淺析黏土心墻土石過(guò)水圍堰在南立1河床式水電站度汛中的應(yīng)用

黃 興， 馬 東 陽(yáng)， 黃 開 江， 劉 慧 芳

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

南立1(NAM LIK1)水電站位于老撾萬(wàn)象省北部PhonHong區(qū)，所在區(qū)域旱雨兩季分明，流量相差較大，原EPC承包商——韓國(guó)POSCO公司施工導(dǎo)流選取了枯水期(11月～翌年5月)圍堰擋水進(jìn)行基坑廠房、泄洪閘施工，汛期基坑停止施工，導(dǎo)流洞及基坑聯(lián)合過(guò)流的枯水期導(dǎo)流方案，但其上游圍堰在2016年雨季被沖毀，導(dǎo)致后續(xù)施工無(wú)法順利進(jìn)行。

中國(guó)水電十局接手該工程并于2016年10月中途進(jìn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定上游圍堰基本沿用原POSCO公司的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和布置，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)仍采用枯水期2 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。但因河床廠房施工為該工程施工進(jìn)度的關(guān)鍵控制線路，泄洪閘施工為該工程施工進(jìn)度次關(guān)鍵線路，因此而調(diào)整了施工導(dǎo)流方案，即利用2016年至2017年枯水期搶工期，按照汛期5 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)完成度汛目標(biāo)，采用導(dǎo)流洞加河床基坑泄洪閘壩段過(guò)流、同時(shí)將廠房邊墻、上下游擋水面混凝土澆筑到洪水位以上、完成機(jī)組進(jìn)水口、尾水出口閘門安裝，使廠房具備汛期擋水條件，以便汛期進(jìn)行廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土施工。另外，對(duì)上游過(guò)水圍堰斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，因圍堰基礎(chǔ)防滲鋼板樁在2016年雨季中除上部2 m左右被沖刷變形外，下部至基巖部分基本完好，故以修復(fù)的變形鋼板樁為中心填筑粘土防滲體，上下游為碎石填筑，過(guò)流面為鋼筋混凝土面板防護(hù)，面板左右兩岸設(shè)1.5m高貼坡混凝土，過(guò)流面頂高程為184.7 m，可沖潰的黏土子堰堰頂高程為187.7 m，下游坡腳至溢流壩之間全部采用鋼筋石籠消能防沖。

1.1 圍堰過(guò)水方案的前提條件

結(jié)合南立1水電工程施工工期目標(biāo)要求，上游過(guò)水圍堰需在2017年雨季中安全度汛，并保證過(guò)流期間其不被損壞，若圍堰發(fā)生失穩(wěn)被沖毀，雨季后需重新恢復(fù)上游圍堰，將會(huì)對(duì)后期工程施工進(jìn)度造成影響、延誤施工工期，而且會(huì)造成重大損失。因此，采用何種防護(hù)措施保證上游圍堰在雨季洪水過(guò)流期間不被損毀即成為進(jìn)場(chǎng)后上游圍堰方案設(shè)計(jì)時(shí)的重中之重。

1.2 上游過(guò)水圍堰方案設(shè)計(jì)中易發(fā)生的問(wèn)題及建議

通過(guò)總結(jié)韓國(guó)POSCO公司施工的上游圍堰在2016年雨季期間被沖毀的失敗教訓(xùn)，對(duì)上游圍堰在2016年雨季期間被沖毀的原因及過(guò)水方案進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)了以下情況：

(1)原設(shè)計(jì)的上游圍堰采用土石過(guò)水圍堰形式，其基礎(chǔ)采用鋼板樁防滲，圍堰頂部、背水坡采用混凝土面板防護(hù)，土石過(guò)水圍堰頂部高程為186 m，堰前上游護(hù)腳頂高程為177.6 m，堰后下游底板高程為172 m，其高差大，汛期時(shí)的水推力及過(guò)流時(shí)的水拖拽力較大，且下游未采取鋼筋石籠護(hù)腳，最終導(dǎo)致圍堰失穩(wěn)并在2016年雨季時(shí)被沖毀。

(2)河床基坑下游圍堰為土石混合結(jié)構(gòu)圍堰，圍堰迎水坡采用塊石護(hù)坡，但未采用過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)，并且其基礎(chǔ)未進(jìn)行處理。

(3)上游圍堰過(guò)流面頂高程為187.5 m時(shí)初步估算來(lái)流Q20%=2 670 m3/s，上游圍堰堰前水位高程為194.72 m時(shí)，導(dǎo)流洞過(guò)流流量為757 m3/s，基坑過(guò)流流量為1 913 m3/s，過(guò)水流量大。

