口，下闸后应立即填筑出口围堰和洞内道路。但因洞身及闸门渗漏量过大可能导致围堰填筑困难，应及时进行堵漏处理，洞身则需在下闸前进行洞外灌浆处理。在导流洞出口准备足量的填筑料，并配备一定数量的抽水泵备用;

(4)若一期堵头施工期间洞内渗水量较大，将对封堵施工造成影响，应增加洞内排水钢管数量，并配有相应的阀门，堵头下游应备足量的抽排设备。若施工过程中堵头段洞身渗漏量大影响堵头混凝土浇筑，应采取有效的防水、排水措施，如高压灌浆止漏、遮雨棚、排水管等，保证混凝土浇筑进度和质量。若二期堵头施工期间发生设计标准洪水，首先应根据堵头下部埋设钢管出流量及上游监测成果，判断堵头前洞身是否平压，考虑到一期堵头施工质量及龄期保证性差，应及时组织专家组讨论是否将排水钢管关闭。