善泥坡高碾壓混凝土拱壩設(shè)計難點與對策

陳毅峰，羅洪波，徐 林，陳 宏，劉 杰

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 況

1.1 工程概況

善泥坡水電站位于貴州省六盤水市水城縣境內(nèi)，是北盤江流域綜合規(guī)劃中的第8個梯級電站。水庫總庫容0.85億m3，正常蓄水位885 m，電站總裝機容量185.5 MW，為三等中型工程。樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄水建筑物、右岸引水系統(tǒng)、右岸地下大廠房及右岸生態(tài)小廠房[1]等組成。

1.2 壩址區(qū)地形地質(zhì)條件

善泥坡水電站壩址區(qū)為典型溶蝕—侵蝕的“U”形河谷地貌，河谷兩岸陡峭；壩址區(qū)河流下切強烈，并伴隨有強烈的溶蝕、崩塌作用[2]。枯期天然河水位800 m，河面寬55 m；左岸810 m高程以下為緩坡，坡度10°左右，以上為高聳的陡壁，陡壁頂高程約1 200 m，相對高差400 m。右岸總體為60°陡坡，960 m高程以上為緩坡，坡度12°～20°。

壩址區(qū)河床及兩岸地層為二疊系下統(tǒng)棲霞組第二段(P1q2)深灰色、灰色厚層灰?guī)r，局部含少量燧石結(jié)核，為強巖溶含水層透水巖組；河床735 m高程以下為棲霞組第一段(P1q1)薄層夾中厚層灰?guī)r、泥炭質(zhì)灰?guī)r夾泥頁巖，為灰?guī)r弱巖溶含水層；建基面以下鉛直深度約58 m處為P1l石英砂巖夾泥頁巖，為厚度穩(wěn)定、隔水性能良好的隔水層。壩址區(qū)裂隙極其發(fā)育，裂隙大多為剪性，長度一般大于5 m，寬0.1～1.5 cm，間距0.5～1 m，連通率40%，充填物主要為方解石，裂面多平直稍粗糙。壩址區(qū)兩岸巖溶發(fā)育，f1斷層影響范圍內(nèi)巖體破碎，左岸上游發(fā)育上泥坡暗河，右岸發(fā)育石米格暗河，均為庫區(qū)與下游連通的大型巖溶通道，其中石米格暗河在大壩防滲帷幕線位置高約15 m，寬約8 m。

1.3 壩址區(qū)總體布置與大壩結(jié)構(gòu)布置

善泥坡水電站壩址區(qū)樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、壩身泄水建筑物、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)及生態(tài)小廠房組成。碾壓混凝土雙曲拱壩壩頂高程888 m，最大壩高110 m，厚高比0.214，壩頂中心弧長204.29 m。泄水建筑物由3個溢流表孔、2個泄洪中孔及下游消能防沖建筑物等組成。

圖1 善泥坡水電站壩址區(qū)樞紐平面布置示意

2 設(shè)計難點與對策

2.1 狹窄河谷高陡壩肩邊坡開挖處理難點與對策

2.1.1設(shè)計難點

水電站工程中高邊坡安全一直是建設(shè)者們關(guān)注的焦點，隨著人們對環(huán)保問題的進一步關(guān)注，對邊坡處理的關(guān)注焦點也從安全問題擴展到與環(huán)境的自然融合，如采用噴射植被混凝土讓邊坡重新恢復(fù)綠色等。善泥坡拱壩壩肩開挖如采用常規(guī)的明挖方案，則左右岸壩頂以上永久開挖邊坡高度將分別達330 m和110 m，不僅高邊坡安全穩(wěn)定問題突出，對生態(tài)環(huán)境的破壞也是極為嚴重。

2.1.2對策措施

善泥坡工程在調(diào)研了大量壩肩窯洞開挖案例的基礎(chǔ)上，首創(chuàng)貼壁式窯洞開挖設(shè)計[3]，實現(xiàn)了對壩肩邊坡的微創(chuàng)開挖，即僅根據(jù)拱壩體型需要開挖所需空間，其后利用拱壩混凝土澆筑，將微創(chuàng)開挖面覆蓋。善泥坡拱壩壩肩窯洞高度、跨度指標(biāo)均創(chuàng)國內(nèi)外之最，其中左岸窯洞壩頂洞深33.30 m，最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窯洞壩頂洞深46.01 m，最大高度達111.60 m，最大跨度23 m，為目前國內(nèi)規(guī)模最大的壩肩窯洞開挖。對于如此大規(guī)模的貼壁式窯洞開挖，在設(shè)計細節(jié)上需要更多的考量。

