先鋒水利樞紐大壩基礎(chǔ)局部淘空成因及應(yīng)急處理

何善國

(廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 工程概況

先鋒水利樞紐工程始建于1966年,原工程名稱為左江先鋒水輪泵站。

該樞紐位于廣西崇左市江州區(qū)太平鎮(zhèn)境內(nèi)、左江上游牛仔灘河段,距上一梯級(jí)左江水利樞紐4.6km,離崇左市區(qū) 16km。壩址以上集雨面積26282km2,多年平均流量566m3/s。水庫正常水位92.3m,正常庫容492萬m3,總庫容3931萬m3,泵站設(shè)計(jì)灌溉面積7萬畝,1971年建成并發(fā)揮灌溉效益,1975年最大灌溉面積1.9363萬畝,后來隨沿江提水電灌站工程的建成,該水輪泵站灌溉面積隨之減小,現(xiàn)在實(shí)灌面積僅0.45萬畝。

1977年及1990年改建時(shí)在左岸拆去部分水輪泵改建成左岸牛仔灘水電廠,安裝8×200kW水輪發(fā)電機(jī)組;2002年工程改建時(shí)拆去右岸一部分水輪泵改建成先鋒水電廠,安裝2×8800kW水輪發(fā)電機(jī)組,樞紐建筑物按30年一遇洪水設(shè)計(jì),200年一遇洪水校核。

2 工程地形地質(zhì)條件及原建時(shí)壩基處理情況

壩區(qū)右河床地面高程86.2m～89m,中部河床及左河床地面高程82.3m～86m,因河流轉(zhuǎn)彎,主河道自右折向左,左岸電廠尾水附近為一深潭,深潭最深位置高程達(dá)78m。大壩右岸船閘段基巖為霏細(xì)斑巖,其余壩段基巖為凝熔灰?guī)r,基巖覆蓋層為砂卵石,最大厚度5.7m。壩基基巖較完整,承載力較高,抗沖性能好,滿足低壩建設(shè)要求,但砂卵石層耐沖能力較差。

工程原建時(shí)大壩分為左岸水輪泵站、河中溢流壩、右岸水輪泵站、右岸船閘等壩段,除了船閘壩段外,其余壩段壩頂高程與庫正常水位92.3m齊平,大壩全長268m,橫斷面壩底寬度15.6m,最大壩高約11.6m。工程原建時(shí)右岸船閘壩段基礎(chǔ)已置于霏細(xì)斑巖弱風(fēng)化層上,中部壩段置于凝熔灰?guī)r弱風(fēng)化層上,左岸壩段局部壩段因基巖埋深較大、砂卵石層較厚且透水性較強(qiáng)造成下挖施工困難,故該壩段未清挖到基巖而置于砂卵石層上,也沒有對(duì)砂卵石層進(jìn)行防滲帷幕或固結(jié)灌漿處理。

2002年改建進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)該壩段下游壩腳被水流淘空,但未發(fā)現(xiàn)壩體面部有沉降及開裂現(xiàn)象。歷次改建時(shí),除了在改建部位拆去一部分水輪泵壩段建成電廠廠房和大壩面層用混凝土加固外,均未對(duì)原大壩進(jìn)行過基礎(chǔ)加固處理。

3 大壩局部壩段基礎(chǔ)淘空情況及成因分析

3.1 局部壩段基礎(chǔ)淘空情況

先鋒水利樞紐工程2002年改建后,其樞紐建筑物除了原有溢流壩段、水輪泵壩段、左岸電站廠房、右岸船閘外,增加了右岸電站廠房及其廠房前引水建筑物。

樞紐工程布置為低水頭河床徑流式,原設(shè)計(jì)溢流壩壩型為橡膠壩,其底座為混凝土,壩后不設(shè)消能設(shè)施,于1969年試用,當(dāng)年汛期橡膠壩被洪水沖壞后壩型改為自由溢流的折線型溢流壩,底座上部的橡膠壩體改為漿砌石結(jié)構(gòu),但修改后的溢流壩下游壩面不設(shè)挑流坎、壩后也無消能設(shè)施;水輪泵站壩段壩頂高程與庫正常水位92.3m齊平,實(shí)際上也是自由溢流壩段,壩后也不設(shè)消能設(shè)施。

