浅析黏土心墙土石过水围堰在南立1河床式水电站度汛中的应用

黄 兴， 马 东 阳， 黄 开 江， 刘 慧 芳

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

南立1(NAM LIK1)水电站位于老挝万象省北部PhonHong区，所在区域旱雨两季分明，流量相差较大，原EPC承包商——韩国POSCO公司施工导流选取了枯水期(11月～翌年5月)围堰挡水进行基坑厂房、泄洪闸施工，汛期基坑停止施工，导流洞及基坑联合过流的枯水期导流方案，但其上游围堰在2016年雨季被冲毁，导致后续施工无法顺利进行。

中国水电十局接手该工程并于2016年10月中途进场，根据现场实际情况决定上游围堰基本沿用原POSCO公司的设计标准和布置，导流标准仍采用枯水期2 a一遇洪水标准。但因河床厂房施工为该工程施工进度的关键控制线路，泄洪闸施工为该工程施工进度次关键线路，因此而调整了施工导流方案，即利用2016年至2017年枯水期抢工期，按照汛期5 a一遇洪水标准完成度汛目标，采用导流洞加河床基坑泄洪闸坝段过流、同时将厂房边墙、上下游挡水面混凝土浇筑到洪水位以上、完成机组进水口、尾水出口闸门安装，使厂房具备汛期挡水条件，以便汛期进行厂房内部结构混凝土施工。另外，对上游过水围堰断面结构进行了优化设计，因围堰基础防渗钢板桩在2016年雨季中除上部2 m左右被冲刷变形外，下部至基岩部分基本完好，故以修复的变形钢板桩为中心填筑粘土防渗体，上下游为碎石填筑，过流面为钢筋混凝土面板防护，面板左右两岸设1.5m高贴坡混凝土，过流面顶高程为184.7 m，可冲溃的黏土子堰堰顶高程为187.7 m，下游坡脚至溢流坝之间全部采用钢筋石笼消能防冲。

1.1 围堰过水方案的前提条件

结合南立1水电工程施工工期目标要求，上游过水围堰需在2017年雨季中安全度汛，并保证过流期间其不被损坏，若围堰发生失稳被冲毁，雨季后需重新恢复上游围堰，将会对后期工程施工进度造成影响、延误施工工期，而且会造成重大损失。因此，采用何种防护措施保证上游围堰在雨季洪水过流期间不被损毁即成为进场后上游围堰方案设计时的重中之重。

1.2 上游过水围堰方案设计中易发生的问题及建议

通过总结韩国POSCO公司施工的上游围堰在2016年雨季期间被冲毁的失败教训，对上游围堰在2016年雨季期间被冲毁的原因及过水方案进行分析后发现了以下情况：

(1)原设计的上游围堰采用土石过水围堰形式，其基础采用钢板桩防渗，围堰顶部、背水坡采用混凝土面板防护，土石过水围堰顶部高程为186 m，堰前上游护脚顶高程为177.6 m，堰后下游底板高程为172 m，其高差大，汛期时的水推力及过流时的水拖拽力较大，且下游未采取钢筋石笼护脚，最终导致围堰失稳并在2016年雨季时被冲毁。

(2)河床基坑下游围堰为土石混合结构围堰，围堰迎水坡采用块石护坡，但未采用过水围堰设计，并且其基础未进行处理。

(3)上游围堰过流面顶高程为187.5 m时初步估算来流Q20%=2 670 m3/s，上游围堰堰前水位高程为194.72 m时，导流洞过流流量为757 m3/s，基坑过流流量为1 913 m3/s，过水流量大。

(4)上、下游围堰顶高程高差达14 m。高差太大、基坑过流时水流流态复杂，易导致围堰损毁。

(5)上、下游围堰下游侧未设置消能平台，导致围堰下游坡脚被淘刷，进而导致围堰损毁。

因此，在该上游围堰的设计方案中，应考虑汛期来水时上游围堰的迎水面不但要抗冲刷、防渗等，其背水面及围堰到基坑范围的覆盖层也要抗冲刷以及对水流进行消能的相关问题。笔者针对原上游围堰的设计方案提出了以下建议：

(1)降低上游围堰汛期过流面高程，将围堰堰前上游护脚填筑高程加高至180 m，并在上、下游围堰下游侧增加10 m宽的消能平台，并且尽量降低消能平台高程，使其低于下游围堰堰顶高程，从而能在该平台上产生充分的水跃进行消能，同时应防止平台高程过低而导致主流冲刷堰脚。

(2)在上游围堰汛期过流面之上布置土石子堰，子堰顶高程按拦挡枯水期2 a一遇来流确定，汛期子堰可被冲毁。

(3)下游坡脚以外河床范围内的护坡采用钢筋笼防护。

1.3 围堰的具体参数

上游过水围堰基础防渗钢板桩在2016年雨季除上部2 m左右被冲刷变形外，下部至基岩部分基本完好，因此，以修复后的变形钢板桩为中心填筑黏土防渗体，上下游采用碎石填筑，过流面采用钢筋混凝土面板防护，迎水面坡度为1∶1.5，混凝土面板厚度为0.3 m，背水面坡度为1∶1.8，混凝土面板厚度为0.5 m，面板左右两岸设1.5 m高贴坡混凝土，过流面顶高程为184.7 m，可冲溃的黏土子堰堰顶高程为187.7 m，黏土外围用沙袋防护。上游坡脚处向上游延伸约16 m为岩石回填，下游坡脚至溢流坝之间全部采用钢筋石笼消能防冲。上游过水围堰体型见图1。

