復雜地質條件下高擋水水頭土石圍堰設計

梁 娟， 張 有 山， 王 小 波

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

猴子巖水電站攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 848.50 m，最大壩高223.5 m。水庫正常蓄水位1 842.00 m，總庫容7.06億m3，電站裝機容量1 700 MW，工程為一等大(1)型工程，主要永久水工建筑物級別為1級，次要永久水工建筑物級別為3級。

2 地形地質條件

堰基河床覆蓋層厚60 m～75 m，層次結構自下而上分為4層：第①層，含漂(塊)卵(碎)砂礫石層(fglQ32)，厚約11 m～27 m，具強～中等透水性，其結構較密實；第②層，粘質粉土(lQ33) ，系河道堰塞靜水環境沉積物，厚約15 m～22 m；第③層含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚約15 m～37 m，具較強的承載能力和強透水性，結構稍密實，局部有架空現象；第④層，孤漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ42) ，厚約1 m～15 m，具較強的承載能力和強透水性，結構較松散，局部有架空結構。其中第②層粘質粉土，埋藏深、分布廣、厚度變化大(最薄0.67 m，最厚達29.45 m)，承載力低，工程性狀差，為可能液化砂土。

3 圍堰設計研究

猴子巖工程圍堰為3級臨時建筑物，圍堰設計水位采用全年50年一遇洪水流量下相應水位。上游圍堰設計擋水水位1 742.50 m，堰頂高程1 745.00 m。下游圍堰設計擋水水位1 707.87 m，堰頂高程1 710.00 m。

3.1 設計難點

(1)壩址區河床覆蓋層厚度大，結構復雜，基坑深達70余m。

(2)上游圍堰設計擋水水頭高達117.50 m。

(3)大壩基礎采取了挖除河床覆蓋層的基巖建壩方案，粘質粉土層在深基坑邊坡出露，對上下游圍堰及基坑邊坡滲流穩定影響大。

(4)圍堰需要在一個枯水期內完建并擋水度汛。

(5)壩前右岸發育磨子溝，溝谷切割較深，2 370 m高程以下溝段在汛期暴雨條件下有發生小規模泥石流的可能。

3.2 堰型選擇

土工膜防滲技術經過多年的發展和推廣已日甄成熟，在水利水電工程中得到廣泛應用。上游圍堰土工膜擋水水頭約35 m，使用年限2.5年，類似工程成功應用的實例較多。土工膜心墻方案與岸坡防滲連接方便，但堰體土石填筑必須在基礎防滲墻完工后才能施工，有效工期短，圍堰施工工期較長。土工膜斜墻方案結構稍復雜，與岸坡防滲連接不如心墻方便，但斜墻方案通過采用造墻平臺伸出堰體上游坡腳的技術措施，可使堰體填筑與基礎防滲墻同時施工，有利于爭取工期。結合工程特點，上游圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰，下游圍堰采用土工膜心墻土石圍堰。

3.3 圍堰布置及基礎防滲設計

由于壩前右岸分布的磨子溝對上游圍堰布置影響較大，在設計過程中進行了圍堰緊鄰基坑和圍堰遠離基坑兩個方案的分析研究。

3.3.1 圍堰緊鄰基坑布置

圍堰緊鄰基坑布置方案中不同的圍堰基礎防滲深度和不同基坑開挖深度滲流計算成果顯示：墻深78 m方案，單寬滲流量總體較小，防滲體系有效地阻隔了庫水沿堰基覆蓋層和基巖的滲流；墻體最大滲流梯度最大為68.97，從目前的設計施工水平看(參照三峽二期圍堰塑性混凝土墻，設計允許水力坡降能達到80.0)，墻體不致發生抗滲破壞；同時，圍堰基坑邊坡除壩深基坑開挖至基巖頂板建基高程工況下基坑坡腳的第①層土出逸段的最大滲流坡降為0.37較大、存在局部滲透破壞外，其它工況出逸段的滲流梯度均較小，不致發生滲透破壞。墻深65 m和55 m方案，隨著大壩基坑開挖深度的增加，單寬滲流量、墻體最大滲流梯度、墻底基巖帷幕灌漿區最大滲流梯度也呈現逐漸增加的變化規律，但是單寬滲流量卻較大。尤其是各工況圍堰基坑邊坡的出逸段最大滲流梯度均較大，出逸段局部滲透破壞將使圍堰基坑邊坡的安全性難以保證。