1993年以前,樞紐工程未進(jìn)行過整體水工模型試驗(yàn)研究,壩后水流流態(tài)及沖刷情況不明。

水輪泵站工程于1971年建成,運(yùn)用后的13年里未曾進(jìn)行過大壩水下檢查,直到1984年和1987年分別進(jìn)行水下檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)左河槽壩段壩后基腳有沖淘坑,雖提出了處理方案但未實(shí)施。

2007年汛期期末進(jìn)行水下檢查,發(fā)現(xiàn)左岸壩段基礎(chǔ)局段被淘空,但未對(duì)淘空部位及淘空范圍進(jìn)行具體測量;2008年5月10日專業(yè)潛水員對(duì)大壩及其基礎(chǔ)進(jìn)行水下全面勘測,經(jīng)測量知壩基局段被淘空位置在攔河壩左岸水輪泵站3號(hào)機(jī)座以右,沿壩軸線淘空長27.4m,橫向由下游往上游方向最大淘空水平距離13.5m,最大淘深4.2m,經(jīng)釬探得知最深淘空底部離基巖面約1.42m,但該壩段并沒有失穩(wěn),壩體表面也無沉降及開裂現(xiàn)象。

3.2 成因分析

主管部門得知大壩險(xiǎn)情后及時(shí)組織有關(guān)單位工程管理及技術(shù)人員到現(xiàn)場召開會(huì)議,對(duì)大壩進(jìn)行調(diào)查,查閱相關(guān)資料,并就大壩淘空情況及應(yīng)急加固處理措施進(jìn)行分析討論。本作者認(rèn)為左河槽壩段壩基局部被淘空有如下主要原因。

(1)原建時(shí)勘察設(shè)計(jì)深度不足,局部壩段壩基處理不當(dāng)

調(diào)查時(shí)知,先鋒水利樞紐工程是在文化大革命期間建設(shè)的,原建時(shí)屬 “三邊”工程,當(dāng)年工程設(shè)計(jì)時(shí)可能只做地表踏勘而沒有進(jìn)行具體地質(zhì)鉆探工作,檢查工程檔案文件時(shí)找不到大壩施工地質(zhì)編錄資料,說明原工程勘察設(shè)計(jì)深度不足和當(dāng)時(shí)施工技術(shù)管理缺位。

當(dāng)年工程施工時(shí),沒有專業(yè)施工隊(duì)伍參加施工,是發(fā)動(dòng)和組織群眾施工的,因施工技術(shù)條件的限制,左岸壩段部分壩基巖埋深較大、砂卵石層較厚且透水性較強(qiáng)造成下挖施工困難,基礎(chǔ)沒有清基至凝熔灰?guī)r基巖,壩體混凝土底板置于砂卵石層上,壩體完工后沒有對(duì)該段壩基砂卵石層進(jìn)行固結(jié)灌漿和防滲帷幕灌漿處理。

正是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)與施工對(duì)該壩段地基處理不當(dāng),如今才造成了壩基局部淘空險(xiǎn)情。

(2)原建壩后無消能工程,水力設(shè)計(jì)存在缺陷

溢流壩壩型原設(shè)計(jì)為橡膠壩,壩后無消能工程,橡膠壩袋被洪水沖壞后改變壩型時(shí),其溢流壩面為折線型壩面,溢流壩下游壩面沒有增設(shè)曲面挑流坎或壩后消力池。水輪泵站壩段壩頂高程與溢流壩相同,實(shí)際上也是自由溢流壩段,壩后也不設(shè)消能工程。

本工程為低水頭河床徑流式,左江年來水量較大,建成運(yùn)用以來攔河壩經(jīng)常過洪泄流,因自由溢流且過壩流量及水深不同,壩后各種水流流態(tài)都有可能發(fā)生,由于壩后不設(shè)消能工程,當(dāng)過壩水深和下游水深較小時(shí),過壩水流水舌會(huì)直接沖淘壩腳,或當(dāng)下游水位較高時(shí)水舌可能潛入底部產(chǎn)生底部強(qiáng)烈回流而淘刷壩腳。因左岸壩段壩基置于砂卵石層上,壩踵又無防沖護(hù)壩趾墻,加上原溢流壩水力設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重缺陷,經(jīng)長期的水力沖淘作用,致使下游壩腳及基礎(chǔ)逐漸被沖刷淘空。

