基于深厚粉細砂層地質特點的興隆水利樞紐工程設計

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，430010，武漢）

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內，上距丹江口樞紐378.3 km，下距河口273.7 km，是南水北調中線漢江中下游四項治理工程之一，同時也是漢江中下游水資源綜合開發利用的一項重要工程，是漢江梯級開發的最下一級。樞紐有壅高水位以保證漢江兩岸農田灌溉引水、增加航深、改善航道條件的作用，工程開發任務以灌溉和航運為主，兼顧發電。

興隆樞紐為Ⅰ等工程，由泄水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸行洪灘地及連接交通橋等主要建筑物組成。泄水閘、電站廠房為Ⅰ級建筑物，船閘級別為III級，其中上閘首為Ⅰ級建筑物，閘室和下閘首為Ⅱ級建筑物。樞紐正常蓄水位36.2 m，相應庫容2.73億m3，規劃灌溉面積21.84萬hm2，規劃航道等級為Ⅲ級，電站裝機容量40MW。樞紐設計、校核洪水流量為該河段最大安全泄量19 400 m3/s，其洪水重現期約為100年。

工程于2009年2月正式開工，2013年年初泄水閘、船閘等主體建筑物基本完成，同年4月下閘蓄水和船閘通航，2014年6月最后一臺機組投產發電。

一、覆蓋層深厚，粉細砂層結構松散、分布廣、厚度大

興隆樞紐壩址區覆蓋層深厚，總厚度約50～70 m，按巖性及其組成可概括為三層：上部以黏性土為主，中部以粉細砂為主，下部為砂礫（卵）石層。上部黏性土主要分布于左岸、右岸高漫灘部位，厚度分別為6～9 m和13～24 m。中部以粉細砂和含泥粉細砂為主，分布特征為：河床與左岸低漫灘部位外露，厚度13～26 m；右岸高漫灘部位粉細砂厚度相對較小，約5～15 m。砂礫（卵）石層位于粉細砂層以下，厚度20～36 m，埋深一般在30 m以上。

泄水閘、船閘和電站廠房的建基面均為粉細砂層，各建筑物的過流面也位于粉細砂層。粉細砂層結構松散、分布廣、厚度大，引起的主要問題是：承載能力低，地基沉降量大；粉細砂粒徑小，抗沖流速小，抗沖刷能力低；允許滲透比降值小，極易發生滲透變形；地基透水性強，施工期間截滲和降水問題突出；粉細砂黏粒含量少，飽和砂土存在震動液化問題。

二、獨具特色的“一體兩翼”式樞紐總體布置順應河勢，兩岸灘地參與行洪

樞紐所在的興隆河段，上起多寶灣彎道，下至苗家場彎道，中間為長約5 km的順直段，河段全長約23 km，平面形態呈反“S”狀。結合河段已建灌溉引水閘進口位置、航運條件、建筑物布置等條件，壩軸線選擇在中間順直河段的略偏上游處，閘壩址處兩岸漢江大堤之間河道總寬度約2 800 m，河床呈復式斷面，正常蓄水位36.2 m，對應河槽寬約700 m，主河槽位于河道偏右側；主河槽左側為低～高漫灘，寬約1 400 m，灘地高程35～38 m；主河槽右側為寬約700 m的高漫灘，灘地高程約36～38 m。

興隆河段河床演變特點：在進口多寶灣彎道段，主流一直貼左岸，河勢較穩定；中間順直段洲灘變化較頻繁，主流左右擺動，但近年河勢趨于穩定；出口苗家場彎道段，受上游來水來沙條件和河勢變化影響，主流有撇彎切灘和復凹的變化，彎道河勢變化相對較大。由于興隆河道曲折蜿蜒，河床粉細砂粒徑小，抗沖能力低，河勢穩定性較差，如何減小樞紐布置對河勢的影響、保持樞紐運用后的河勢穩定是樞紐總體布置的關鍵問題。