(4)上、下游圍堰頂高程高差達(dá)14 m。高差太大、基坑過(guò)流時(shí)水流流態(tài)復(fù)雜，易導(dǎo)致圍堰損毀。

(5)上、下游圍堰下游側(cè)未設(shè)置消能平臺(tái)，導(dǎo)致圍堰下游坡腳被淘刷，進(jìn)而導(dǎo)致圍堰損毀。

因此，在該上游圍堰的設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)考慮汛期來(lái)水時(shí)上游圍堰的迎水面不但要抗沖刷、防滲等，其背水面及圍堰到基坑范圍的覆蓋層也要抗沖刷以及對(duì)水流進(jìn)行消能的相關(guān)問(wèn)題。筆者針對(duì)原上游圍堰的設(shè)計(jì)方案提出了以下建議：

(1)降低上游圍堰汛期過(guò)流面高程，將圍堰堰前上游護(hù)腳填筑高程加高至180 m，并在上、下游圍堰下游側(cè)增加10 m寬的消能平臺(tái)，并且盡量降低消能平臺(tái)高程，使其低于下游圍堰堰頂高程，從而能在該平臺(tái)上產(chǎn)生充分的水躍進(jìn)行消能，同時(shí)應(yīng)防止平臺(tái)高程過(guò)低而導(dǎo)致主流沖刷堰腳。

(2)在上游圍堰汛期過(guò)流面之上布置土石子堰，子堰頂高程按攔擋枯水期2 a一遇來(lái)流確定，汛期子堰可被沖毀。

(3)下游坡腳以外河床范圍內(nèi)的護(hù)坡采用鋼筋籠防護(hù)。

1.3 圍堰的具體參數(shù)

上游過(guò)水圍堰基礎(chǔ)防滲鋼板樁在2016年雨季除上部2 m左右被沖刷變形外，下部至基巖部分基本完好，因此，以修復(fù)后的變形鋼板樁為中心填筑黏土防滲體，上下游采用碎石填筑，過(guò)流面采用鋼筋混凝土面板防護(hù)，迎水面坡度為1∶1.5，混凝土面板厚度為0.3 m，背水面坡度為1∶1.8，混凝土面板厚度為0.5 m，面板左右兩岸設(shè)1.5 m高貼坡混凝土，過(guò)流面頂高程為184.7 m，可沖潰的黏土子堰堰頂高程為187.7 m，黏土外圍用沙袋防護(hù)。上游坡腳處向上游延伸約16 m為巖石回填，下游坡腳至溢流壩之間全部采用鋼筋石籠消能防沖。上游過(guò)水圍堰體型見圖1。

圖1 上游過(guò)水圍堰體型圖

2 基坑覆蓋層的保護(hù)

因上游圍堰堰后河床范圍內(nèi)的覆蓋層厚度較大，在大壩及廠房基坑開挖后，會(huì)在上游圍堰堰腳至基坑之間形成很大的覆蓋層范圍，若在圍堰過(guò)水期對(duì)覆蓋層未進(jìn)行充分保護(hù)，將導(dǎo)致覆蓋層被沖刷、圍堰失穩(wěn)。從以往的工程實(shí)踐看，圍堰過(guò)水時(shí)鋼筋石籠護(hù)面的破壞分整體性失穩(wěn)破壞及局部性失穩(wěn)破壞兩種方式。

結(jié)合以往相關(guān)工程實(shí)踐并參考其他工程中的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，上游圍堰如采用加設(shè)自潰子堤以降低過(guò)流期上下游圍堰水頭差的方法，在基坑不充水時(shí)覆蓋層防護(hù)鋼筋石籠難以保持穩(wěn)定，將隨覆蓋層整體滑動(dòng)而造成上游圍堰失穩(wěn)；且因采用的是鋼筋石籠護(hù)坡，其透水性良好，當(dāng)子堰潰堰流量達(dá)到設(shè)計(jì)潰堰流量時(shí)，在水流拖拽力及滲透壓力的作用下，基坑上游覆蓋層鋼筋石籠防護(hù)失效，將發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞，鋼筋石籠將從坡腳處發(fā)生滑動(dòng)，最終導(dǎo)致整個(gè)護(hù)面鋼筋籠滑向基坑，導(dǎo)致上游圍堰發(fā)生破壞，因此，為保證上游圍堰在過(guò)流時(shí)不被損壞，基坑內(nèi)需進(jìn)行預(yù)先充水。

2017年的汛期實(shí)踐證明：在基坑內(nèi)預(yù)先充水的情況下，過(guò)堰水流流速小于7 m/s時(shí)，覆蓋層鋼筋石籠防護(hù)不會(huì)發(fā)生整體性失穩(wěn)破壞，只有部分結(jié)構(gòu)松散的鋼筋石籠在大流速作用下會(huì)發(fā)生變形，水流沖刷鋼筋石籠下部覆蓋層后引起局部范圍內(nèi)的鋼筋石籠沖向下游。因此，為了減少覆蓋層上有大流速發(fā)生，基坑內(nèi)的充水高程應(yīng)盡量提高(應(yīng)超過(guò)鋼筋石籠表面1 m以上)，使預(yù)先充的水在覆蓋層上形成水墊層，防止過(guò)堰水流對(duì)鋼筋石籠的破壞。