圍堰緊鄰基坑布置方案中，不同的圍堰基礎防滲深度和不同基坑開挖深度穩定性計算成果分析表明：

(1)若第②層不采取任何工程處理措施，墻深78 m、65 m和55 m在墻底帷幕灌漿和無帷幕灌漿情況，在大壩基坑開挖過程安全系數均不能滿足設計控制標準1.3的要求。

(2)若第②層采取高壓旋噴處理，墻深78 m在墻底帷幕灌漿和無帷幕灌漿情況下，大壩基坑開挖過程安全系數則均能滿足設計控制標準1.3的要求。

(3)雖然墻深65 m和55 m在墻底帷幕灌漿下且對第②層采取高壓旋噴處理，基坑開挖過程安全系數總體也能滿足設計控制標準1.3的要求。但是正如前面的滲流計算分析表明，由于墻底帷幕灌漿區的滲流梯度較高，存在帷幕擊穿的危險，從而導致防滲失效。相應的穩定性將與墻底無帷幕灌漿一致，穩定性不能滿足設計控制標準1.3的要求。

3.3.2 圍堰遠離基坑布置

由于圍堰緊鄰基坑布置方案需要對第②層采取高壓旋噴處理，旋噴樁施工深度近50 m，施工程序復雜，工期長，度汛風險大。因此，提出不處理第②層而將圍堰遠離基坑布置的方案。在圍堰遠離基坑布置方案中，進行了圍堰堰腳與大壩基坑開挖開口線之間的距離進行了敏感性計算。計算結果表明：當上游圍堰堰腳距離大壩基坑開挖開口線50 m下游圍堰堰腳距離大壩基坑開挖開口線20 m時，穩定性分析安全系數能滿足設計控制標準1.3的要求。

圍堰緊鄰基坑布置方案不需對磨子溝溝水進行工程處理，但圍堰基礎需采用旋噴樁加固處理，旋噴樁施工深度近50 m。圍堰遠離基坑布置方案，大壩施工期間需對磨子溝溝水及泥石流進行工程處理，但圍堰基礎不需要進行加固處理。經過技術經濟比較，選擇采用圍堰遠離基坑布置方案。

3.4 圍堰斷面設計

3.4.1 上游圍堰

上游圍堰為基礎全封閉混凝土防滲墻上接土工膜斜墻的土石圍堰，堰頂高程1 745 m，堰頂長215 m，堰頂寬12 m，最大堰高約55 m(河床以上填筑高度)，最大底寬約250 m。堰體1 709 m高程以上采用復合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)斜墻防滲，最大防滲高度36 m，復合土工膜表面采用10 cm厚噴混凝土進行保護。高程1 709 m以下堰體及堰基覆蓋層采用全封閉塑性混凝土防滲墻防滲，墻底嵌入基巖1.0 m，最大墻深約80 m，墻厚1.0 m。兩岸及河床基巖表淺部透水性較強，采用帷幕灌漿進行防滲處理。

3.4.2 下游圍堰

下游圍堰為基礎全封閉混凝土防滲墻上接土工膜心墻的土石圍堰，堰頂高程1 710 m，堰頂長154.67 m，堰頂寬10 m，最大堰高約25 m(河床以上填筑高度)，最大底寬約155 m。堰體1 700 m高程以上采用復合土工膜(350 g/0.8 mmHDPE/350 g)心墻防滲，最大防滲高度10 m。高程1 700 m以下堰體及堰基覆蓋層采用全封閉塑性混凝土防滲墻防滲，墻底嵌入基巖1.0 m，最大墻深約80 m，墻厚1.0 m。兩岸及河床基巖表淺部透水性較強，采用帷幕灌漿進行防滲處理。

4 結 語

上下游圍堰河床覆蓋層深厚，層次結構復雜，大壩基坑深達70余m，上游圍堰設計擋水水頭高達117.50 m，基礎混凝土防滲墻深達80 m，在國內外同類項目中極為罕見。設計過程中通過對圍堰基礎不同防滲深度下圍堰滲流穩定分析及圍堰建成后大壩基坑開挖過程中不同階段圍堰滲流穩定分析，選擇安全合理的堰型及堰基防滲型式，為工程順利完工創造了有利條件；在猴子巖水電站工程建設中，2011年汛前填筑分流圍堰，設計將上下游圍堰與上下游分流圍堰結合布置，為汛后及早進行上、下游圍堰超深防滲墻施工創造了有利條件。