黃河海勃灣水利樞紐工程主要技術特點及難點

阮建飛,翟興無,周志博

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 工程概況

黃河海勃灣水利樞紐位于黃河干流內蒙古自治區境內，是《黃河流域防洪規劃》和《“十一五”全國大型水庫規劃》中的黃河干流梯級工程之一，工程任務是防凌、發電等綜合利用。工程左岸為烏蘭布和沙漠，右岸為內蒙古新興工業城市烏海市。壩址上距石嘴山水文站50km，下游87km處為已建的三盛公水利樞紐。

海勃灣水利樞紐總庫容4.87億m3，電站總裝機容量90MW，多年平均發電量3.817億kW·h。工程為Ⅱ等工程，工程規模為大(二)型，樞紐主要建筑物土石壩、泄洪閘、電站等為2級建筑物，其設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為2000年一遇，相應下泄流量分別為6100m3/s和9100m3/s。

2 主要技術特點

2.1 樞紐布置

樞紐壩軸線采用折線形布置，如圖1所示。樞紐建筑物從左至右依次為左岸灘地土石壩、土石壩與泄洪閘連接段、河床左岸16孔泄洪閘、河床右岸電站壩段(4臺機組)、右岸連接壩段，總長6918.7m，其中河床樞紐總長1054.50m。

圖1 樞紐壩軸線平面布置示意圖

樞紐布置型式主要考慮了以下因素：

根據主河槽內地層分布特點：河槽左岸砂礫石層分布較高，右岸由于河道沖刷等影響，形成深厚松散細砂層。將建基高程較高的泄洪閘布置在主河床左岸，將建基高程較低的電站壩段布置在河床右岸，不但可以充分利用地層有利條件，且對外交通及生活區在河床右岸，便于電站的出線和交通布置，運行管理方便。

針對左岸土石壩布置，工程因風積砂的水理性質較差，經水浸泡后，存在滲透穩定及繞壩滲流等問題，并且活動砂丘的不穩定性會對水庫大壩的安全產生不利影響。因此，依據地形地質條件將土石壩分為兩段：其中壩0+493.0m～4+043.3m段將上部風積砂全部挖除，采用“黏土心墻土石壩+混凝土防滲墻”型式；壩4+043.3m～6+864.2m段考慮地面較高，風積砂層較厚，故僅采用混凝土防滲墻防滲措施，平均墻深16.3m。

2.2 壩型選擇

根據壩址區地質概況可知，海勃灣壩址處于中強地震區，地形開闊，壩線長，壩基為巨厚的第四系松散堆積層。從壩址地形地貌和地層巖性等因素判斷，工程區沒有修建重力壩和拱壩地形地貌和地質條件，而適宜修建土石壩。

土石壩壩型選擇主要是針對C點以東的土石壩段進行的。在初步設計階段，對該擋水壩段比較了黏土心墻、黏土斜墻、復合土工膜心墻、復合土工膜斜墻、瀝青混凝土心墻壩等土石壩壩型，壩基防滲措施比較了復合土工膜鋪蓋、水平黏土鋪蓋、高噴防滲墻和垂直防滲墻，在對壩型及壩基防滲分別進行經濟技術比選后，選取以下三種組合方案對壩型進一步比較：①復合土工膜斜墻壩+復合土工膜鋪蓋；②黏土心墻壩+混凝土防滲墻；③黏土斜墻壩+黏土鋪蓋。

選取在2017年2月至次年2月期間收治的2型糖尿病住院病患共10例,按照隨機數字表法均分兩組。對照組中男女比例為29:26;年齡區間處于50-72歲,平均年齡(61.78±2.37)歲;糖尿病病程(3.67±1.21)年。觀察組中男女比例為31:24;年齡區間處于51-73歲,平均年齡(62.04±2.51)歲;糖尿病病程(3.71±1.94)年。兩組均經我院確診為2型糖尿病,需日常注射胰島素治療,剔除臟腑功能障礙及嚴重心血管疾病患者,組間基礎資料無明顯差異(p>0.05)。

