江坪河水電站工程特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

殷彥高，王國(guó)輝，李躍鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

1 工程概況

江坪河水電站位于澧水一級(jí)支流溇水上游河段，湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)境內(nèi)，工程以發(fā)電為主，兼顧防洪。水庫(kù)正常蓄水位470.00 m，水庫(kù)總庫(kù)容13.66億m3，具有多年調(diào)節(jié)性能；電站裝機(jī)容量450 MW，多年平均發(fā)電量9.64億kW·h，為一等大(1)型工程。

電站樞紐建筑物主要有大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)。大壩布置于峽谷中部；泄洪建筑物集中布置于右岸，溢洪道為2條平行布置的隧洞泄槽式結(jié)構(gòu)，溢流堰采用開(kāi)敞式，孔口尺寸14 m×22 m(寬×高)；泄洪放空洞平行布置于溢洪道左側(cè)，由進(jìn)水口、有壓洞、弧形閘門(mén)豎井及無(wú)壓洞組成，控制斷面6 m×6 m(寬×高)；泄洪建筑物采用挑流消能。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，采用單機(jī)單洞供水方式，設(shè)2條直徑為6.4 m的引水隧洞；岸坡式地面廠(chǎng)房安裝2臺(tái)混流式機(jī)組，單機(jī)容量225 MW。電站樞紐總體布置見(jiàn)圖1。

2 狹窄河谷高混凝土面板堆石壩變形控制

江坪河壩址河谷呈“V”型，兩岸多為懸崖和陡坡，河谷形狀系數(shù)A/H2(面板面積與壩高平方之比)約1.2，寬高比為1.8，且壩基地層巖性軟弱不均、左右岸分布高程不對(duì)稱(chēng)。具有以下特點(diǎn)：①由于河谷地形狹窄，堆石體變形具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，變形穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，后期變形大；②筑壩材料主要采用屬于超硬巖的冰磧礫巖，在國(guó)內(nèi)外高面板堆石壩工程中，工程實(shí)例、可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多；③冰磧礫巖料場(chǎng)巖體致密、節(jié)理構(gòu)造不發(fā)育，爆破后堆石料粒形不良、級(jí)配不盡合理。

圖1 江坪河水電站樞紐布置示意(單位：m)

2.1 壩體應(yīng)力和變形特性

考慮堆石體運(yùn)行期蓄泄循環(huán)作用下，壩體變形與應(yīng)力的有限元計(jì)算極值見(jiàn)表1，其主要特性：①狹窄河谷地形導(dǎo)致堆石體具有明顯的拱效應(yīng)；②考慮狹窄河谷堆石體與基巖之間的滑移時(shí)，堆石體的最大主應(yīng)力明顯增大，堆石體的變形量也有所增大，面板的應(yīng)力也有增大的趨勢(shì)，更符合大壩的實(shí)際工作性態(tài)；③堆石體的流變導(dǎo)致壩體的變形和應(yīng)力均增加；堆石體流變使得面板呈現(xiàn)進(jìn)一步壓緊的趨勢(shì)，導(dǎo)致面板應(yīng)力也有所增加；④考慮運(yùn)行期水庫(kù)蓄泄循環(huán)荷載作用的流變過(guò)程，壩體的變形與應(yīng)力都有所增大；⑤設(shè)置永久水平縫可以減小面板順坡向壓應(yīng)力，均化面板應(yīng)力分布，設(shè)置水平縫可以改善面板工作性狀；⑥ 壩址區(qū)地形復(fù)雜，如兩岸扭曲的沖溝、陡坎和主河床在壩軸線(xiàn)位置的漏斗狀河谷地形，導(dǎo)致壩體應(yīng)力與變形較為復(fù)雜[1]。

2.2 變形控制措施研究

面板是大壩的主要防滲體，為避免面板脫空、結(jié)構(gòu)性裂縫、垂直縫擠壓破壞等情況，針對(duì)變形特性，為減小大壩變形和不均勻變形，減少壩體沉降[2-3]，主要采取以下措施：

表1 壩體有限元計(jì)算極值

(1)合理選擇壩料。堆石料的選擇是限制過(guò)大變形的主要手段。巖石類(lèi)型是影響總變形量的決定性因素，較堅(jiān)硬的巖石，具有較小的變形，硬巖堆石流變變形速率的減少比軟巖堆石快。江坪河壩料主要采用冰磧礫巖，屬堅(jiān)硬巖石，強(qiáng)度適中，是由占50%～59%碎屑和占41%～50%雜基兩種礦物質(zhì)組成；飽和單軸抗壓強(qiáng)度為41.3～107 MPa，平均值為71.1 MPa，巖石的軟化系數(shù)為0.55～0.78，平均值為0.65。

