上石盘电航枢纽泄洪闸基础处理与消能防冲设计

巩绪威,刘　勇,华鹏飞

(上海勘测设计研究院有限公司,上海　200434)



上石盘电航枢纽泄洪闸基础处理与消能防冲设计

巩绪威,刘勇,华鹏飞

(上海勘测设计研究院有限公司,上海200434)

上石盘电航枢纽工程坝址地质条件差、泄洪流量大、运行工况及水力学条件复杂，采用覆盖层大开挖岩基建闸结合消力戽消能的设计方案，较好地适应了闸址自然条件和枢纽的运用要求，节省了工程量和投资。经水力计算和模型试验验证，戽流消能在中、小洪水下泄时处在稳定水跃区运行，较大洪水下泄时对下游冲刷影响较小。

砂卵砾石覆盖层；软岩地基；基础处理；闸室结构；戽流消能；水工模型试验

1　工程概况

上石盘电航枢纽工程系嘉陵江干流广元至苍溪河段梯级开发的第1级，位于四川省广元市境内，水库总库容6 860万m3，正常蓄水位472.50 m，电站装机容量30 MW，为Ⅲ等中型工程，挡水、泄洪及发电等永久性主要水工建筑物为3级建筑物。本工程为径流式开发，电站水头低，工程规模不大，但汛期洪峰流量大，泄水建筑物采用开敞式全闸布置，闸槛高程457.00 m，共13孔，其中靠近厂房3孔兼作冲砂闸，总长223 m ，单孔净宽14 m，闸顶高程为476.00 m，最大闸高39 m。设计洪水流量(P=2%)Q=11 300 m3/s，校核洪水流量(P=0.5%)Q=14 200 m3/s，消能防冲设计洪水流量(P=3.33%)Q=10 300 m3/s。泄洪闸平面布置见图1。

闸址区砂卵砾石覆盖层厚度15～23 m，受长期采砂影响，松散层厚度2～18 m，下伏基岩由砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩组成。闸址区50 a基准期超越概率为10%的基岩水平地震动峰值加速度为0.108g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2　工程地质条件

闸址区砂卵砾石覆盖层厚度15～23 m，其中上部松散层厚度2～18 m，承载力200～240 kPa；中部稍密层厚度0.0～10 m，承载力300～400 kPa；下部中密～密实层厚度0.0～5.6 m，承载力较高但分布不稳定。卵砾石层颗粒粒径<5 mm占9.68%～14.22%，<2 mm占8.9%～5.64%， 2～80 mm占74.25%～82.0%，平均粒径d50=35～37 mm，>80 mm占8.32%～11.54%，均匀性较差，渗透系数平均值k=2.62×10-2cm/s，属中等～强透水，抗冲刷流速为1.5～2.0 m/s，冲刷系数1.4～1.5。

坝基岩体为中等～弱透水性，粉砂质泥岩透水率一般小于5 Lu，泥质粉砂岩透水率一般小于10 Lu，风化砂岩岩体裂隙较发育，透水率一般q=6～15 Lu。透水率q小于5 Lu的防渗线深度一般4.4～11.7 m。

图1　泄洪闸平面布置图　　单位：m

3　地基处理设计

3.1建基面选择

针对本工程砂卵砾石覆盖层地基承载力较低、变形和防渗问题突出的特点，可行性研究阶段结合基础防渗、下游消能拟定了4个基础处理方案。

(1) 覆盖层大开挖岩基建闸方案(方案1)：将砂卵砾石覆盖层挖除，闸底板置于弱风化基岩上，采用分离式闸室结构，沿闸轴线总长为223 m，顺水流向与消力戽连成整体，长37 m。消力戽半径为7.5 m，挑角为45°，戽底高程446.50 m，坎后河床采用钢筋混凝土护坦防护。

(2) 灌注桩基础方案(方案2)：结合相关工程经验，参考文献[1]，依据《水闸设计规范》[2]和《建筑桩基技术规范》[3]，桩顶水平位移按不超过0.5 cm控制，经计算布置，C25钢筋混凝土灌注桩桩径1.2 m，间、排距为3.2 m×3.4 m，桩长12～18 m，总计594根，嵌岩深度不小于0.5 m。闸室结构为分离式，沿闸轴线总长为223 m，闸底板厚3 m，顺水流向长27 m。上游设置钢筋混凝土水平铺盖，厚2 m，长15 m，首端连接混凝土防渗墙，墙厚0.6 m，深12～20 m，入岩深度不小于0.5 m；下游采用底流消能，消力池深3 m，长50 m，底板厚2.5 m。