最終通過比較認為：從防滲效果分析，垂直防滲墻防滲效果較好；從投資角度分析，方案①的工程投資最小，方案③的工程投資最大；從施工難易程度和施工質量來看，斜墻和水平鋪蓋的施工難度小且施工質量更容易保證；從壩型使用的防滲材料及數量來看，方案②使用防滲土料數量明顯少于方案③，達到防滲目的同時可以節約造價，至于復合土工膜防滲體壩，雖然其投資較少，但與黏土心墻壩相比，二者投資相差不大，且規范規定“3級低壩經過論證可采用土工膜防滲體壩”，而對在2級壩上的使用，需要論證，且要求嚴格，應慎重使用，故不推薦采用。

綜合考慮，確定壩型為黏土心墻壩，壩基防滲措施采用混凝土防滲墻。

2.3 地基處理

海勃灣壩址區地層主要由第四系松散堆積物組成，總厚度大于500m，巖性主要由細砂、壤土、砂壤土、黏土、砂礫石等組成，在8度地震設防烈度下，存在地震液化、壩基滲漏、滲透穩定等問題，根據不同建筑物地基存在的問題，具體措施采用如下：

電站基礎坐落在第Ⅲ地質單元以粉砂和細砂為主的土層上，原狀土體主要存在承載力不足、滲透穩定等問題，另外，對于施工期開挖擾動后土體，其在地震情況下也存在液化問題，綜合考慮造價、地基處理效果、施工工藝等，工程采用振沖碎石樁解決地基承載力不足、擾動土體液化問題，樁距2.0m，樁徑1m，樁長介于10～16m，等邊三角形布置。采用0.6m厚塑性混凝土防滲墻解決滲透穩定問題，防滲墻嵌入下部相對不透水的黏土層不小于1m。

泄洪閘段地基土層以第Ⅱ- 2地質單元砂礫石為主，由于其細顆粒含量較多，初判為可能液化土，需采取相應工程措施予以處理。工程采用振沖碎石樁解決土體液化問題，樁距2.5m，樁徑1m，樁底嵌入Ⅲ地質單元不小于0.5m，等邊三角形布置，采用0.6m厚、40m深塑性混凝土防滲墻解決滲透穩定問題。

土石壩段其持力層范圍內的第Ⅱ- 2地質單元沖積砂性土和壤土，均為液化土，需要采取相應處理措施，以提高抗震性能。根據分析比較，結合開挖，針對液化層深度6m以內的區域，采用強夯進行處理，夯點間距3m，梅花形布置，其他區域采用振沖碎石樁解決土體液化問題，施工階段經優化，局部考慮壓重效應樁長適當減短，樁距3m，樁徑1m，等邊三角形布置。針對滲透穩定及繞壩滲流問題：BC段采用0.4m厚、20～40m深(CD段采用0.3m厚、15m深)塑性混凝土防滲墻。

2.4 建筑方案選擇

海勃灣水利樞紐工程位于烏海市濱河新區，為內蒙古自治區重點工程，工程的建成會使烏海市惡劣的自然環境得到大的改善，可極大地提高烏海市的旅游地位。故業主對工程提出了更高的要求，要把本工程建設成為精品工程，建成標志性建筑物。經過多次外檐方案比選，最終確定“展翅騰飛的天鵝”作為實施方案。在造型設計中，結合輕型屋頂，力求把本工程塑造成即將展翅騰飛的天鵝。在建筑設計中，把烏海市的書法元素融入其中，外墻面采用仿石材鋁板幕墻和玻璃幕墻相結合的形式，鋁板幕墻上開出大小不一的方窗，形成各種巖畫中動物的形狀，并通過燈光處理，玻璃窗及幕墻上映襯出各種文字，主色彩采用紅色、白色和灰色，充分體現了烏海市書法城的特點。

