高寒高海拔地區某高堆石壩填筑方案比選

王丹妮

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

某高混凝土面板堆石壩為黃河干流龍羊峽以上、海拔3 000.00 m以下河段水電規劃的第1個梯級水電站，壩體填筑總量為3 779.44萬m3，最大壩高257.5 m，電站裝機容量2 600 MW，4臺650 MW的水輪發電機組。工程為Ⅰ等大(1)型工程，是黃河龍羊峽以上河段裝機容量最大的電站。工程地處高寒地區，高海拔缺氧對施工效率影響較大，施工條件相對較差。冬季寒冷、持續時間長，夏季涼爽、歷時較短，冬季持續5個月的負溫條件對控制關鍵工期的大壩填筑影響較大，壩體填筑需每年冬季停工2個月，工程填筑量約3 000多萬m3，工程施工總工期10余年。

2 壩體填筑時段劃分和填筑方案初擬

2.1 填筑時段劃分

根據導流規劃，將大壩填筑時段劃分為初期、中期、后期3個時段。

(1) 填筑初期： 從大壩填筑開始，至壩體填筑高程到達圍堰頂部高程的時段為大壩填筑初期。大壩主要施工項目為壩基開挖、趾板混凝土澆筑、灌漿及上游圍堰以下高程的壩體填筑工作。

(2) 填筑中期：根據汛前壩體填筑形象及壩體攔蓄庫容不同，大壩填筑中期劃分為3個時段，壩體臨時度汛洪水設計標準分別采用100年一遇、200年一遇和300年一遇。主要完成大壩2 996.50 m高程以下壩體填筑及一、二期面板混凝土澆筑的施工。

(3) 填筑后期：從導流洞下閘蓄水開始，至泄洪建筑物具備設計泄流能力。主要進行三期面板混凝土澆筑、灌漿施工、壩頂剩余項目施工。

2.2 填筑方案初擬

按照壩體初期填筑高程及壩體度汛形象要求，根據大壩填筑累積數據(見表1)，除上游壓坡體、蓋重區和下游堆碴區內的反濾層及排水體外的填筑總量為3 283.48萬m3，以此為基礎，擬定了3個壩體填筑方案。

表1 填筑累積數據表

(1) 方案1(大壩填筑64個月)

1) 填筑初期

第3年11月底主河床截流后進入初期導流時段，初期導流時段為第3年12月至第6年9月底，此時段也是大壩填筑初期。按照時段主要施工項目類型及壩體填筑上升高度，大壩填筑初期分為兩大時段：第1時段為第3年12月至第4年9月，大壩主要施工項目為壩基開挖；第2時段為大壩填筑至壩體臨時斷面擋水度汛高程，即第4年10月至第6年9月，大壩主要施工項目為趾板混凝土澆筑、灌漿、大壩3C區以上各區填筑、泄洪消能區開挖。大壩填筑初期導流標準選用30年洪水重現期，相應導流設計流量為3 830 m3/s，由上下游圍堰擋水，導流洞泄流。

2) 填筑中期

第6年9月底，壩體填筑至2 824.00 m高程，壩體填筑高程已超過上游圍堰頂高程(2 823.25 m)，此時壩體臨時填筑斷面攔蓄庫容為1.47億m3。隨后工程進入中期導流時段，直至第10年12月初導流隧洞進口閘門下閘。大壩填筑中期為第6年10月初到第10年11月底，期間度汛由壩體臨時斷面擋水，河道來水由導流洞下泄。

第7年汛前壩體將填筑至2 850.00 m，壩體填筑臨時斷面相應攔蓄庫容為3.5億m3，根據DL/T5397-2007《水電工程施工組織設計規范》中“壩體施工期臨時度汛洪水設計標準，堆石壩攔蓄庫容(10.0～1.0)億m3時，施工期臨時度汛洪水設計標準為重現期200～100年”，第7年汛期壩體臨時度汛洪水設計標準采用100年一遇，相應設計流量為4 690 m3/s。

第8年汛前壩體填筑至2 886.00 m，并且完成一期面板(壩底～2 860.0 m)的施工，壩體填筑臨時斷面相應攔蓄庫容為8.60億m3，大于1億m3，而小于10億m3。第8年汛期壩體臨時度汛洪水設計標準采用200年一遇，相應設計流量為5 140 m3/s。

第9年汛前壩體平均填筑至2 925.00 m高程，壩體臨時填筑斷面相應攔洪庫容為17.76億m3，大于10億m3，第9年汛期壩體臨時度汛洪水設計標準采用200年一遇，相應設計流量為5 140 m3/s。

第10年汛前壩體平均填筑至2 965.00 m高程，并且完成二期面板(2 860.00～2 945.00 m)施工，壩體臨時填筑斷面相應攔洪庫容為32.42億m3，大于10億m3。第10年汛期壩體臨時度汛洪水設計標準采用300年一遇，相應設計流量為5 390 m3/s。第10年9月底，壩體填筑至三期面板頂高程2 996.50 m。

3) 填筑后期

第10年12月初左岸低導流洞下閘，壩體填筑至壩頂高程3 001.50 m，進入大壩后期施工。后期導流時段主要進行三期面板混凝土澆筑、灌漿施工、壩頂填筑、防浪墻及路面混凝土澆筑、左岸低導流洞封堵與2號尾水洞改建、左岸旋流導流洞封堵、后續機組安裝。第11年汛期樞紐泄洪建筑物完建，度汛正常運用洪水標準選擇為重現期500年，相應流量為5 720 m3/s，壩體度汛非常洪水標準選擇為重現期1 000年，相應流量為6 150 m3/s。

