复杂地质条件下高挡水水头土石围堰设计

梁 娟， 张 有 山， 王 小 波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

猴子岩水电站拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 848.50 m，最大坝高223.5 m。水库正常蓄水位1 842.00 m，总库容7.06亿m3，电站装机容量1 700 MW，工程为一等大(1)型工程，主要永久水工建筑物级别为1级，次要永久水工建筑物级别为3级。

2 地形地质条件

堰基河床覆盖层厚60 m～75 m，层次结构自下而上分为4层：第①层，含漂(块)卵(碎)砂砾石层(fglQ32)，厚约11 m～27 m，具强～中等透水性，其结构较密实；第②层，粘质粉土(lQ33) ，系河道堰塞静水环境沉积物，厚约15 m～22 m；第③层含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)，厚约15 m～37 m，具较强的承载能力和强透水性，结构稍密实，局部有架空现象；第④层，孤漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ42) ，厚约1 m～15 m，具较强的承载能力和强透水性，结构较松散，局部有架空结构。其中第②层粘质粉土，埋藏深、分布广、厚度变化大(最薄0.67 m，最厚达29.45 m)，承载力低，工程性状差，为可能液化砂土。

3 围堰设计研究

猴子岩工程围堰为3级临时建筑物，围堰设计水位采用全年50年一遇洪水流量下相应水位。上游围堰设计挡水水位1 742.50 m，堰顶高程1 745.00 m。下游围堰设计挡水水位1 707.87 m，堰顶高程1 710.00 m。

3.1 设计难点

(1)坝址区河床覆盖层厚度大，结构复杂，基坑深达70余m。

(2)上游围堰设计挡水水头高达117.50 m。

(3)大坝基础采取了挖除河床覆盖层的基岩建坝方案，粘质粉土层在深基坑边坡出露，对上下游围堰及基坑边坡渗流稳定影响大。

(4)围堰需要在一个枯水期内完建并挡水度汛。

(5)坝前右岸发育磨子沟，沟谷切割较深，2 370 m高程以下沟段在汛期暴雨条件下有发生小规模泥石流的可能。

3.2 堰型选择

土工膜防渗技术经过多年的发展和推广已日甄成熟，在水利水电工程中得到广泛应用。上游围堰土工膜挡水水头约35 m，使用年限2.5年，类似工程成功应用的实例较多。土工膜心墙方案与岸坡防渗连接方便，但堰体土石填筑必须在基础防渗墙完工后才能施工，有效工期短，围堰施工工期较长。土工膜斜墙方案结构稍复杂，与岸坡防渗连接不如心墙方便，但斜墙方案通过采用造墙平台伸出堰体上游坡脚的技术措施，可使堰体填筑与基础防渗墙同时施工，有利于争取工期。结合工程特点，上游围堰采用土工膜斜墙土石围堰，下游围堰采用土工膜心墙土石围堰。

3.3 围堰布置及基础防渗设计

由于坝前右岸分布的磨子沟对上游围堰布置影响较大，在设计过程中进行了围堰紧邻基坑和围堰远离基坑两个方案的分析研究。

3.3.1 围堰紧邻基坑布置

围堰紧邻基坑布置方案中不同的围堰基础防渗深度和不同基坑开挖深度渗流计算成果显示：墙深78 m方案，单宽渗流量总体较小，防渗体系有效地阻隔了库水沿堰基覆盖层和基岩的渗流；墙体最大渗流梯度最大为68.97，从目前的设计施工水平看(参照三峡二期围堰塑性混凝土墙，设计允许水力坡降能达到80.0)，墙体不致发生抗渗破坏；同时，围堰基坑边坡除坝深基坑开挖至基岩顶板建基高程工况下基坑坡脚的第①层土出逸段的最大渗流坡降为0.37较大、存在局部渗透破坏外，其它工况出逸段的渗流梯度均较小，不致发生渗透破坏。墙深65 m和55 m方案，随着大坝基坑开挖深度的增加，单宽渗流量、墙体最大渗流梯度、墙底基岩帷幕灌浆区最大渗流梯度也呈现逐渐增加的变化规律，但是单宽渗流量却较大。尤其是各工况围堰基坑边坡的出逸段最大渗流梯度均较大，出逸段局部渗透破坏将使围堰基坑边坡的安全性难以保证。