通過拱壩體型設(shè)計、預(yù)應(yīng)力錨索張拉墩采用內(nèi)凹式設(shè)計、開挖梯段及爆破工藝控制設(shè)計[4]，保障壩肩上下游邊坡大面積曲面、倒懸開挖的高精度及高平整度；通過施工過程中地質(zhì)條件的實時跟蹤，動態(tài)復(fù)核及調(diào)整支護設(shè)計；采用在拱壩壩體與上下游開挖面間設(shè)置彈性墊層的做法，既解決了拱壩壩體自由變形問題，又實現(xiàn)了拱壩壩面模板功能；另外通過在壩頂兩端分別設(shè)置了約15 m的明洞段，對壩肩窯洞頂部高自然邊坡坡面小型飛石形成阻攔，對較大飛石造成的破壞形成減緩。

2.1.3實踐效果

貼壁式窯洞開挖是一套與傳統(tǒng)壩肩開挖理念上有所區(qū)別的技術(shù)，更強調(diào)開挖與壩體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性、施工過程控制的動態(tài)性、設(shè)計細節(jié)的嚴謹性與系統(tǒng)性、施工工藝的精細性與嚴格性。與明挖相比，貼壁式窯洞開挖創(chuàng)面小，最大程度減小對環(huán)境的影響，拱壩建筑物與環(huán)境渾然一體，自然美觀；減少了拱壩壩肩邊坡的開挖高度和范圍，降低工程邊坡的安全風(fēng)險和施工難度，減少了開挖支護量，從而可縮短工期、節(jié)省投資；最大程度的保留了壩肩下游的山體，利于拱壩壩肩穩(wěn)定。該模式在善泥坡工程中得到實踐，為狹窄高陡河谷建設(shè)拱壩及窯洞開挖提供了系統(tǒng)解決方案，在減小拱壩開挖對環(huán)境影響方面實現(xiàn)了技術(shù)突破，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

2.2 巖溶地區(qū)防滲帷幕設(shè)計難點及對策

2.2.1設(shè)計難點

在巖溶地區(qū)修建水工建筑物，壩基及兩岸的防滲帷幕設(shè)計一直是設(shè)計的重點與難點，對于強巖溶透水巖組，一是需要掌握防滲帷幕沿線地質(zhì)條件，建立合理的帷幕灌漿參數(shù)體系；二是克服巖溶地區(qū)型式復(fù)雜多樣的溶洞、暗河。能否制定科學(xué)、合理、有效的防滲方案，在很大程度上直接影響整個工程質(zhì)量。根據(jù)善泥坡防滲帷幕沿線的前期及施工期地質(zhì)條件探測，善泥坡壩址區(qū)位于強巖溶透水巖組，帷幕沿線巖溶發(fā)育，其中大壩防滲帷幕線上高約15 m、寬約8 m、蓄水后最大水頭超過80 m的石米格暗河尤為關(guān)鍵，一旦處理不當(dāng)，將形成貫通上下游的通道，進而進入拱壩壩體及下游的生態(tài)小廠房，從而造成嚴重后果。

2.2.2對策措施

善泥坡拱壩防滲帷幕設(shè)計時針對巖溶地區(qū)的特點主要進行了以下工作：①分析壩址區(qū)的地質(zhì)條件，進行相關(guān)勘探試驗，確定合理的防滲帷幕灌漿范圍；②開展現(xiàn)場灌漿試驗，對灌漿原材料材料、漿液配合比、灌漿方法、灌漿壓力、防滲帷幕底線等進行復(fù)核，以獲取合理的灌漿參數(shù)[5]；③結(jié)合帷幕灌漿先導(dǎo)孔的實施，開展物探CT檢測，復(fù)核并確定帷幕灌漿沿線各主要斷層、層間錯動帶、巖溶洞穴、裂隙密集帶、強透水帶的位置及規(guī)模，為有針對性地指導(dǎo)帷幕灌漿實施提供準(zhǔn)確資料；④對大型巖溶管道系統(tǒng)進行針對性處理方案研究，確保工程安全。

結(jié)合更為深入地質(zhì)探查，沿石米格暗河在右岸中層防滲帷幕軸線上游方向15 m、下游方向5 m范圍內(nèi)，清理暗河充填物及巖石表面鈣化物、鐘乳石等，設(shè)置混凝土堵頭；為防止堵頭混凝土與巖溶管道頂部脫空，對堵頭部位增設(shè)帷幕灌漿加強孔；考慮該暗河水質(zhì)優(yōu)良及封堵后上游較高水頭的特性，在堵頭混凝土底部設(shè)置引水鋼管作為生活生產(chǎn)用水，同時布設(shè)閥門及壓力表，控制流量、監(jiān)測堵頭上游水壓，達到多重利用的效果。另外，在頂層灌漿隧洞增設(shè)平壓孔施工洞，鉆孔穿至石米格暗河堵頭上游，并埋設(shè)鋼管引至庫區(qū)作為平壓用。

