金龍灘閘室底板減薄后閘室安全性評價

陳詩錦

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

1 工程簡況

金龍灘水電站位于湖北省恩施州來鳳縣境內沅水下游左岸支流之酉水干流上，上游距來鳳縣城約45 km。水庫校核洪水位358.50 m，正常蓄水位344.50 m，為日調節水庫，總庫容3230萬m3。樞紐工程由右岸非溢流壩、溢流閘壩 （攔河閘）、電站進水口、河床式廠房、電站副廠房以及防洪墻等建筑物組成。大壩全長162.4 m，壩頂高程359.50 m，溢流閘壩最大壩高27.1 m，河床式廠房段最大高度41.20 m。電站共裝機3臺，總裝機容量27 MW。

溢流閘壩段 （攔河閘）緊挨非溢流壩段布置，承擔著泄洪、施工期導流和排沙任務，壩頂高程359.50 m，總長72 m，共設5孔開敞式泄洪孔,每孔凈寬12 m，堰頂高程334.50 m，校核洪水位時最大泄量9800 m3/s。泄洪閘順水流方向由上游鋪蓋、控制段和消能防沖段 （消力池）組成。上游鋪蓋長15 m，控制段總長23 m，后緊接消力池，采用底流消能，消力池末端設消力坎，坎高1 m。溢流壩控制段底部建基面基巖高程331.50 m，根據地質條件、結構特點和閘室前緣長度，5孔泄洪閘分為3個壩段，即左右兩閘室一聯，中間3號閘室為一獨立壩段，呈倒 “∏”形置于灰巖地基上。底板設計厚度2 m，混凝土設計強度等級為C20；閘墩厚2 m，混凝土設計強度等級為C25。結構分縫在2號和4號閘孔底板中心處，縫寬20 mm，縫間設銅片和橡膠兩道止水。

壩基與壩肩持力層均為奧陶系下統南津關組（01n），巖性為中厚層-薄層泥粉晶灰巖與灰質白云巖，巖性較堅硬，飽和抗壓強度50 MPa，屬中硬巖。建基面巖體弱～微風化，巖體較完整，巖層產狀 30°/SE∠3°～10°。 壩基地質構造簡單， 建基面無連續軟弱夾層分布，巖層產狀展布穩定，未發現貫通壩基和兩岸壩肩上、下游的大斷層。壩基圍巖總體屬Ⅲ類，按規范滿足大壩建基要求。

工程區地震基本烈度小于Ⅵ度，工程設防烈度Ⅵ度。

2 閘基施工

（1）地基開挖。閘基巖體巖性單一，巖體為中-薄層結構，局部薄層厚2～5 mm，產狀近水平，垂直裂隙發育，巖體風化程度低，屬微風化-新鮮巖體，巖石堅硬，巖溶較發育，見個別溶洞及溶隙。河床部分基本無覆蓋層，開挖中已對建基面斷層鈣泥質物進行了沖洗，并用C15混凝土充填。

（2）固結灌漿。對整個閘壩基礎進行固結灌漿，孔、排距均為3 m，深5 m，呈梅花形布置，共鉆灌漿孔122孔，灌漿長度635 m。

（3）帷幕灌漿。壩址區大量鉆孔壓水試驗資料表明:弱透水段 （1≤q＜10 Lu）占83%，中等透水段 （10≤q＜100 Lu）占 15.8%， 強透水段 （q≥100 Lu）占1.2%。壩基設一排防滲帷幕，深度按要求達到相對不透水層 （5 Lu），河床段最大孔深40.0 m，孔距1.5 m，幕線從壩頭向山體內延伸，向左、右岸分別延伸31.0、22.0 m。

（4）閘基處理。壩基巖溶較發育，建基面揭露多處巖溶，有長9～15 m的溶槽和洞穴，亦有沿小斷層溶蝕成的塌陷區。建基面開挖形成后，對多處巖溶等地質缺陷均做了刻槽開挖，并回填埋石混凝土。由于溢流閘壩區地基巖體存在軟弱夾層，為增加底板與巖基的連接，增加抗滑能力，提高泄水建筑物的穩定性，除了布置防滲排水設施外，在溢流壩控制段底部布置梅花狀錨筋樁，待錨固樁與巖體鑲固后，再澆筑底板混凝土。錨筋樁平均間距2.5 m，順水流方向從上游至下游間距由密變疏，整個溢流壩控制段總布錨筋樁258個。

