大流量深厚覆蓋層過水圍堰設計

李軍，蔡建國，李其虎

(1.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院,浙江杭州310014；2.二灘水電開發有限責任公司,四川成都610021)

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，是雅礱江干流規劃建設的21座梯級電站中裝機規模最大的水電站。本工程利用雅礱江150 km長的錦屏大河灣，開挖隧洞引水發電，首部設低閘，引水隧洞為4洞8機，單機容量600 MW，電站總裝機容量4 800 MW。

本工程根據閘址地形地質條件，以及水文和樞紐布置特點，閘壩施工采用枯水期斷流圍堰、汛期圍堰過水、右岸單洞導流方案。工程于2008年11月底截流后，至2011年11月初圍堰拆除，要經過2009年、2010年和2011年3個汛期度汛。圍堰堰頂高程按攔擋枯水期12月—5月時段10年一遇洪水流量1 690 m3/s確定，圍堰過流標準按全年20年一遇洪水，Q=8 850m3/s設計。

2 過水圍堰關鍵技術問題及解決措施

2.1 關鍵技術問題

上游土石過水圍堰最大堰高21.0m，圍堰直接修建在覆蓋層上，覆蓋層厚23～43m，堰體及基礎防滲采用厚0.8 m的塑性混凝土防滲墻，最大墻深61.0 m，堰面過流保護采用C20混凝土護面。設計過流堰頂單寬流量47.0m3/s·m，最大單寬流量54.0m3/s·m，設計堰上水頭9.7m，水位差5.4 m，堰坡最大平均流速達12.6m/s。上游圍堰典型剖面見圖1。

下游土石過水圍堰最大堰高19.0m，圍堰直接修建在覆蓋層上，覆蓋層厚20～38m，堰體及基礎防滲采用厚0.8m的塑性混凝土防滲墻，最大墻深54.0m，堰面過流保護采用C20混凝土護面。設計過流堰頂單寬流量65.0m3/s·m，最大單寬流量67.0m3/s·m，設計堰上水頭11.5 m，水位差3.2 m，堰坡最大平均流速達9.7m/s。下游圍堰典型剖面見圖2。

國內外已有不少工程采用過土石過水圍堰，汛期流量比較大的河流上也有采用[1-3]。經與國內的類似工程如天生橋二級、東風、普定、大化、珊溪及國外的卡博拉巴薩等工程設計指標相比（表1），錦屏二級土石過水圍堰無論在過水圍堰高度、規模、覆蓋層深度、過水水力指標均為國內高水平，圍堰需經歷3個汛期過流，過流量大，歷時長，且整個汛期圍堰均處在過流狀態，汛期無法檢查，圍堰過流的防沖保護設計難度大，尤其是下游圍堰堰腳防護設計，施工期水深達11 m左右，防沖保護設施需水下施工，設計難度大[4-6]。

圖1 上游圍堰典型剖面圖

圖2 下游圍堰典型剖面圖

表1 國內外部分土石過水圍堰主要指標表

注：1.表中斜線左數字為設計值，斜線右數字為實測最大值；2.表中數據根據相關資料摘錄。

2.2 解決措施

土石過水圍堰的安全度汛與合理設計是緊密相關的，圍堰體型、防護材料和防護方式是保證圍堰安全度汛的核心問題。針對錦屏二級水電站過水圍堰的特點，結合水力學模型試驗成果，為了使大流量、深覆蓋層上的土石過水圍堰這一型式得以成功應用，對防護面板穩定、防護面板分縫、堰腳防沖等關鍵技術進行了研究，并采取了應對措施[7-9]。

1）混凝土防護面板結構穩定措施。上游圍堰溢流面坡比為1∶3.5，采用厚1.2m的現澆混凝土面板（單塊尺寸為12.5 m×9.0m），為增加面板的穩定性，每塊面板上都設置了Ф25錨筋，與面板夾角為18°，伸入堰體7.0m,為提高錨筋的抗拔效果，錨筋的錨固端均設置50 cm×50 cm×50 cm混凝土預制塊。面板排水孔采用預埋PVC管方式，孔徑10 cm，間排距為2.5m×1.25m。