图1 上游过水围堰体型图

2 基坑覆盖层的保护

因上游围堰堰后河床范围内的覆盖层厚度较大，在大坝及厂房基坑开挖后，会在上游围堰堰脚至基坑之间形成很大的覆盖层范围，若在围堰过水期对覆盖层未进行充分保护，将导致覆盖层被冲刷、围堰失稳。从以往的工程实践看，围堰过水时钢筋石笼护面的破坏分整体性失稳破坏及局部性失稳破坏两种方式。

结合以往相关工程实践并参考其他工程中的模型试验数据，上游围堰如采用加设自溃子堤以降低过流期上下游围堰水头差的方法，在基坑不充水时覆盖层防护钢筋石笼难以保持稳定，将随覆盖层整体滑动而造成上游围堰失稳；且因采用的是钢筋石笼护坡，其透水性良好，当子堰溃堰流量达到设计溃堰流量时，在水流拖拽力及渗透压力的作用下，基坑上游覆盖层钢筋石笼防护失效，将发生整体性失稳破坏，钢筋石笼将从坡脚处发生滑动，最终导致整个护面钢筋笼滑向基坑，导致上游围堰发生破坏，因此，为保证上游围堰在过流时不被损坏，基坑内需进行预先充水。

2017年的汛期实践证明：在基坑内预先充水的情况下，过堰水流流速小于7 m/s时，覆盖层钢筋石笼防护不会发生整体性失稳破坏，只有部分结构松散的钢筋石笼在大流速作用下会发生变形，水流冲刷钢筋石笼下部覆盖层后引起局部范围内的钢筋石笼冲向下游。因此，为了减少覆盖层上有大流速发生，基坑内的充水高程应尽量提高(应超过钢筋石笼表面1 m以上)，使预先充的水在覆盖层上形成水垫层，防止过堰水流对钢筋石笼的破坏。

3 所采用的水位高程变化监控措施

因在围堰发生过流之前其下游基坑内的主体结构保持着继续施工状态，为保证洪水来临时下游基坑内的人员、机械设备等生命财产具备一定的撤离时间，特制定了以下措施对上游围堰水位高程变化进行监控。

首先，汛期实行24 h值班制度，对南立河上游水文观测站及上游围堰堰前水位进行24 h监测，根据所监测的水位关系，建立南立1工程项目水位观测数据库，对来水流量及导流洞过流能力进行分析，及时发布相关水位信息，及时了解水位动态，为工程安全提供预警信息。

其次，为了保证汛期来水突然增大、子堰溃堰、威胁基坑工作人员生命及设备安全，在上游围堰迎水面处设置了一个自动报警监控系统，用以实时监测上游水位情况。该监控系统设置的报警高程为183.7 m，当上游水位达到此高程(即距离上游围堰顶部还剩1 m时)，发出撤离预警信号，基坑人员及设备做好随时撤离的准备；因可冲溃的黏土子堰堰顶高程为187.7 m，所以，当水位上升至184.7 m高程后、水流开始冲刷子堰时，人员及设备需在10 min内迅速撤离，同时，下游基坑内开始进行预充水，为围堰安全过流提前做好准备，当汛期结束、洪水退去、下游水位降低至高程175 m以下时，立即组织人员安排水泵抽排基坑内的积水，根据水泵排水能力及基坑积水情况合理布置水泵，尽快完成基坑排水工作，使基坑在汛后可以快速进入正常的施工状态。

4 过水围堰的效果检验

2017年7月19日，南立河来水量增大，上游围堰184.7 m高程平台上方加筑的子堤受河水冲刷、下游基坑在上游围堰子堰冲毁前已完成预充水形成水垫层，水垫层高程为175 m且与下游围堰堰顶高程一致，最终子堤左岸被冲垮了一个缺口，河水从围堰左侧冲到下游基坑，覆盖层上的钢筋石笼局部失稳破坏，但围堰下游右侧的钢筋石笼完好。此次实践显示，水垫层的设置使来水大幅消能，减少了覆盖层上方的水流流速，对可能发生的不良流态进行了改善。同时，溢流坝留出了一个宽度为16 m的过水通道，通过导流洞与过水围堰同时过水，减少了汛期过水压力，保证了度汛安全，没有影响工程进度。

5 上游过水围堰在南立1项目中的应用情况及取得的效果

南立1水电站坝址位于河床束窄处，两岸山坡陡峭。由于地形的限制，雨季来水量增大时导流洞无法完全将洪水排到下游。采用过水围堰与导流隧洞结合的导流方式，不但使工程在2017年安全度汛，还未对工程进度产生影响。

经过2017年雨季洪峰的考验，上游围堰除上部加高部分子堰被冲毁外，下部主体部分完好无损，为汛期后基坑恢复施工创造了有利的条件，且上游围堰也无需再重新填筑，节约了2017年雨季后围堰恢复的费用，而且工期得到了提前，使该工程总工期比合同工期提前了5个月。

6 结 语

近年来，随着极端气候的频繁发生和山区河谷中水电站的兴建，过水围堰与导流隧洞结合的导流方式由于其安全、经济、适应性强等特性，被国内外大量水电工程所采用，特别是在水利水电枢纽建筑物施工过程中，在导流洞过水断面已确定、汛期导流洞过水不能完全导流的前提下，采用过水围堰度汛是一种非常有效的导流方式。笔者通过研究南立1工程上游土石过水围堰的安全度汛应用，为河道流量季节性变化悬殊的地域采用类似过水围堰提供了参考。