3 閘室穩定及底板結構設計

閘室按SL 265—2001《水閘設計規范》進行設計。采用基床系數法進行閘室底板結構計算，灰巖基礎基床系數取981000 kN/m2。C20混凝土容重取23.5631 kN/m3，浮容重 13.5631 kN/m3，泊松比0.2。設計閘室底板厚度2 m，計算配筋2925 mm2/m，選用φ25@150 mm鋼筋，實際配筋3272 mm2/m，經計算結構強度和抗裂配筋均滿足規范要求。

4 3、4號泄洪閘建基面及閘底板厚度

受外界因素影響，3、4號閘孔底板施工進度拖后，為順利渡汛，閘孔底板基礎開挖時，部分基礎開挖深度沒有達到設計要求便澆筑了混凝土，致使3、4號閘室底板厚度小于設計厚度，其中以3號閘室為甚，2010年4月委托專門檢測單位進行現場檢測，認定底板厚度0.8～1.4 m。

為提高底板結構剛度，在梅花形布置的固結灌漿孔中增設錨樁，每根錨樁采用3根φ25鋼筋錨入基巖5 m，插入混凝土底板內1 m，并在3號閘墩及基巖接觸部位增設20根錨樁，每根錨樁由3根φ32鋼筋組成，深12 m，入巖10 m，插入閘墩混凝土內2 m，其頭部設丁字頭，以加強與混凝土閘墩及底板與基巖的聯接。

5 閘室底板安全評價

仔細分析設計報告、補強措施及實際運行狀況后認為:

（1）由于發生特殊情況，為了安全度汛，3號泄洪閘底板厚度為0.8～1.4 m，小于設計厚度2.0 m要求。

（2）3號泄洪閘室為中間閘室，呈倒 “∏”形置于灰巖地基上，巖體完整，堅硬中等，巖體彈性模量較大，由于水頭不高，上部荷載較小，底板反向變位小，不致成為底板設計的制約因素，泄洪閘底板的配筋實際按最小含鋼率配筋。

（3）3號閘室底板下已增加錨筋樁加固，加強了底板與基巖聯接，底板剛度得到了提高。

（4）采用SAP2000有限元軟件對3號閘室進行三維結構計算分析，底板平均厚度為1.2 m時，單元網格劃分最大尺寸為0.5 m×0.5 m。計算成果表明，底板最大彎矩出現在下游附近閘墩邊線處，值為1080 kN·m，最小 （負）彎矩出現在下游底板閘孔中心附近，值為-300 kN·m。底板最大位移0.53 mm。實際配筋3272 mm2/m時，底板應力及配筋仍滿足規范要求，且具有一定強度余度。

（5）泄洪閘在施工期經歷了兩次泄洪，因圍堰未拆，僅3、4號閘泄洪。第一次在2009年8月15日，泄洪流量4700 m3/s（約10年一遇洪水），最高洪水位353 m，高于正常蓄水位 （344.5 m）8.5 m，第二次在2010年6月27日，泄洪流量3000 m3/s，最高洪水位347 m，高于正常蓄水位2.5 m。泄洪后檢查發現，除泄洪閘消力池后面河床發生局部沖刷破壞外，泄洪閘及非溢流壩運行正常，結構安全。

總的來說，金龍灘電站利用上游二期圍堰抬高水頭5～6 m，曾達到的最大泄量為4700 m3/s，最高庫水位353 m，超過正常高水位8.4 m，比校核洪水位低5.5 m，但處于較大水頭差集中泄洪的不利工況下運行，3、4號泄洪閘底板運行正常，未發生任何破壞。

6 結語

（1）由于特殊原因，3號泄洪閘底板厚度僅為0.8～1.4 m，小于原設計要求，但由于金龍灘閘壩不高，基巖為中等堅硬的灰巖，彈性模量較大，反向彎矩較小，閘室底板實際按構造配筋，三維有限元計算成果表明，即使底板按平均厚度1.2 m計算，現有配筋仍滿足強度及抗裂要求，考慮到3號閘室底板補強處理后，提升了底板與地基的連接，提高了底板結構剛度，綜合分析施工度汛及低水頭發電等不利工況下閘室實際運行狀況，3號閘室底板厚度尚不構成制約下閘蓄水的因素，金龍灘水電站可以正常安全運行。

（2）考慮到底板減薄有可能造成底板開裂，根據眾多巖石地基上水閘采用分離式結構運行經驗，建議如果因閘基巖體反彈變形，底板中部產生貫穿性裂縫，既可按結構性裂縫處理規程及時對該裂縫進行灌漿處理，也可將該縫改鑿為永久性工作縫，將3號閘室從整體式結構改為分離式結構，仍可正常運行。

（3）從金龍灘3號閘室底板厚度問題可見，巖石地基上不同彈性地基的閘室，在底板結構計算中，采用規范推薦的基床系數法計算基巖上的閘室底板配筋時，配筋裕度較大。