2）混凝土防護面板分縫結構措施。面板采用普通平板結構型式，具有施工方便優點，其缺點是按常規面板分縫（直縫），堰體發生不勻均沉降時分縫處易產生高低坎情況，過流時不利的水流條件將影響面板的穩定性。為解決該技術問題，本工程面板順水流方向分縫采用了上、下搭接的臺階式分縫結構，并在塊與塊縫面之間設置了的聯系鋼筋。

3）下游圍堰堰腳防護措施。下游土石過水圍堰堰腳座落在覆蓋層上，且需水下施工，堰腳的防沖防護對圍堰的過水安全運行至關重要。根據水工模型試驗及動床試驗成果，堰腳處最大流速在7.5m/s左右，在下游堰腳拋投粒徑0.8～1.2 m大塊石防護下，下游動床范圍內在Q=3 500～8 850m3/s過水工況下均有不同程度的沖刷，最大沖坑深約7 m，可見采用大塊石堰腳防護風險較大。為此，研究比較了采用鋼筋石籠和合金鋼網石兜兩種堰腳防護方案，鋼筋石籠為傳統防護措施，技術較成熟，一般抗沖流速可達6 m/s左右；合金鋼網石兜適應變形、抗沖能力強、防沖效果好、施工相對較方便。最終選擇了合金鋼網石兜防護，該項技術應用于過水圍堰堰腳防沖屬國內首次。合金鋼兜網由專業廠生產，合金鋼絲直徑3mm，平均網眼邊長20 cm，單個合金鋼網兜要求裝石量不小于3m3，充填的塊石料粒徑應大于25 cm，小于60 cm。

4）上游過水圍堰減小水位落差措施。上游圍堰總擋水高度為24.5 m，按此高度過流水位落差高達8.7m，最大流速達16.5m/s左右，防護設計難度很大，為減小過流時的水位落差，在枯水期采用了在過水圍堰頂部加3.5m高草包圍堰結構型式擋水，汛前拆除，使過水圍堰最大水位落差降至5.4 m，最大流速降至12.6 m/s，提高了圍堰過水時的安全性。

3 圍堰過流情況

錦屏二級上、下游土石過圍堰于2008年12月開始修建，至2009年5月全部完工。上、下游圍堰于2009年6月25日開始首次翻堰過流，直到2009年10月14日停止過流，過水歷時長達110 d，過流期間河道來水最大流量為6 960 m3/s（大于5年一遇標準），最大過堰流量達5 200 m3/s；2010年圍堰過流時間長達125 d。根據監測資料，上游圍堰最大沉降為6 mm，下游圍堰最大沉降僅為2 mm，滲壓變化跟隨水位的變化而變化，符合變化規律，水流條件與設計基本吻合。汛后基坑完成抽水后對圍堰及兩岸邊坡進行仔細檢查，圍堰及邊坡完好無損，沒有出現裂縫等異常現象。錦屏二級過水圍堰的成功過流度汛，為我國高過水水力指標的土石過水圍堰設計提供了安全可靠的技術方案及經驗。

[1] 王錦峰，楊鑫平.下坂地水庫大壩上游圍堰設計[J].西北水電，2009（2）：38-40.

[2] 王鳳安，羅林，劉周岐.烏金峽水電站下游圍堰防滲優化設計[J].西北水電，2008(4):30-33.

[3]黃燁.膏漿灌漿在柬埔寨甘再水電站圍堰防滲中的應用[J].西北水電，2010(2):31-34.

[4] 中華人民共和國家發展和改革委員會．DL/T5397—2007水電工程施工組織設計規范[S]．北京：中國電力出版社，2008．

[5] 中華人民共和國水利部．SL303—2004水利水電工程施工組織設計規范[S]．北京：中國水利水電出版社，2004．

[6] 陳澤曦.土石過水圍堰設計中的幾個要點[J].水電站設計，2003，19(1):40-42.

[7] 張黎明.過水土石圍堰和土壩護面防護經驗分析[J].水利水電工程設計，1998(4):47-49.

[8] 楊志雄,陳能平,趙增凱.天生橋一級水電站土石過水圍堰設計[J].水力發電，1997(11):34-37.

[9] 胡志根,胡建明,李燕群.過水土石圍堰下游護坡的溢流設計風險率模型[J].水科學進展,2003,14(5):622-625.