西藏某水电站大坝上游围堰设计

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(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概况

西藏某水电站为二等大(2)型工程，电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身5孔溢流表孔和1孔泄洪冲沙底孔、坝式进水口、压力管道、坝后式发电厂房组成；共安装4台单机容量165MW的混流式水轮发电机组，总装机容量660MW。

碾压混凝土大坝为永久2级建筑物，施工导流工程临时建筑物为4级建筑物。电站大坝施工采用一次断流围堰、隧洞过流、基坑全年施工的导流方式。上游围堰轴线距坝轴线约210m，枯水期江面宽约115m，堰顶高程处河谷宽224.0m。上游围堰左、右岸坡地表基岩裸露，局部覆盖少量崩坡积物，基岩岩性为黑云母花岗闪长岩，呈弱风化状，岩体较完整～完整性差。河床覆盖层厚度4.4m～38.9m不等，靠左岸深、靠右岸浅，总体呈Ⅴ型，主要为冲积漂卵石，漂石含量35%～40%，直径以0.5m～2.0m为主，大者直径可达5m，中细砂充填其间，局部存在架空现象；轴线附近两侧岸边表层分布厚0.8m～1.9m的中细砂。漂卵石层渗透系数为0.02cm/s～0.13cm/s，呈强透水性。

2 围堰结构方案比选

2.1 围堰规模选择

本工程导流程序分为初期导流和中后期导流。初期导流阶段，由围堰挡水，导流隧洞泄流，设计标准为全年20年一遇洪水，流量8840m3/s；中后期导流阶段，由坝体临时度汛断面挡水，导流隧洞结合泄洪冲沙底孔泄流，坝体临时度汛标准为全年50年一遇洪水，流量10300m3/s。施工导流期间，导流隧洞过流量大，在导流工程的规模选择上，需要妥善解决导流隧洞和挡水围堰结构稳定性和施工可行性[1]，通过水工模型试验等综合分析，确定了采用两条导流隧洞，单洞衬砌后断面尺寸为15m×17m(宽×高)，再确定施工导流程序及围堰顶高程。考虑波浪爬高与安全超高后，上游围堰最大堰高60m。

表1施工导流程序

2.2 堰型选择

本工程地处西藏高海拔地区，当地材料丰富，水泥和粉煤灰价格高，土石围堰在经济上有较大优势；坝址区覆盖层深厚，土石围堰具有较好的适应变形能力。本工程选择采用土石围堰。

常用的土石围堰型式有心墙和斜墙两种，心墙围堰堰体填筑量、帷幕灌浆量相对较小，工程投资较省；斜墙围堰堰体上部堆石料填筑和基础防渗墙及帷幕灌浆的施工可以有机脱开，对争取工期较为有利，为此需要分析围堰的施工进度，为围堰型式选择提供依据。

本工程河床截流时间安排在12月底，为满足防洪度汛要求，截流后第2年汛前上游围堰应填筑至堰顶高程，满足拦挡全年20年一遇洪水要求。围堰施工关键线路为：河床截流→加高至防渗墙施工平台高程→混凝土防渗墙施工→墙下帷幕灌浆施工→上部堰体填筑。

河床截流时间安排在12月底，围堰有效的施工时间为5.5个月。经计算，心墙方案施工工期为7个月，其中截流、防渗墙施工平台填筑0.5个月，混凝土防渗墙3.5个月，帷幕灌浆0.5个月，防渗墙施工平台以上堰体填筑2.5个月；斜墙方案施工工期为5.5个月，其中截流、防渗墙施工平台填筑0.5个月，混凝土防渗墙3.5个月，帷幕灌浆0.5个月，防渗墙施工平台以上防渗体施工1.0个月。

为满足截流后第2年汛前上游围堰应填筑至堰顶高程的要求，斜墙方案进度上具有明显优势，因此，本工程选择采用斜墙土石围堰。

2.3 堰体防渗材料选择

常用的土石围堰堰体防渗型式有防渗土料和土工膜两种，由于电站附近土料较缺乏，因此，选择采用复合土工膜作为上游围堰堰体防渗材料。土工膜具有性能可靠、变形能力强、施工方便、造价低廉等优点，而且避免了防渗土料开采对当地土地的侵占和环境破坏，有利于环保，近年被广泛应用于电站工程的土石围堰中(见表2)。防渗土工膜采用复合土工膜(两布一膜)，规格为600g/1.0mmHDPE/600g，其主要性能指标要求见表3。