1993年該工程擬進(jìn)行擴(kuò)建并完成工程初步設(shè)計(jì),同年6月廣西大學(xué)土木系受委托作了工程整體水工模型試驗(yàn)研究[1],分別做了原工程方案和擴(kuò)建方案的試驗(yàn)。原工程方案的試驗(yàn)研究成果表明,左岸牛仔灘水電廠與左岸水輪泵壩段交接處,壩后水流紊動(dòng)較為激烈,在該壩段下游附近早已形成的一大沖坑可能與這種激烈水流紊動(dòng)有關(guān)。改擴(kuò)建工程方案的試驗(yàn)研究成果表明,當(dāng)下泄流量為3000m3/s時(shí),壩后50m以內(nèi)的河中部左側(cè)區(qū)出現(xiàn)流向大壩偏左岸方向的回流流態(tài),下泄流量為7760m3/s時(shí),壩后25m內(nèi)被淘空壩段范圍內(nèi)出現(xiàn)流向大壩偏左岸方向的回流流態(tài),說明左岸壩段局部壩基被沖刷淘空的成因與這類回流有關(guān)。

(3)對(duì)早期發(fā)現(xiàn)大壩淘空險(xiǎn)情重視不夠,未及時(shí)加固處理

早在1984年和1987年水下檢查時(shí)已發(fā)現(xiàn)左岸壩段壩后基腳被淘空,未實(shí)施壩腳基加固保護(hù)處理,2007年汛末水下檢查發(fā)現(xiàn)左岸壩段基礎(chǔ)局段被淘空,但延遲到2008年5月才研究應(yīng)急加固處理措施,說明運(yùn)行單位對(duì)早期發(fā)現(xiàn)大壩淘空險(xiǎn)情重視不夠,對(duì)其可能造成的危害認(rèn)識(shí)不足,因而未及時(shí)采取加固處理以控制或防止壩基淘空范圍擴(kuò)大,若在較早些時(shí)候及時(shí)處理,則工程處理經(jīng)濟(jì)代價(jià)就小得多。

4 應(yīng)急處理措施

由前述知,大壩壩后基腳及壩基局段被淘空已存在多年,不垮壩的主要原因,一方面是大壩底部設(shè)有2m～3m厚混凝土底板,上部為漿砌石結(jié)構(gòu),壩體為一剛性整體,抗剪抗壓強(qiáng)度均較大,壩體高度及自重較小,其自重產(chǎn)生的斷面底部拉應(yīng)力小壩體材料允許拉應(yīng)力;另一方面是壩下地基局部雖然被淘空,但壩體下部結(jié)構(gòu) (混凝土底板)把上部荷載往兩邊傳遞,加上水浮力的作用減輕壩體重量,使大壩暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩壩基水平寬度不足16m,壩基厚僅剩下2.1m,大壩地基處于被擊穿的極度危險(xiǎn)狀態(tài),若不采取加固工程措施,上游水位抬高或過壩泄流形成較大振動(dòng)時(shí),均極可能造成壩體斷裂而垮壩。而一旦垮壩,將對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)政治及經(jīng)濟(jì)造成極為不良的影響,因此該工程的險(xiǎn)情引起了當(dāng)?shù)卣晚?xiàng)目業(yè)主的高度重視,防汛部門及時(shí)開展了應(yīng)急搶險(xiǎn)的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,設(shè)計(jì)部門負(fù)責(zé)研究及提出應(yīng)急加固設(shè)計(jì)方案。

4.1 非工程措施

在應(yīng)急加固處理前采取了以下應(yīng)急非工程措施:

①盡可能降低壩前水位運(yùn)行,要求降到90.0m高程,減小大壩上游水壓力;②加強(qiáng)監(jiān)測和巡查,觀測大壩是否有裂縫或變位,水面是否有異常如冒泡、渾濁等;③每天零報(bào)告,運(yùn)行管理部門每天向防汛部門報(bào)告險(xiǎn)情,無論有無險(xiǎn)情均要報(bào)告,直到險(xiǎn)情解除為止;④工程所在地的水利部門配合業(yè)主,編制垮壩應(yīng)急預(yù)案,并向上、下游可能受到影響的單位及群眾宣傳,做好應(yīng)急疏散準(zhǔn)備,并加強(qiáng)與氣象部門和上游梯級(jí)電站的溝通,了解氣象情況和控制上游電站閘壩下泄流量;⑤業(yè)主要?jiǎng)澇龃髩挝ｋU(xiǎn)警示范圍,樹立警示標(biāo)志,并輪班值班巡查,禁止船只、人員等靠近危險(xiǎn)區(qū)。