(3) 振冲挤密方案(方案3)：经对振冲挤密、高压旋喷桩和静压灌浆地基处理方式进行了对比分析，由于覆盖层孔隙率大、含砂率小，振冲挤密法较为经济可靠。依据《建筑地基处理技术规范》[4]，振冲挤密法桩径1.0 m，闸底板连同上、下游各5 m以内范围，梅花形布置，桩距3.0 m，平均深17 m，填料采用最大粒径不大于100 mm的砂卵石料。整体式闸室结构，沿闸轴线总长为235 m。闸底板顺水流向长27 m，厚3 m。防渗处理及下游消能防冲措施同方案2。

(4) 换填垫层方案(方案4)：闸室结构布置基本同方案3，仅闸室底板顺水流向长度加长为30 m，以满足地基承载要求。依据《建筑地基处理技术规范》[4]，建基面高程454.00 m以下3 m厚砂卵石层要求挖除后，分层碾压填筑级配良好的砂卵石。防渗处理及下游消能防冲措施同方案2。

从安全可靠性来看，岩基建闸在防渗和减少闸基变形方面最为可靠，结合大开挖形成的深尾水条件，消力戽消能对中小流量时消能效果更好；从施工条件分析，由于采砂后的卵砾石层砂含量<10%，粗大颗粒集中，稳定性差，造孔困难，覆盖层处理施工工艺要求高，难度大；从工程量及投资方面来讲，岩基建闸结合戽流消能方案最省。综合以上技术经济分析，选用方案1，闸室建基面选择在基岩上。

3.2闸室结构调整

软岩坝基修建混凝土闸坝，中国已有不少工程实例，如湖北葛洲坝(坝高53.8 m)，青海的苏只(坝高51.6 m)、直岗拉卡(坝高42.5 m)等水电站，坝高40 m以下的则较为普遍。根据类似工程经验，当软弱岩层分布广、厚度大时，通常调整闸坝结构，以适应软岩基础，使闸坝具有足够的抗滑安全度，基础反力尽可能均匀，减少不均匀变形。根据本工程坝址工程地质条件，考虑通过加大底宽，扩大基岩的接触面，提高抗剪能力，分散基底应力，使上部结构与地基工作条件协调。结合戽流消能方式，闸底板顺水流向与消力戽连成整体，长37 m，与闸坝高度相当，约为上下游水头差的2.5倍，经稳定计算，抗滑稳定安全系数和基底应力均满足要求。

一般情况下，常态混凝土坝的横缝间距可为15～20 m，超过24 m或小于12 m时，应作论证；水闸闸室岩基上的分段长度不宜超过20 m，土基上的分段长度不宜超过35 m。本工程坝轴线方向上岩体质量存在不均性，横缝间距适当增大，有利于减少不均匀变形[6]。随着水利工程建设技术的发展，经采取较严的温控措施后，可适当增加横缝间距，如三峡大坝的左导墙坝段、纵向围堰坝段宽度达32 m；基岩抗剪强度和弹模越低，对坝体的约束力越小，横缝的间距也可适当增大。考虑到本工程闸室底槛高程与疏浚后上游河床高程相同，底板常年位于水下，年度温度变幅小，结合以下温控措施，横缝间距适当增大。

(1) 堰体外形尽量平顺，避免出现尖锐折角，建基面尽量修整平顺。

(2) 堰体内部采用C10混凝土，单位水泥用量约150 kg，粉煤灰掺量约30%；通过改善骨料级配、掺用优质掺和料、选用低水化热水泥、预冷骨料等综合措施，降低混凝土浇筑温度和水化热温度。

(3) 浇筑温度大于0 ℃，日平均气温连续5 d稳定在5 ℃以下时，按低温季节混凝土施工；夏季施工采取仓面喷雾冷却措施，避免在6、7、8三个月内浇筑。

(4) 加强混凝土表面保护和早期养护；提高质量管理水平，严格控制施工质量。

结合稳定及基底应力计算，闸室底板厚度8～20 m，分缝设在底板上，边墩厚2.5 m，中墩厚3 m，共7个闸段，总长223 m。两边闸段各1孔半处分缝，呈倒“F”形，垂直水流向长度26.5 m；中间闸段为1孔加两半孔处设缝，呈倒“Π”形，垂直水流向长度34 m。缝内上游及顶面设1道铜片止水加1道橡胶止水，下游设1道橡胶止水，竖向止水均嵌入基岩50 cm。闸室结构典型剖面见图2。