目前，海勃灣水利樞紐工程以其獨特的建筑造型，已經成為烏海市的一張名片。

3 主要技術難點及對策

3.1 多泥沙河流上的徑流電站布置

在充分考慮樞紐壩址處地形條件、水庫運行方式、水沙條件等重要影響因素后，汲取了黃河干流工程成功的樞紐布置和排沙設施運行經驗。提出了右岸電站設一機一孔排沙、左岸低底坎開敞式泄洪閘的布置方案。對于確定的樞紐布置進行了電站排沙孔斷面水工模型試驗和樞紐整體水工模型試驗。模型試驗結果表明，排沙孔體型設計合理，電站的排沙設施可以保證電站“門前清”，泄洪閘排沙作用明顯，按設計要求在汛期適時降低水位排沙既可控制庫區淤積形狀，確保水庫的有效庫容。

3.2 深厚覆蓋層的防滲方案選擇

在初步設計階段，壩基防滲方案比較了水平和垂直防滲兩種方案，本工程地基允許滲透坡降為0.14，經計算分析，采用100m長的黏土鋪蓋(平均厚度2m)和40m深的防滲墻均能滿足允許滲透坡降的要求，通過造價分析表明，水平防滲無論是采用黏土鋪蓋，還是采用混凝土鋪蓋，其單位長度造價均較混凝土防滲墻高，綜合分析，本工程采用混凝土防滲墻方案。

結合結構計算、施工工藝及造價進一步分析，本工程上下游最大水頭差不超過11m，土石壩段最大壩高16.2m，泄洪閘段最大壩高19.8m，電站壩段最大壩高35.2m，經計算，防滲墻承受的總體應力水平不高，采用0.4m(或0.6m)厚剛性混凝土或塑性混凝土防滲墻均可滿足要求，且塑性混凝土防滲墻的應力變形協調性相對更優，同時節約造價，綜合考慮施工孔斜率控制等工藝要求，河床樞紐壩段最終確定采用0.6m厚塑性混凝土防滲墻。

黃河海勃灣水利樞紐壩基覆蓋層深厚，采用混凝土防滲墻截斷壩基滲流符合一般工程處理措施，但由于剛性深而薄的混凝土墻夾在較柔軟的砂性土壩基中，如何考慮接觸面形式及參數，對防滲墻應力及變形會產生較大的影響，本工程在防滲墻結構計算過程中，考慮了防滲墻與壩基土體之間泥皮作用，采用接觸單元，適當減少摩擦系數，得出的防滲墻應力及變形能較好符合其實際運用情況，為防滲墻設計提供了較好的依據。

3.3 砂礫石液化地基的處理及效果評價

海勃灣壩址工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.228g，相應地震基本烈度為8度，在地震荷載作用下，泄洪閘地基Ⅱ- 2地質單元砂礫石存在局部液化可能，為此，設計采用了振沖碎石樁予以處理。但在實際操作過程中，雖經多次咨詢論證，針對地基砂礫石層液化處理仍存在一定爭議。一方面砂礫石液化工程案例并不多見，國內類似可借鑒經驗相對較少，而工程區域砂礫石層厚度普遍較大，最厚處達13m，對于振沖設備及施工工效都是一種考驗，通過振沖碎石樁處理能否達到預期效果有待驗證；另一方面目前對砂礫石液化評價尚無一套成熟的理論體系，剪切波速法、剪應力對比法等一般只適用于液化土體的初判，通常采用相對密度測試法也有局限性，常規鉆孔取樣對樣品擾動較大，而挖探坑進行原位取樣存在排水困難、后期回填處理等一系列問題，給施工檢測帶來諸多不便。因此，如何驗證振沖碎石樁擠密效果，確定砂礫石層施工檢測方法，建立一套符合本工程特點的地基處理評價體系，是本工程需要重點解決的問題。

為此，本工程結合現場試驗，積極探尋本工程區砂礫石層相對密度Dr和動力觸探擊數N63.5之間關系，確定砂礫石相對密度0.75所對應的動力觸探擊數N63.5，為施工生產的檢測提供操作性和可靠的控制標準，并為最終單元工程質量評定提供必要依據。