結合天然狀況下左、右高漫灘在中大洪水時參與行洪的特點，在研究后采取了“一體兩翼”式樞紐總體布置，泄水閘等建筑物為“一體”，布置在主河槽和低漫灘；“兩翼”為左、右高漫灘，分別局部修整加高到37 m和38 m，在正常蓄水位時擋水。在常態下和小洪水時通過電站過流和泄水閘控泄，維持上游為正常蓄水位36.2 m；中、大洪水時（8 500 m3/s流量以上），“兩翼”參與行洪，既盡可能地維持了原有河勢條件，又分擔了泄水閘過流，減輕對粉細砂河床的沖刷，節省泄水閘工程量。下泄5年一遇流量11 700 m3/s時，泄水閘過流的百分比為88.5%，左岸高漫灘為9.7%，右岸高漫灘為1.8%；下泄設計和校核流量19 400 m3/s時，相應的百分比為73.1%，9.7%和1.8%。

其他建筑物的布置：電站廠房緊鄰布置在泄水閘右側，船閘與電站間距為80 m，布置在電站右側灘地上，兩者間為擋水段。左、右高漫灘段上空設有交通橋，分別連接泄水閘與左岸堤防、船閘與右岸堤防。壩軸線上建筑物自左至右依次為：左岸高漫灘段交通橋（長858.5 m），泄水閘段（泄水閘56孔，左右各設一門庫，總長991 m），電站廠房段（長112 m），擋水壩段（長80 m），船閘段（長47 m），右岸高漫灘段交通橋（長741.5 m），壩軸線全長2 830 m。

三、圍堰為深厚透水地基，基坑面積大，開挖至粉細砂層，圍堰內外水頭差超過30 m，滲控要求高、難度大

興隆樞紐施工采用明渠導流方案，明渠布置在河床左側高漫灘上，一期在土石圍堰保護下進行泄水閘、船閘、電站廠房等主要建筑物施工。圍堰由三部分組成，上游橫向圍堰長1 724.5 m，下游橫向圍堰長2 351.1 m，左側縱向圍堰長700 m，與右岸漢江大堤合圍的基坑面積145萬m2。堰頂高程上游圍堰為42.5 m，下游圍堰為42.0 m，左側縱向圍堰頂高程42.5～42.0 m，堰頂寬度均為10 m。

土石圍堰下覆蓋層厚度超過50 m，其中粉細砂層、砂礫石層具中等～強透水性。主要建筑物建基面高程在10～27 m之間，均位于粉細砂層中，最大開挖深度超過28 m，一般開挖深度也在2～20 m之間，圍堰內外水頭差超過30 m。粉細砂允許滲透比降小，粉細砂層在基坑開挖及形成干地施工條件過程中，減少基坑滲流量和維持滲透穩定問題突出，滲控要求高、難度大。研究過的滲控方案有：

水平防滲方案：縱向圍堰全截斷式防滲墻（即防滲墻底嵌入巖石）、橫向圍堰水平黏土鋪蓋防滲、基坑設降水井方案。

懸掛截滲方案：縱向圍堰全截斷式防滲墻、橫向圍堰懸掛式防滲墻、基坑設降水井方案。

全截滲方案：縱向圍堰和上下游橫向圍堰均為全截斷式防滲墻。

圈式全截滲方案：在右岸高漫灘上增加一道縱向圍堰，與上下游橫向圍堰與左側縱向圍堰組成一圈封閉的基坑，防滲型式采用基礎全截斷式，防滲墻上接復合土工膜心墻型式。

通過三維滲流計算，分析了不同滲控措施的成效，主要結論為：

一是對于深厚透水地基，懸掛式防滲墻的滲控作用有限；延長水平滲徑不易達到有效的滲控效果。采用全封閉垂直防滲，則滲漏量大大減小，對基坑滲透穩定較有利。

二是僅設置懸掛式防滲墻或一定長度的水平鋪蓋防滲，在廠房、船閘等深基坑開挖后，滲流量將明顯增大。基坑底的垂直和水平比降也大于粉細砂的允許比降，會產生滲透破壞問題，必須采取一定的降水措施。

三是全截滲方案在漢江右岸高漫灘處未設置防滲墻，受端部繞滲作用影響，對廠房和船閘基坑有不利的影響，基坑底垂直和水平比降也大于粉細砂的允許比降，會產生滲透破壞問題，也必須采取一定的降水措施。