围堰紧邻基坑布置方案中，不同的围堰基础防渗深度和不同基坑开挖深度稳定性计算成果分析表明：

(1)若第②层不采取任何工程处理措施，墙深78 m、65 m和55 m在墙底帷幕灌浆和无帷幕灌浆情况，在大坝基坑开挖过程安全系数均不能满足设计控制标准1.3的要求。

(2)若第②层采取高压旋喷处理，墙深78 m在墙底帷幕灌浆和无帷幕灌浆情况下，大坝基坑开挖过程安全系数则均能满足设计控制标准1.3的要求。

(3)虽然墙深65 m和55 m在墙底帷幕灌浆下且对第②层采取高压旋喷处理，基坑开挖过程安全系数总体也能满足设计控制标准1.3的要求。但是正如前面的渗流计算分析表明，由于墙底帷幕灌浆区的渗流梯度较高，存在帷幕击穿的危险，从而导致防渗失效。相应的稳定性将与墙底无帷幕灌浆一致，稳定性不能满足设计控制标准1.3的要求。

3.3.2 围堰远离基坑布置

由于围堰紧邻基坑布置方案需要对第②层采取高压旋喷处理，旋喷桩施工深度近50 m，施工程序复杂，工期长，度汛风险大。因此，提出不处理第②层而将围堰远离基坑布置的方案。在围堰远离基坑布置方案中，进行了围堰堰脚与大坝基坑开挖开口线之间的距离进行了敏感性计算。计算结果表明：当上游围堰堰脚距离大坝基坑开挖开口线50 m下游围堰堰脚距离大坝基坑开挖开口线20 m时，稳定性分析安全系数能满足设计控制标准1.3的要求。

围堰紧邻基坑布置方案不需对磨子沟沟水进行工程处理，但围堰基础需采用旋喷桩加固处理，旋喷桩施工深度近50 m。围堰远离基坑布置方案，大坝施工期间需对磨子沟沟水及泥石流进行工程处理，但围堰基础不需要进行加固处理。经过技术经济比较，选择采用围堰远离基坑布置方案。

3.4 围堰断面设计

3.4.1 上游围堰

上游围堰为基础全封闭混凝土防渗墙上接土工膜斜墙的土石围堰，堰顶高程1 745 m，堰顶长215 m，堰顶宽12 m，最大堰高约55 m(河床以上填筑高度)，最大底宽约250 m。堰体1 709 m高程以上采用复合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)斜墙防渗，最大防渗高度36 m，复合土工膜表面采用10 cm厚喷混凝土进行保护。高程1 709 m以下堰体及堰基覆盖层采用全封闭塑性混凝土防渗墙防渗，墙底嵌入基岩1.0 m，最大墙深约80 m，墙厚1.0 m。两岸及河床基岩表浅部透水性较强，采用帷幕灌浆进行防渗处理。

3.4.2 下游围堰

下游围堰为基础全封闭混凝土防渗墙上接土工膜心墙的土石围堰，堰顶高程1 710 m，堰顶长154.67 m，堰顶宽10 m，最大堰高约25 m(河床以上填筑高度)，最大底宽约155 m。堰体1 700 m高程以上采用复合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)心墙防渗，最大防渗高度10 m。高程1 700 m以下堰体及堰基覆盖层采用全封闭塑性混凝土防渗墙防渗，墙底嵌入基岩1.0 m，最大墙深约80 m，墙厚1.0 m。两岸及河床基岩表浅部透水性较强，采用帷幕灌浆进行防渗处理。

4 结 语

上下游围堰河床覆盖层深厚，层次结构复杂，大坝基坑深达70余m，上游围堰设计挡水水头高达117.50 m，基础混凝土防渗墙深达80 m，在国内外同类项目中极为罕见。设计过程中通过对围堰基础不同防渗深度下围堰渗流稳定分析及围堰建成后大坝基坑开挖过程中不同阶段围堰渗流稳定分析，选择安全合理的堰型及堰基防渗型式，为工程顺利完工创造了有利条件；在猴子岩水电站工程建设中，2011年汛前填筑分流围堰，设计将上下游围堰与上下游分流围堰结合布置，为汛后及早进行上、下游围堰超深防渗墙施工创造了有利条件。