表2复合土工膜在围堰工程上的部分应用实例

工程名称堰高(m)土工膜最大水头(m)土工膜结构型式土工膜材质,主膜厚度(mm),(抗拉强度(kN/m))白鹤滩上游围堰8343.58斜墙复合土工膜350g/1.0mm/350g白鹤滩下游围堰5318.74心墙复合土工膜350g/1.0mm/350g龙开口上游围堰52.533.49心墙复合土工膜400g/0.8mmPE/400g深溪沟上游围堰4534.0斜墙复合土工膜300g/1.0mm/300g大岗山上游围堰53.538.0斜墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g瀑布沟上游围堰47.538.5斜墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g锦屏一级上游围堰64.544.0斜墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g小湾上游围堰60.633.0心墙复合土工膜350g/0.5mmHDPE/350g糯扎渡上游围堰7432.0斜墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾上游围堰6541.99心墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g苗尾下游围堰28.06.05心墙复合土工膜350g/0.8mmHDPE/350g

表3防渗土工膜主要性能指标

2.4 基础防渗选择

上游围堰河床部位覆盖层厚度4.4m～38.9m不等，左岸深、右岸浅，主要为冲积漂卵石，漂石含量35%～40%，直径以0.5m～2.0m为主，部分可达5m，中细砂充填，局部存在架空现象。堰址处覆盖层粒径成分参考坝址处覆盖层粒径成分，坝址处冲积漂卵石层>1000mm平均含量22.36%，1000mm～200mm平均含量16.88%，200mm～60mm平均含量20.45%，60mm～20mm平均含量14.26%，<20mm平均含量26.05%。根据钻孔抽水试验，漂卵石层渗透系数为0.02cm/s～0.13cm/s，呈强透水性。河床部位相对隔水层(q≤5Lu)垂直深度6m～42m(含覆盖层)，相对隔水层(q≤10Lu)垂直深度0～36m(含覆盖层)。

根据围堰堰基处的地质条件，堰基防渗可采用高喷灌浆和混凝土防渗墙。高喷灌浆具有施工速度快的特点，适用于软弱土层，如第四纪的冲(淤)积层、残积层以及人工填土等；混凝土防渗墙施工速度较慢，但防渗效果较好，国内有比较成熟的施工经验，适用于各种地质条件。围堰堰基处漂石含量高，围堰挡水水头高，为确保防渗效果，采用全封闭混凝土防渗墙，并设置墙下帷幕灌浆，对围堰岸坡亦进行帷幕灌浆处理。

参考类似工程成功经验，及后续围堰应力应变有限元分析成果，确定塑性混凝土防渗墙厚度为1.0m，混凝土设计指标为：①28d抗压强度R28≥5MPa；②弹性模量≤1500MPa；③渗透系数K≤1×10-7cm/s；④28d破坏渗透比降J≥200；⑤要求墙体嵌入基岩不小于0.5m～1.0m。

上游围堰下伏岩体为弱风化花岗闪长岩，岩体较完整～完整性差，考虑到上游围堰为临时建筑物，帷幕灌浆设计标准取为10Lu。帷幕灌浆标准为：深入10Lu线且总深度不小于5m，单排孔，间距2m(陡坡段、倒悬段加密为1.5m)；②幕厚δ≥2.0m；③透水率q≤10Lu；④允许渗流梯度[J]≥20；⑤渗透系数k≤5×10-5cm/s。

3 堰体结构设计

3.1 堰体断面设计

围堰采用土工膜斜心墙土石围堰，由于围堰后期为沟通河床左右岸的主要交通通道，且为有利于超标准洪水围堰的加高，同时参考国内类似高土石围堰设计实例，围堰的堰顶宽度取值为12.0m。围堰边坡坡度根据边坡稳定计算成果，并参考类似工程确定。拟定围堰上游边坡水下为1∶1.5、水上为1∶2.3；下游边坡为1∶1.75，考虑马道，综合坡比为1∶1.937。

围堰防渗墙施工平台以上采用复合土工膜斜墙防渗，土工膜上喷射20cm厚C25混凝土防护，其下铺设0.5m厚垫层料及3.0m厚过渡料。防渗墙施工平台以下采用塑性混凝土防渗墙防渗，防渗墙厚1.0m，最大深度约51.3m。防渗墙下接帷幕灌浆，灌浆深度至10Lu线且总深度不小于5m，并将帷幕灌浆线延伸至两岸。