四是對于水平防滲方案、懸掛截滲和全截滲方案，為使地下水水位降至建基面高程以下，必須設置對深入砂礫石層的深井進行降水，深井數量多，抽水量大，運行費用高。

五是圈式全截滲方案，可基本截斷上下游來水對基坑開挖區域的流量補充，只需配合一般性降水措施將基坑內地下水疏干。

綜合研究后，選擇防滲效果好、可靠度高、降水運行費低的圈式全截滲方案。增加的右側縱向圍堰長814.1 m，堰頂高程39.0 m。圈式圍堰內基坑面積為95萬m2。

圈式圍堰在高程35～36 m以下采用塑性混凝土防滲墻，墻體厚80 cm，平均深度約60 m，底部進入基巖1 m；墻頂上接復合土工膜。塑性混凝土防滲墻周長3 949.2 m，面積24萬m2。興隆工程防滲墻平均深度和成墻面積，在我國水利水電工程中名列前茅。

四、建筑物地基存在承載能力小、沉降量大、不均勻沉降和飽和砂土液化問題，采用格柵式水泥土攪拌樁處理地基工程規模為我國大型水利水電工程之最

泄水閘、船閘和電站廠房等主要建筑物的地基均為較深厚的粉細砂和含泥粉細砂層，土層結構松散，局部夾有淤泥質透鏡體，地基承載力特征值為120～140 kPa。電站廠房及船閘各部位的基底應力較大；泄水閘、船閘和電站廠房的地基沉降量大；船閘上、下閘首設有人字閘門，門軸柱偏斜影響人字門的開合，對地基不均勻沉降較為敏感；電站廠房燈泡式機組也對不均勻沉降的要求較為嚴格，粉細砂地基上的水電站國內尚無工程先例；地震條件下以及泄水閘局部開啟、電站機組運行時的振動，存在誘發飽和粉細砂液化的可能。建筑物地基存在的主要問題有：承載能力不足；沉降量大；不均勻沉降；飽和粉細砂的液化。

設計階段經強夯法、振沖法、鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁法等多方案比選后，初選以攪拌樁法來進行地基處理。但將攪拌樁法用于興隆工程地基處理需解決兩個關鍵問題：一是現有攪拌樁工程實例大多數是處理黏性軟土，摩阻力較小，大面積用于處理摩阻力大的砂層能否適用，工效是否滿足要求；二是為保持干地施工，圈式截滲的基坑中有一般性降水措施，地下水水位呈現漏斗形態，最大滲透坡降為0.06，在有流動地下水的地基中能否保證攪拌樁的成樁質量。通過室內和現場試驗研究，證明攪拌樁是適用于處理興隆粉細砂地基的，有流動地下水的條件下通過適當增加摻灰量能保證成樁質量。

泄水閘、船閘和電站廠房均采用攪拌樁進行地基處理。布置采用格柵式，可以約束震動時地基的剪切變形，從而提高地基抗液化能力。攪拌樁的置換率根據承載能力和格柵式布置要求綜合確定，置換率泄水閘閘室為20%，船閘上閘首為50%，船閘閘室為30%，船閘下閘首為40%，電站廠房為50%，船閘和電站廠房的地基置換率高。攪拌樁樁徑泄水閘為600 mm，船閘和電站廠房均為800 mm。攪拌樁樁長根據抗液化要求和控制沉降量及不均勻沉降的要求，樁長泄水閘為12 m，船閘上閘首為9.7 m，船閘閘室為10 m，船閘下閘首為8.6 m，電站廠房為6.6 m。

攪拌樁設計指標為樁體28天抗壓強度值不小于2.5 MPa，滲透系數不大于i×10-6cm/s。施工單位進行了有關室內配合比試驗和生產性試驗，確定水泥標號為P.O 42.5，水泥摻量為18%，水灰比1∶1，漿液密度1.51 g/cm3，施工工藝為四噴四攪即兩沉兩升，下沉和提升最大速度不超過0.67 m/s，首次下沉和提升噴漿量為總量的60%，第二次循環為總量的40%，水泥漿壓力不小于0.5 MPa。