從整體趨勢來看，通過對砂礫石層動力觸探和相對密度的檢測，顯示了動力觸探擊數增大，相對密度相應提高的對應關系，兩者相關性較好，且可以看出，本工程Ⅱ- 2地質單元砂礫石相對密度Dr=0.75所對應的動力觸探擊數N63.5為30擊。其擬合曲線如圖2所示。

圖2 砂礫石相對密度Dr—動力觸探擊數N63.5關系曲線

3.4 粉細砂地基的消能防沖設計

由于泄洪閘段下游沖刷區地層均由第四系全新統松散堆積物組成，抗沖刷能力差，其不沖刷流速分別為：第Ⅱ- 1地質單元粉細砂為0.4～0.5m/s；第Ⅱ- 2地質單元砂礫石層為0.8～0.9m/s，在較高流速水流作用下會產生沖刷破壞，甚至會造成溯源淘蝕破壞。通過計算并結合模型試驗表明，在各種運行工況下，下游沖刷區域內的流速均超過了允許抗沖流速，局部最大底部流速可達5m/s，會對下游河床造成沖刷破壞，常規運行工況下，最大沖刷坑深度約為9.3m，最不利工況下即校核工況下沖刷坑深度可達到約30m。

防沖措施的選擇需考慮如下幾個因素：

(1)區域內土體抗沖流速低，完全采用水平防護并不能完全解決其下游河床的沖刷。

(2)根據計算，需要的最大海漫長度約為105m，工程量較大，措施選定還需考慮投資及實際效果問題。

(3)在設計和校核工況下，假定計算后的下游河床沖坑深度均較大，前者約為17m，后者約為30m，結合周邊地形分析，實際上此時下游河床水位均已超過了左岸灘地高程，行洪斷面已超出了河床斷面，其單寬流量會進一步減少，實際沖刷坑深度應小于假定計算深度，且上述兩種工況出現概率小，歷時短，采用上述標準控制偏高，故結合有關規范對消能防沖要求，在制定防沖措施時，應以防護常規運行工況為主，而在非常規工況下可允許其產生破壞，但局部可能產生的破壞應不致于對主體建筑物造成較大影響，以達到節省工程投資的目的。

基于上述因素考慮，海勃灣樞紐工程防沖措施選用“水平+垂直”兩種相結合的防護方式：遠離主體建筑物區域采用水平防護措施，即采用具備一定抗沖刷能力且造價相對低廉的漿砌石海漫，在其后布置拋石防沖槽；靠近主體建筑物區域采用垂直防護措施，即在消力池與海漫間的混凝土護坦末端，設置一道“工”字形鋼筋混凝土防沖墻，考慮其后采取了海漫防護措施，即使局部產生破壞也可采取拋石等措施進一步防護，綜合考慮防沖墻深度按常規運行工況控制。

泄洪閘于2013年5月底投入運行，期間海漫局部區域形成了較大的沖坑，但護坦末端由于設置了防沖墻而安然無恙，保證了主體建筑物的安全，由此進一步驗證了防沖墻設置的必要性及可靠性。為保證后期運行安全，后對海漫沖坑采用拋石回填修復加固處理。

4 結語

黃河海勃灣水利樞紐工程是中國實施“西部大開發”戰略重點建設項目之一，也是黃河內蒙古段唯一一座以防凌為主的大型水利樞紐工程。工程自2013年5月底運行以來，主體建筑物總體運行良好，發揮了其防凌效益的同時，還帶來了良好的發電效益，對于改善區域生態環境也起到了非常重要作用。

黃河海勃灣水利樞紐工程涉及專業多、內容廣，在樞紐布置、壩型選擇、地基處理及建筑設計等技術方案選擇上均有其顯著特點，設計過程中，該工程重點解決了多泥沙河流上徑流電站布置、深厚覆蓋層的防滲方案選擇、砂礫石液化地基的處理及效果評價、粉細砂地基消能防沖等問題。針對泄洪閘下游粉細砂地基抗沖刷能力不足等問題，工程采用了“工”字形防沖墻，以策安全。在施工階段，針對防滲墻、碎石樁復合地基的效果評價等還多次組織專家進行現場咨詢，保證了工程建設的順利推進及后期運行安全可靠。