图1 围堰典型断面示意

3.2 围堰主要填筑料设计

3.2.1 石渣料

级配要求：①石块饱和抗压强度>35MPa，软化系数>0.8；②级配连续，最大粒径800mm(围堰防渗墙区域采用细石渣料，最大粒径300mm)，小于5mm的颗粒含量不超过30%，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%；③水上碾压石渣料部分填筑设计指标要求：孔隙率不大于24.5%，干密度不小于2.05g/cm3，渗透系数不小于1×10-1cm/s。

3.2.2 过渡料

级配要求：①石块饱和抗压强度>35MPa，软化系数>0.8；②级配连续，最大粒径300mm，小于5mm的颗粒含量不超过30%，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%；③填筑设计指标要求：孔隙率不大于24.0%，干密度不小于2.05g/cm3，渗透系数控制在(1～5)×10-2cm/s。过渡料与石渣料之间需满足相应的层间系数要求。

3.2.3 垫层料

级配要求：①级配连续，最大粒径20mm，小于5mm的颗粒含量为30%～50%，小于0.075mm的颗粒含量不超过5%；②设计指标要求：相对密度不小于0.75，干密度不小于1.98g/cm3，渗透系数控制在(5～10)×10-3cm/s。垫层料与过渡料之间需满足相应的层间系数要求。

为保证垫层料在施工过程中不刺破土工膜，应安排生产性试验进行验证，并尽可能利用天然砂砾料作为垫层料。

3.2.4 抛石护坡料

围堰的抛石护坡料应满足抗冲要求，抛石护坡料的折算直径为0.31m，取0.4m～0.6m。

3.3 围堰主要工程量

围堰主要工程量见表4。

表4上游围堰主要工程量

4 围堰计算成果

4.1 渗流计算

采用在岩土工程中应用极为广泛的Geo-Seep/W进行计算。平面渗流计算主要针对正常工况，计算结果见表5，上游围堰的等水头线和浸润线、等水力坡降见图2、图3。通过对上游围堰的渗流分析，围堰堆渣单宽渗流量仅6.26m3/d·m，渗流量不大，围堰防渗措施良好。

4.2 堰坡抗滑稳定计算

根据渗流计算成果，获得渗流计算浸润线位置，由此可获得堰体内各处的孔压，进而对上游围堰进行与渗流耦合的边坡稳定分析。控制抗滑稳定的有施工期(包括竣工时)、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，计算结果见表6。由计算结果分析，围堰边坡安全系数在水库水位骤降期较小，其它工况安全系数较大，水位骤降期为控制工况。

表5正常工况下渗流计算成果

图2 上游围堰等水头线及浸润线

图3 上游围堰等水力坡降

表6上游围堰堰坡抗滑稳定计算成果

4.3 应力应变分析

土石围堰应力应变分析通常采用非线性弹性有限元，按平面应变问题处理。计算模型采用邓肯-张E-μ材料非线性弹性模型，采用中点增量法求解此非线性问题，用波阵法解线性方程组，加荷模拟围堰的施工与蓄水过程。计算工况为：竣工期、蓄水期。

表7堰体应力应变计算成果

由计算结果分析，上游围堰堰体最大沉降60.19cm，向下游最大水平位移24.11cm，最大主应力1.86MPa，满蓄后，堰体大部分区域应力水平均在0.7以下，只是蓄水导致防渗墙上游小范围区域应力水平接近0.95，该区域是主动土压力区，并不影响堰体稳定。

4.4 防渗墙变形与应力

防渗墙位移及应力水平见表8。由计算结果可见，竣工期塑性防渗墙大主应力最大值为3.78MPa，无拉应力出现，最大应力水平0.52，防渗墙未出现破坏单元，竖向沉降值为4.3cm；满蓄期塑性防渗墙大主应力最大值为3.03MPa，无拉应力出现，最大应力水平0.50，防渗墙未出现破坏单元，竖向沉降值为13.7cm。

表8塑性混凝土防渗墙计算成果

5 结语

西藏某水电站上游围堰采用土工膜斜心墙土石围堰，围堰最大堰高60.0m，挡水水头高，为西藏地区已建的最高的土石围堰；堰顶轴线长247.15m，堰体填筑方量约103万m3，围堰轴线长，堰体填筑方量大，填筑料种类多；堰体防渗采用土工膜防渗，基础防渗采用高强度低弹模的塑性混凝土防渗墙，并设墙下帷幕灌浆，防渗体系复杂。河床覆盖层结构复杂，围堰施工控制工序繁多，需在一个枯水期内施工完成[1]。本工程采用了可靠的防渗结构和防渗体系，通过计算分析，设计了合理的围堰结构和断面型式，保证了围堰渗流安全和稳定，保证了基坑安全施工。