3 所采用的水位高程變化監(jiān)控措施

因在圍堰發(fā)生過(guò)流之前其下游基坑內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)保持著繼續(xù)施工狀態(tài)，為保證洪水來(lái)臨時(shí)下游基坑內(nèi)的人員、機(jī)械設(shè)備等生命財(cái)產(chǎn)具備一定的撤離時(shí)間，特制定了以下措施對(duì)上游圍堰水位高程變化進(jìn)行監(jiān)控。

首先，汛期實(shí)行24 h值班制度，對(duì)南立河上游水文觀測(cè)站及上游圍堰堰前水位進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè)，根據(jù)所監(jiān)測(cè)的水位關(guān)系，建立南立1工程項(xiàng)目水位觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)來(lái)水流量及導(dǎo)流洞過(guò)流能力進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)布相關(guān)水位信息，及時(shí)了解水位動(dòng)態(tài)，為工程安全提供預(yù)警信息。

其次，為了保證汛期來(lái)水突然增大、子堰潰堰、威脅基坑工作人員生命及設(shè)備安全，在上游圍堰迎水面處設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上游水位情況。該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警高程為183.7 m，當(dāng)上游水位達(dá)到此高程(即距離上游圍堰頂部還剩1 m時(shí))，發(fā)出撤離預(yù)警信號(hào)，基坑人員及設(shè)備做好隨時(shí)撤離的準(zhǔn)備；因可沖潰的黏土子堰堰頂高程為187.7 m，所以，當(dāng)水位上升至184.7 m高程后、水流開始沖刷子堰時(shí)，人員及設(shè)備需在10 min內(nèi)迅速撤離，同時(shí)，下游基坑內(nèi)開始進(jìn)行預(yù)充水，為圍堰安全過(guò)流提前做好準(zhǔn)備，當(dāng)汛期結(jié)束、洪水退去、下游水位降低至高程175 m以下時(shí)，立即組織人員安排水泵抽排基坑內(nèi)的積水，根據(jù)水泵排水能力及基坑積水情況合理布置水泵，盡快完成基坑排水工作，使基坑在汛后可以快速進(jìn)入正常的施工狀態(tài)。

4 過(guò)水圍堰的效果檢驗(yàn)

2017年7月19日，南立河來(lái)水量增大，上游圍堰184.7 m高程平臺(tái)上方加筑的子堤受河水沖刷、下游基坑在上游圍堰子堰沖毀前已完成預(yù)充水形成水墊層，水墊層高程為175 m且與下游圍堰堰頂高程一致，最終子堤左岸被沖垮了一個(gè)缺口，河水從圍堰左側(cè)沖到下游基坑，覆蓋層上的鋼筋石籠局部失穩(wěn)破壞，但圍堰下游右側(cè)的鋼筋石籠完好。此次實(shí)踐顯示，水墊層的設(shè)置使來(lái)水大幅消能，減少了覆蓋層上方的水流流速，對(duì)可能發(fā)生的不良流態(tài)進(jìn)行了改善。同時(shí)，溢流壩留出了一個(gè)寬度為16 m的過(guò)水通道，通過(guò)導(dǎo)流洞與過(guò)水圍堰同時(shí)過(guò)水，減少了汛期過(guò)水壓力，保證了度汛安全，沒(méi)有影響工程進(jìn)度。

5 上游過(guò)水圍堰在南立1項(xiàng)目中的應(yīng)用情況及取得的效果

南立1水電站壩址位于河床束窄處，兩岸山坡陡峭。由于地形的限制，雨季來(lái)水量增大時(shí)導(dǎo)流洞無(wú)法完全將洪水排到下游。采用過(guò)水圍堰與導(dǎo)流隧洞結(jié)合的導(dǎo)流方式，不但使工程在2017年安全度汛，還未對(duì)工程進(jìn)度產(chǎn)生影響。

經(jīng)過(guò)2017年雨季洪峰的考驗(yàn)，上游圍堰除上部加高部分子堰被沖毀外，下部主體部分完好無(wú)損，為汛期后基坑恢復(fù)施工創(chuàng)造了有利的條件，且上游圍堰也無(wú)需再重新填筑，節(jié)約了2017年雨季后圍堰恢復(fù)的費(fèi)用，而且工期得到了提前，使該工程總工期比合同工期提前了5個(gè)月。

6 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，隨著極端氣候的頻繁發(fā)生和山區(qū)河谷中水電站的興建，過(guò)水圍堰與導(dǎo)流隧洞結(jié)合的導(dǎo)流方式由于其安全、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，被國(guó)內(nèi)外大量水電工程所采用，特別是在水利水電樞紐建筑物施工過(guò)程中，在導(dǎo)流洞過(guò)水?dāng)嗝嬉汛_定、汛期導(dǎo)流洞過(guò)水不能完全導(dǎo)流的前提下，采用過(guò)水圍堰度汛是一種非常有效的導(dǎo)流方式。筆者通過(guò)研究南立1工程上游土石過(guò)水圍堰的安全度汛應(yīng)用，為河道流量季節(jié)性變化懸殊的地域采用類似過(guò)水圍堰提供了參考。