(2)提高填筑標(biāo)準(zhǔn)。壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)要求，主堆石料和下游堆石料孔隙率采用了比已建200 m級(jí)高面板堆石壩更小的指標(biāo)，即孔隙率小于或等于18.8%，填筑孔隙率在規(guī)范要求的填筑標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提高約10%。

(3)合理壩體分區(qū)。在壩體分區(qū)方面，堆石體采用“均質(zhì)壩”結(jié)構(gòu)，有利于控制壩體變形與不均勻沉降。根據(jù)料源實(shí)際情況，主堆石料和下游堆石區(qū)均為同一種料，即冰磧礫巖，設(shè)計(jì)指標(biāo)和碾壓參數(shù)均相同，并在沖溝和兩岸接頭部位采用過(guò)渡料設(shè)置低壓縮區(qū)。

(4)選擇合適的碾壓機(jī)具及碾壓工藝。通過(guò)多場(chǎng)次爆破碾壓試驗(yàn)研究，對(duì)碾壓機(jī)具、碾壓參數(shù)等提出了比以往面板堆石壩施工更高、更嚴(yán)的要求，首次提出了“32 t振動(dòng)碾、60 cm鋪層厚度、碾壓12遍、灑水15%”的碾壓機(jī)具和填筑碾壓參數(shù)。

(5)減小河谷形狀的不利影響。壩址岸坡陡峻，且為“漏斗狀”地形，為減小壩體拱效應(yīng)、控制壩體不均勻沉降，修整陡坎使趾板下游邊坡成為較平順的連續(xù)面，避免較大的陡坡突變；填筑分區(qū)上使大壩不同部位的變形能平緩過(guò)渡。

(6)大壩填筑上下游均衡上升。在大壩分期施工方面，除了壩內(nèi)臨時(shí)斷面外，采取了均衡上升的填筑方式，盡量使壩體均衡沉降，減少壩體不均勻變形對(duì)周邊縫和面板應(yīng)力、變形等的不利影響。

(7)面板澆筑時(shí)機(jī)與分期。為了減輕后期填筑的堆石體對(duì)先期面板位移的不利影響，面板分三期澆筑；面板澆筑采用雙指標(biāo)控制：一是控制堆石體自沉降時(shí)間不少于6個(gè)月，二是控制下部壩體沉降速率不大于5 mm/月。另外，在面板高程430 m設(shè)置1條永久水平縫以減小面板順坡向壓應(yīng)力，均化面板受力，改善其工作性態(tài)。

3 高水頭大斷面洞室泄洪系統(tǒng)

由于地形條件限制，右岸集中布置了兩孔隧洞式溢洪道和一孔泄洪放空洞，組成大斷面洞室泄洪系統(tǒng)[4]，其布置及運(yùn)行具有以下特點(diǎn)：①?lài)鷰r穩(wěn)定問(wèn)題突出；②工作水頭高、流速大，襯砌結(jié)構(gòu)減蝕、抗沖耐磨要求高；③洞室圍巖差異性較大，襯砌混凝土強(qiáng)度高、且要求全年施工等特點(diǎn)，襯砌混凝土施工溫控要求高。

3.1 地下洞室群圍巖穩(wěn)定問(wèn)題及措施

泄洪建筑物三條洞室布置基本平行，兩條溢洪道開(kāi)挖斷面寬為17 m，洞間巖柱厚18 m；泄洪放空洞無(wú)壓洞段開(kāi)挖斷面寬為7.0 m，與溢洪道洞間巖柱厚僅15.5 m，隧洞間巖柱厚度基本上為一倍洞徑左右，該范圍還布置了多條摻氣洞、交通洞、泄洪放空洞工作閘門(mén)豎井等洞室，地下洞室群布置密集且開(kāi)挖斷面大。上覆山體地形陡峭，側(cè)向埋深小，圍巖體卸荷裂隙發(fā)育。洞室群主要通過(guò)的地層為孔王溪組鈣質(zhì)粉砂巖、板巖、白云質(zhì)灰?guī)r，部分洞段為強(qiáng)風(fēng)化巖層及溶蝕堆積物和垮塌拉裂巖體，圍巖條件相對(duì)較差，近1/3洞段為Ⅲ(2)～Ⅴ類(lèi)圍巖，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題尤為突出。