通過現場生產性試驗也發現，由于粉細砂地基遇漿時自密性較強，容易產生板結，攪拌樁機在提升時阻力較大，一般鏈條式深攪機由于功率偏小、傳動軸及連接八爪材質強度不足、提升能力有限而不能滿足在粉細砂中施工，因此對設備要加以選擇。泄水閘施工中選用了SPM-5Ⅲ型深攪機，對深攪設備鉆頭進行改進，由平面攪拌葉片改進成30°左右的傾斜葉片，并加焊了攪拌葉片，以減少在粉細砂層中的阻力。經過施工初期摸索適應后，工效大幅度提高，高峰期投入12臺深攪機日進度突破3 000 m。

攪拌樁處理工程量泄水閘為35.9萬m，船閘為8.0萬m，電站廠房為7.4萬m，攪拌樁工程量為我國大型水利水電工程之最。同時興隆電站也是國內第一座建設在粉細砂地基上的電站。

五、河床粉細砂層厚度大，抗沖能力低，沖刷危害大，泄水閘防沖措施采用地下連續墻垂直防淘與新型柔性海漫水平防沖相結合

興隆河床的粉細砂中值粒徑僅0.09～0.18 mm，水深1 m時抗沖流速為0.20～0.25 m/s，加之粉細砂無黏性，水下休止角小，一旦出現沖刷則深度大、發展過程快、擴散范圍大（水下穩定坡比約1∶8～1∶12），溯源沖刷很快直接危及泄水閘安全，采取補救措施難度大。為確保工程安全，泄水閘采取地下連續墻垂直防淘與新型柔性海漫水平防沖相結合的防沖措施。

泄水閘泄洪經過底流消能后，出消力池水流紊動仍較劇烈，底部流速大，還必須設置海漫，進一步削減剩余能量，調整流速分布，使水流接近天然流態，減輕對下游河床的沖刷。經計算和試驗，確定海漫長度為70 m。按抗沖要求與作用不同，將海漫分為剛性和柔性兩部分，海漫前20 m為剛性海漫，采用的是50 cm厚的常規鋼筋混凝土結構，并在海漫下游端齒槽下設垂直防淘墻，墻體采用鋼筋混凝土地下連續墻，墻深12 m，墻體厚度60 cm，墻頂與海漫連接，混凝土強度為C30，可阻止溯源沖刷，不危及泄水閘主體的安全。后50 m為柔性海漫。墻深、墻厚及結構配筋按承受墻后的塌陷深度確定，模型試驗未考慮柔性海漫塊體下土工布所起的隔離作用，以模擬可能出現的施工缺陷。

柔性海漫起始斷面高程28 m，與末端防沖槽相接處高程25.5 m，布置上向下游傾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，緩減流速，在進一步消能的同時調整流速分布。這部分海漫應具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性。常用的海漫型式如堆石、干砌石、格賓海漫等為散粒體，沒有整體性，出現局部損壞時流態惡化易向周邊擴大，可靠度不高，保證施工質量的難度大。受嵌套式護坡植草磚啟發，創新設計了一種嵌套式混凝土柔性海漫。用于嵌套的塊體平面設計成“H”形，單塊長度和寬度都為48 cm，單個凈面積0.131 4m2，腿高14.5 cm，腰高19 cm，兩腿內細外粗，腿間內空則口小腔大，拼裝后相鄰塊體能相互嵌套；此外為增加糙率及便于搬運，腰部設了兩個7×10 cm開孔，腰間也內收2.5 cm拼裝后形成開孔。拼裝方式為，橫水流方向同排中心線間距為25 cm，順水流方向中心線間距為35.5 cm，塊體間凈間距2 cm。從粉細砂河床表面自下而上，柔性海漫構造依次為土工布（400 g/m2）、碎石墊層（厚度20 cm，粒 徑2～4 cm）、土 工 網（CE121）和嵌套混凝土塊體。拼裝后面積開孔率為26%。塊體厚度為25 cm，單塊重量約79 kg。塊體強度等級為C20，采用干硬性混凝土擠壓成型，既工效高容易保證質量，又施工簡便。經模型試驗驗證，其整體性優良，抗沖能力強，是一種高可靠度的海漫型式。

[1]張光斗，王光綸.水工建筑物[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]陳寶華，張世儒.水閘[M].北京：中國水利水電出版社，2003.