2.2.3實踐效果

通過前期初擬、過程復(fù)核、動態(tài)調(diào)整及針對性處理，善泥坡拱壩壩體、壩基整體防滲效果優(yōu)良，達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。監(jiān)測資料顯示，善泥坡拱壩集水井量水堰測值1.632 L/s，測值基本穩(wěn)定。壩基總體滲壓系數(shù)均較低，大部分均在0.15以內(nèi)。大壩防滲帷幕幕后滲壓強度實測值總體較低，均小于0.40。對于石米格地下暗河，壩頂平壓孔在蓄水期間涌出約0.2 MPa的壓力水，表明了該平壓措施的必要性，也進一步證明了采用“堵、排、平壓”處理措施的合理性。

2.3 深窄峽谷區(qū)施工、運行交通布置難點及對策

2.3.1設(shè)計難點

善泥坡壩址區(qū)分布大量的水工建筑物，如碾壓混凝土拱壩、導(dǎo)流洞、上下游圍堰、生態(tài)小廠房、帷幕灌漿隧洞等，而壩址區(qū)河谷深窄，采用明路交通的方案不可行，施工及運行期交通只能在巖溶發(fā)育地層采用隧洞布置方案。這就對壩址區(qū)的交通提出了很高的要求，既需要滿足各建筑物施工期及運行期的交通要求，還需要盡量減少隧洞交通的布置，盡可能地結(jié)合利用，以降低巖溶地區(qū)地下洞室群規(guī)模。

另外，對于碾壓混凝土拱壩而言，交通系統(tǒng)的布置對能否實現(xiàn)大倉面快速碾壓有著較強的約束作用。一套良好的交通系統(tǒng)布置可以為大壩施工及運行提供極大的便利。例如，在施工期，不僅需盡量不影響拱壩的整體施工進度、方便施工，還需滿足大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿、排水、壩體接縫灌漿、大壩觀測及壩上引水泄洪建筑物啟閉設(shè)備的運輸、安裝、調(diào)試等要求；在運行期，需滿足大壩、引水、泄水等各建筑物及機電設(shè)備管理維護的人性化通道要求。

2.3.2對策措施

善泥坡壩區(qū)樞紐交通構(gòu)建了“壩頂高程水平循環(huán)+中部高程水平循環(huán)+壩后豎向連接”的總體布置格局，形成了多通道的交通安全保障系統(tǒng)，具體為①結(jié)合壩肩窯洞開挖特點，在壩頂兩岸分別布置壩頂交通洞，并通過索橋連接，形成循環(huán)式壩頂交通，同時也為兩岸的壩肩開挖、壩體混凝土澆筑及兩岸高高程防滲帷幕灌漿施工提供了通道。②在左岸中部830 m高程設(shè)置施工支洞，用于左岸防滲帷幕灌漿施工；右岸則充分結(jié)合導(dǎo)流洞施工、上游圍堰施工、生態(tài)小廠房施工及運行交通、右岸中層帷幕灌漿施工，布置以導(dǎo)流洞施工支洞為主線、以各施工運行交通需求為支線的地下交通洞室群；兩岸中部高程施工及運行交通通道由布設(shè)于大壩下游約300 m的交通橋連接，形成循環(huán)式中部高程施工及運行交通通道。③施工期利用開挖渣料鋪筑臨時施工道路，作為大壩底高程開挖及混凝土澆筑入倉通道，為大壩下部高程的快速施工創(chuàng)造了條件。④壩體交通盡量布置在壩后，在被泄洪系統(tǒng)占據(jù)大量空間的條件下，形成了以“高高程壩后電梯井+低高程結(jié)合中孔出口下部支撐結(jié)構(gòu)”的壩后交通豎井為豎向交通；以與壩體碾壓混凝土同步上升的壩后預(yù)制交通平臺及壩內(nèi)廊道為水平交通的立體空間交通系統(tǒng)。

2.3.3實踐效果

該套交通系統(tǒng)布置在地形空間極其狹窄的條件下，巧妙地利用了各建筑物的相關(guān)關(guān)系，既能適應(yīng)碾壓混凝土壩快速施工、通行便利，又是壩區(qū)、壩體多通道運行的安全保障。