4.2 工程措施

(1)應(yīng)急加固設(shè)計(jì)方案

鑒于大壩壩體無裂縫,只是基礎(chǔ)局部被淘空,因而只對(duì)基礎(chǔ)淘空部位進(jìn)行回填加固處理。清挖基坑時(shí),靠近下游壩腳位置要清挖至基巖面,基礎(chǔ)設(shè)觸巖齒墻,齒墻底寬6m,用混凝土回填填滿被淘空壩基部位,在回填的混凝土體頂部預(yù)埋灌漿導(dǎo)管,待混凝土凝固后,通過灌漿導(dǎo)管用高標(biāo)號(hào)水泥漿灌注充填回填混凝土與舊壩體之間縫隙。若采用水下施工方案,則回填材料用C30水下混凝土,若用圍堰施工方案則用常規(guī)混凝土。

(2)應(yīng)急施工方案

根據(jù)該工程的現(xiàn)狀及現(xiàn)場施工條件,有兩種施工方案供選擇,一是水下施工方案,二是圍堰施工方案。

圍堰施工方案的優(yōu)點(diǎn)是回填混凝土為常規(guī)施工技術(shù),施工質(zhì)量易控制,基礎(chǔ)觸巖齒墻易清挖至基巖。缺點(diǎn)是當(dāng)時(shí)已經(jīng)進(jìn)入洪水期,圍堰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高,工程量大,加上圍堰取土場地及臨時(shí)施工道路場地征用,臨時(shí)工程投資大,基坑抽水前,為防因無水浮托力的作用而使基礎(chǔ)淘空壩段斷裂潰壩,需在中部設(shè)兩個(gè)支墩 (結(jié)構(gòu)材料可用鋼結(jié)構(gòu)),而支墩清基也需在水下進(jìn)行,這個(gè)方案所需要的施工時(shí)間過長,失去了應(yīng)急搶險(xiǎn)的意義和寶貴時(shí)間,因此按常規(guī)圍堰的施工方法不可行。

水下施工方案的優(yōu)點(diǎn)是不用圍堰,節(jié)省時(shí)間,工程投資較少;缺點(diǎn)是水下施工技術(shù)有一定難度,尤其是水下清挖和混凝土施工質(zhì)量要求較高,也難掌控。綜合分析本工程的實(shí)際情況,采用水下砼施工方案是可行的。

為了避免水下施工可能對(duì)舊壩體造成破壞,建議采用分段施工,即先施工淘空部位的中間段,待中間段混凝土回填施工至舊壩體形成支撐后再進(jìn)行其余兩段的施工。為了加快水下混凝土的凝固,拌和混凝土?xí)r可添加速凝劑等外加劑。

5 結(jié)語

溢流壩壩后壩腳地基或壩基局部淘空是攔河大壩常見的險(xiǎn)情現(xiàn)象之一,其成因是多方面的,如壩基軟基和斷層擠壓破碎帶處理不當(dāng),大壩基礎(chǔ)下游側(cè)不設(shè)護(hù)壩腳入巖齒墻,壩后不設(shè)消能工或消能工形式選用不當(dāng)及設(shè)計(jì)缺陷。我國20世紀(jì)60至70年代建成的攔河壩工程不少,至今已運(yùn)行了數(shù)十年,為了消除大壩安全隱患,建議地方主管對(duì)本地管理的已建成運(yùn)行多年而未進(jìn)行安全檢查的一些攔河壩工程安排大壩水下檢查和設(shè)計(jì)復(fù)核。

先鋒水利樞紐工程壩基局部淘空應(yīng)急加固處理后運(yùn)行正常,其工程應(yīng)急處理經(jīng)驗(yàn)值得類似攔河壩工程借鑒。

1 廣西大學(xué).《崇左縣先鋒水利樞紐擴(kuò)建工程整體水工模型試驗(yàn)報(bào)告》[R].南寧:廣西大學(xué),1993年6月.