(2) 方案2(大壩填筑74個月)

填筑初期同方案1，填筑中期比方案1推遲1 a，至第11年9月底壩體填筑至三期面板頂高程2 996.50 m。填筑后期順延至第12年。

(3) 方案3(大壩填筑60個月)

填筑初期比方案1的開工時間推遲至第5年2月，工期縮短4個月，中期和后期完全相同。

3 施工進度及施工強度分析

3.1 方案1

方案1填筑工期64個月，填筑強度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為7.65 m。各時段填筑強度和月升高詳見圖1和表2。

3.2 方案2

方案2填筑工期74個月，填筑強度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為5.77 m。方案2填筑初期，填筑高程2 860.00 m以下，填筑時段、填筑強度、月平均上升高度均與方案1相同。填筑中期比方案1延長1 a。各時段填筑強度和月升高詳見圖2和表3。

3.3 方案3

方案3填筑工期60個月，填筑強度最大為63.78 m3/月，月平均上升高度最大值為8.10 m。方案3填筑中期和后期同方案1。各時段填筑強度和月升高詳見圖3和表4。

圖1 方案1壩體填筑形象進度圖 單位：m

圖2 方案2壩體填筑形象進度圖 單位：m

填筑時段起始填筑高程/m終止填筑高程/m層間填筑量/104m3累計填筑量/104m3填筑工期/月填筑總強度/(104m3·月-1)月平均升高/m第4年8月～第5年6月2744.002794.00322.43322.43935.835.56第5年7月～第6年9月2794.002824.00614.82937.261347.292.31～6.15第6年10月～第7年9月2824.002860.00637.791575.051063.783.60第7年10月～第8年6月2860.002886.00433.332008.37761.901.43～3.71第8年7月～第9年9月2886.002945.00749.012757.381357.622.62～5.77第9年10月～第10年9月2945.002996.50521.773279.151052.185.15～7.65第11年8月～第11年9月2996.503001.504.323283.4822.162.50

表3 方案2大壩填筑規劃表(填筑74個月)

表4 方案3大壩填筑規劃表(填筑60個月)

4 壩體填筑方案比選

根據收集、整理的目前中國已建土石壩施工資料(見表5)。中國修建的公伯峽、洪家渡、三板溪、水布埡、天生橋一級等水電工程月上升高度為4.81～8.83 m/月，高峰月強度為(43.34～72)萬m3/月。

表5 中國已建土石壩施工資料表

從施工強度方面考慮，3個方案的最大填筑強度(63.78萬m3/月，且相同)和大壩月平均上升高度均在國內已建土石壩施工統計資料范圍之內，大壩填筑工期的可靠度高。3個方案在理論上都是可行的，填筑最大強度均為63.78萬m3/月，工程應配備與最大強度相配套的相同的開采、加工、運輸相應的機械和設備。

方案1，各填筑時段強度比較均衡，從填筑初期填筑強度僅為35.83萬m3/月和47.29萬m3/月，填筑中期第3時段，填筑至一期面板頂高程2 860.00 m時填筑強度達最大值63.78萬m3/月，第4時段填筑強度為61.90萬m3/月，第5時段填筑強度為57.62萬m3/月，第6時段填筑強度為52.18萬m3/月。填筑中期從第6年10月至第10年9月，共40個月，強度比較均勻，且已填筑至大壩防浪墻頂高程，共完成三期面板頂高程2 996.50 m以下的壩體填筑，充分利用最大填筑強度63.78萬m3/月相配套的開采、加工、運輸相應的機械和設備。大壩月上升高度最大值為7.65 m，與統計的中國已建土石壩施工統計值4.81～8.83 m相比，方案1填筑的月上升高度屬中等偏上水平。且方案1大壩填筑時長為64個月，工期合理，經濟可行。

方案2，填筑強度除最大強度為63.78萬m3/月外，其他各填筑時段的強度約為40萬m3/月左右，特別在填筑至2 860.00 m以上高程，填筑強度很平均，僅為40.14～43.48萬m3/月，整個大壩填筑強度上不去。且填筑最大強度發生在第3個填筑時段，填筑工期僅10個月，對工程配備的與最大填筑強度63.78萬m3/月相配套的開采、加工、運輸相應的機械和設備不能充分利用。大壩月上升高度最大值僅5.77 m，與統計的中國已建土石壩施工統計值4.81～8.83 m相比，方案2填筑的月上升高度屬偏低水平。但方案2大壩填筑時長為74個月，工期在3個方案中最長，工程造價高，不經濟。

方案3與方案1的區別在于填筑開始時間為第5年2 月，比前兩個方案都推遲了4個月，工期最短，但填筑初期的第1時段從壩基填筑至2 784.50 m高程，壩基倉面大，填筑材料分區多，工藝復雜，而填筑工期僅5個月，月上升高度8.10 m，工期緊張，其實現的可靠度低。

5 結 語

根據本工程施工特點和可研報告編制規程及水電水利工程施工組織設計規范的要求，考慮該水電站為高海拔地區高混凝土面板堆石壩，尤其是填筑工程量及填筑強度巨大，因此本文對該大壩壩體的填筑強度、填筑方案及其可行性進行了深入細致的研究分析，方案1施工的均衡性、與后序項目的銜接和施工進度的可靠程度上占優，可確保關鍵施工項目的施工技術、施工質量及其施工進度的可行性、合理性。