3.3地基开挖与灌浆

覆盖层开挖后，先将出露岩石顶面凸凹不平部位钻爆修平，然后采用梯段预裂爆破开挖。由于基岩软弱、强度低，受扰动或遇水后容易恶化，建基面岩体采用预留保护层的方法开挖，厚度2.5 m，采用水平孔实施光面爆破。挖除保护层后，清理浮渣和排干积水，铺设1层2～3 cm水泥砂浆封闭保护。

可行性研究阶段为进一步提高基岩的抗压强度和变形模量、增强基岩的均质性、降低基岩的透水性，对基岩全面进行固结灌浆处理。施工阶段揭示基岩较完整，一般呈弱风化状，贯穿性裂隙不发育，在下游护坦区进行12个试验孔压水试验，入岩深度约8 m，透水率大部分小于3.0 Lu，因此，在考虑基底扬压力不折减、闸室稳定和基岩承载满足规范要求的情况下，仅对有岩层错动带、断层破碎带等缺陷的区域进行固结灌浆。为减少渗漏量和防止渗透破坏，在距坝上游面3 m增加设置1排帷幕灌浆，孔深10～15 m，孔距2 m，并要求在有混凝土盖重下进行灌浆施工。

3.4沿闸室基底面的抗滑稳定计算

根据《水闸设计规范》[2]，对闸室进行基本组合和特殊组合下的抗滑稳定及基础应力计算；考虑闸室底板厚度达20 m，按《混凝土重力坝设计规范》[5]，采用以分项系数极限状态设计表达式进行抗滑稳定复核计算。计算闸段选取建基面高程443.50 m与437.00 m的边孔和河床闸段。由于坝基仅设置防渗帷幕，未设置排水孔，因此不考虑坝基扬压力折减。岩体抗剪断摩擦系数f'=0.5，抗剪断粘结力c=0.2 MPa(混凝土与岩体间略高)，按《水闸设计规范》[2]计算结果见表1(以河床闸段为例)，抗滑稳定安全系数和基底应力均满足要求。按《混凝土重力坝设计规范》[5]复核计算，各种工况下作用效应均小于抗力，坝踵垂直未出现拉应力，基底压应力均在允许承载力范围内。

图2　泄洪闸闸室结构典型剖面图　　单位：m

表1　泄洪冲砂闸抗滑稳定及基底应力计算成果表

4　消能防冲设计

4.1消能防冲布置

4.2水力设计及水工模型试验

4.2.1消能防冲计算

水力设计以运行区间为稳定戽流(允许部分处于淹没戽流区)的原则选定戽斗尺寸并计算戽后的冲刷情况，计算采用《水力学计算手册》[7]关于消力戽的计算相关公式。计算示意图见图3。

图3　戽流消能计算示意图

(1) 水流衔接计算

产生临界戽流时，动量方程(戽底与河床不在同一高程)：

式中：ψ为流速系数，ψ=0.9；E为以戽底为基准面的上游断面总水头。

(2) 消力戽下游冲刷坑深度的估算

冲坑深度估算：

(2)

戽末端与冲坑最深点的距离：

(3)

式中：T为下游水位到冲坑底部的高差，m；d50为相应于级配曲线50%的对应粒径，取0.035 m；Z为上下游水位差，m；t为从河床算起的冲坑深度，m。

首先求得临界戽流时的共轭水深h2k，产生稳定戽流的界限水深ht1=σ1×h2k，σ1为第1淹没系数，取值1.05～1.1；从稳定戽流进入淹没戽流的界限水深ht2=σ2×h2k，σ2为第2淹没系数，类比同类工程相关经验，取值1.35～1.85，产生稳定戽流的条件ht1≤ht≤ht2。戽流计算成果(以坎后河床高程439.00 m为例)见表2。

表2　戽流计算成果表

注：括号内为河床按基岩情况。

计算成果表明，流态基本呈临界戽流-稳定戽流-淹没戽流，产生稳定戽流及淹没戽流所对应的下游水位范围较宽，且较稳定；坎后河床高程对淹没度有所影响，由于尾水较深，对流态演变影响较小。