2.4 深窄峽谷泄洪及防裂設(shè)計難點及對策

2.4.1設(shè)計難點

善泥坡水電站工程具有洪水峰高量大、河谷深窄的特點，泄洪建筑物布置及下游消能難度大。壩址河段為“U”形峽谷河段，河谷寬度僅約60 m，泄洪建筑物需滿足宣泄1 000年一遇洪水的要求，最大下泄量達6 294 m3/s，為國內(nèi)外碾壓混凝土拱壩泄洪規(guī)模之最。大規(guī)模的泄水結(jié)構(gòu)不僅對拱壩壩體結(jié)構(gòu)整體性形成較大削弱，對下游狹窄的河床消能能力提出了很高的要求，還產(chǎn)生了泄水結(jié)構(gòu)高強度常態(tài)混凝土與拱壩壩體碾壓混凝土溫度應(yīng)力的協(xié)調(diào)問題，加之兩岸壩肩高陡邊坡引起的基礎(chǔ)強約束等影響，給善泥坡碾壓混凝土拱壩防裂設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)，一旦處理不慎，將產(chǎn)生壩體貫穿性裂縫，形成拱壩運行的安全隱患。

2.4.2對策措施

針對大規(guī)模泄水結(jié)構(gòu)對壩體的削弱溢流表孔及中孔均布置在拱壩壩身。溢流表孔采用潛孔的形式，頂部保留一定厚度的拱圈，使大壩不致由于開敞式溢流表孔對大壩的應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。消能措施采取“落點錯開、縱橫分散、水墊防護”的設(shè)計理念，3個表孔采用錐形體消能工形成分層擴散水流，中孔采用窄縫消能工形成縱向拉伸水舌，在橫向和縱向分散和耗散下泄水流的能量，同時利用河床狹窄特點形成不小于20 m的消能水墊，減小了下泄水流對下游河道的沖刷。

為了防止壩體無序裂縫的產(chǎn)生，考慮到善泥坡兩壩肩基礎(chǔ)較陡，河床基礎(chǔ)面積較大，基礎(chǔ)約束較強，結(jié)合三維有限元數(shù)值模擬，形成了“4條誘導(dǎo)縫+1條中斷誘導(dǎo)縫+壩踵周邊短縫”的分縫布置格局。在壩體上布置4條誘導(dǎo)縫解決基礎(chǔ)強約束問題及釋放施工期溫度應(yīng)力；在拱壩中心剖面布置一條中斷誘導(dǎo)縫解決中部泄洪壩段基礎(chǔ)強約束區(qū)長度過長問題，為防止中斷縫進一步向上擴展，影響泄洪系統(tǒng)的完整性，在中斷縫頂高程設(shè)置并縫措施；同時為了進一步釋放溫度應(yīng)力及改善局部水壓傳力方向，在大壩拱端上游面壩踵部位設(shè)置了適應(yīng)碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)的周邊短縫。

2.4.3實踐效果

善泥坡水電站建成5年以來，經(jīng)歷了多次泄洪運行及檢查，結(jié)果表明該泄洪系統(tǒng)運行良好，消能工未出現(xiàn)破損，下游兩岸岸坡穩(wěn)定，消能區(qū)水墊合適。說明善泥坡水電站泄洪消能建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、經(jīng)濟、可靠，適應(yīng)了深窄峽谷地區(qū)的碾壓混凝土拱壩大泄量泄洪消能特點。拱壩壩身未出現(xiàn)貫穿性裂縫，各結(jié)構(gòu)縫縫面變形穩(wěn)定，較好地實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)縫防裂目標(biāo)。

3 結(jié) 語

善泥坡水電站于2014年建成并投產(chǎn)發(fā)電，距今已有5年多，經(jīng)5年多的實際運行及監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，各建筑物運行均正常。工程建設(shè)秉承因地制宜、生態(tài)環(huán)保、安全可靠、動態(tài)控制、積極應(yīng)用新技術(shù)的工程設(shè)計與服務(wù)理念，善泥坡水電站的建設(shè)攻克了多項技術(shù)難題。碾壓混凝土拱壩采用大規(guī)模窯洞式開挖技術(shù)，克服了壩肩高陡自然邊坡開挖難題，且首次采用大規(guī)模貼壁式窯洞設(shè)計，實現(xiàn)了拱壩建成后無壩肩人工開挖永久邊坡的先例；采用立體式消能工實現(xiàn)了世界最大規(guī)模的碾壓混凝土拱壩壩身泄洪量；采用了“封堵+平壓”理念成功解決了防滲帷幕沿線大型巖溶管道的處理難題；在狹窄的空間里建立了一套既適應(yīng)碾壓混凝土快速施工、通行便利，又具有多通道安全保障的交通系統(tǒng)；通過合理的分縫防裂結(jié)構(gòu)設(shè)計防止了壩體無序裂縫的發(fā)生；另外還積極應(yīng)用各項先進技術(shù)，如采用三維協(xié)同設(shè)計、三維有限元全過程仿真模擬技術(shù)、壩基物探檢測等技術(shù)，為設(shè)計質(zhì)量提高和設(shè)計優(yōu)化提供技術(shù)支持。