对消力戽下游冲刷坑深度，按照不同下泄流量对河床高程为439.00 m与445.50 m时分别按河床砂砾石、基岩2种条件下进行计算，计算成果表明下游河床为基岩时，冲坑深度为0～6 m，距戽坎大于26 m，满足允许冲坑后坡ik=1/2.5～1/5冲刷影响范围要求；下游河床为砂砾石时，当冲刷至基岩面时，深度不再大于按基岩计算情况。

4.2.2水工模型试验

为验证水力计算成果和水流流态及消能效果等，进行了枢纽整体模型和泄洪闸单体模型试验。主要试验成果结论如下。

(1) 根据文献[8]，枢纽整体水工模型试验，正态模型，模型比尺1∶100，模拟河段范围为闸上游700 m、下游2 000 m。试验表明：底流消能或戽式消能的闸下游水位衔接均较好，水面线较平稳；戽式消能下游局部最大冲深为6.5 m，距闸下130 m；底流消能下游局部最大冲深为2.3 m，距闸下210 m；戽式与底流消能均能满足消能设计要求，不会给工程带来明显的不利。

(2) 根据文献[9]，泄洪闸单体模型试验，正态模型，模型比尺1∶50，3孔泄洪(冲砂)闸及下游100 m范围。试验表明：

1) 敞泄工况下流态稳定、水面波动小；局开工况下闸后河道底部存在漩涡区，漩涡强度随着闸门开度增加而增加，各试验工况最大临底流速为1.1～5.3 m/s，最大平均流速为1.6～6.2 m/s。

2) 在正常水位闸门局开1 m工况下，堰面斜坡直线段上切点处存在2.35 kPa的负压，其余测点均为正压，溢流面流速约8 m/s，出现空蚀破坏的可能性很小。

3) 在校核、设计及正常水位闸门开度小于5 m工况运行，冲坑均未到达基岩；在正常水位局开7 m及9 m工况，基岩冲刷深度为1.0～1.5 m；受闸后回流的影响，覆盖层泥沙出现回淤。

5　结　语

嘉陵江上石盘电航枢纽工程于2013年10月21日开工，2016年2月3日2台机组全部并网发电，2016年6月底完工。经对下闸蓄水后的观测资料分析，泄洪闸闸室变形在设计及规范允许范围内，下游消能防冲情况正常。

[1]邱敏,鹿宁,鲍呈苍,等.桩基在多布水电站厂房深覆盖层地基中的应用[J].西北水电，2014(01)：44-48.

[2]中华人民共和国水利部.水闸设计规范:SL 265-2001[S].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑桩基技术规范:JGJ94 -2008[S].北京: 中国建筑工业出版社，2008.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基处理技术规范:JGJ79 -2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5]国家电力公司华东勘测设计研究院.混凝土重力坝设计规范:DL 5108-1999[S].北京：中国电力出版社，2000.

[6]周建平,钮新强,贾金生.重力坝设计二十年[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[7]李炜.水力计算手册[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2006.

[8]武汉大学.嘉陵江上石盘电航枢纽工程水工泥沙整体模型试验研究报告[R].2011.

[9]四川大学.嘉陵江上石盘电航枢纽工程水工单体模型试验研究报告[R].2013.

Foundation Treatment and Design of Energy Dissipation and Scouring Prevention of Flood Sluice, Shangshipan Project

GONG Xuwei, LIU Yong, HUA Pengfei

(Shanghai Investigation, Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai200434,China)

As the weak geological condition at dam site, high flood discharge, complicated operating and hydro-mechanic conditions of Shangshipan project, the design featuring large overburden excavation, gate built on bedrock and bucket energy dissipator satisfies the natural conditions at gate site and requirements of the project operation as well as both work quantity and investment are reduced. Through hydraulic calculation and model test verification, the bucket flow energy dissipation can operate in the stable hydraulic jump area when both large and small floods are discharged. The larger flood discharged slightly scours the downstream.Key words:overburden of sand, cobble and gravel; soft rock ground; foundation treatment; chamber structure; flow energy dissipation; hydraulic model test bucket gate

1006—2610(2016)04—0038—06

2016-03-11

巩绪威(1969- )，男，江苏省邳州县人，高级工程师，主要从事从事水利水电工程设计工作.

TV223;TV653

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.010