通過(guò)對(duì)洞室群圍巖穩(wěn)定性、圍巖體主要參數(shù)的敏感性、支護(hù)參數(shù)和開(kāi)挖程序合理性和襯砌結(jié)構(gòu)等方面的研究，采取了以下措施：①選擇合理的開(kāi)挖程序，開(kāi)挖順序?yàn)椋盒购榉趴斩础谝绾榈馈僖绾榈溃蠖撮g撐子面間距40 m以上。洞內(nèi)開(kāi)挖分三層，層厚分別為7、8、3 m；②嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，盡量減少爆破施工對(duì)巖體及相臨洞室的影響；③ 及時(shí)支護(hù)，要求系統(tǒng)支護(hù)滯后于開(kāi)挖工作面不應(yīng)大于40 m；④洞室進(jìn)出口段和Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖洞段，洞室之間巖體采用對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿等加固措施。

3.2 高速水流摻氣減(免)蝕系統(tǒng)

通過(guò)高速水流模型試驗(yàn)研究，采用了系統(tǒng)的摻氣減(免)蝕系統(tǒng)：①沿泄槽間距100～120 m設(shè)置底部摻氣設(shè)施，溢洪道設(shè)置5道，泄洪放空洞設(shè)置3道，各摻氣設(shè)施能形成穩(wěn)定空腔，摻氣效果良好，能有效地?fù)綒獗Ｗo(hù)；②為了保證充分摻氣，除靠近進(jìn)出口的摻氣坎采用洞頂摻氣外，其余各道摻氣坎設(shè)置了相對(duì)獨(dú)立的摻氣洞系統(tǒng)，與洞外連通，從洞外摻氣，溢洪道設(shè)置3道，泄洪放空洞設(shè)置3道，共6道；③溢洪道第一道摻氣設(shè)施下游，由于水流表面摻氣未充分發(fā)展，存在未摻入空氣的楔形清水區(qū)，為了摻氣保護(hù)該范圍側(cè)墻，在溢洪道陡坡段和反弧段各設(shè)置了一道側(cè)摻氣設(shè)施，其結(jié)構(gòu)參數(shù)：坎高為0.3 m，坎坡為1∶48。

3.3 襯砌混凝土溫控措施研究

通過(guò)仿真分析，研究了隧洞襯砌混凝土的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)、不穩(wěn)定溫度場(chǎng)及溫度徐變應(yīng)力、施工期的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及措施、施工參數(shù)的選擇，采用如下控制措施：①?lài)?yán)格溫控標(biāo)準(zhǔn)，控制入倉(cāng)溫度，采取保溫措施。高溫季節(jié)施工時(shí)，襯砌混凝土施工澆筑溫度控制在20 ℃，并通冷卻水冷卻；低溫季節(jié)施工時(shí)澆筑溫度低于18 ℃自然入倉(cāng)，并在施工過(guò)程中采取封閉洞口或者表面保護(hù)措施；②控制澆筑時(shí)段，洞內(nèi)洞口分序施工。為確保施工工期，洞內(nèi)襯砌全年施工；洞口段襯砌冬末春初澆筑，澆筑完拆模后采取表面保溫措施至5月下旬；③選擇合適的結(jié)構(gòu)分縫長(zhǎng)度，控制溫度裂縫，泄洪洞有壓段、無(wú)壓段和溢洪道襯砌結(jié)構(gòu)縫長(zhǎng)度控制分別控制在12、9、27 m，以減少由于鋼筋約束產(chǎn)生的溫度裂縫。

3.4 抗沖耐磨混凝土研究

通過(guò)襯砌抗沖耐磨混凝土配合比及其主要物理、力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能比選研究，采取如下措施：①確定抗沖耐磨混凝土配合比的水灰比為0.35，砂率為40%；②采用高效減水劑和引氣劑，提高混凝土的抗沖耐磨能力，合理地降低水泥用量；③經(jīng)玄武巖纖維、HF抗沖磨劑、硅粉等抗沖磨材料試驗(yàn)比選，確定摻玄武巖纖維，提高混凝土的抗沖耐磨能力。

圖2 江坪河工程河間(灣)地塊示意(單位：m)

4 控制下泄低溫水措施研究

江坪河水庫(kù)為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，下泄水溫一年四季基本保持穩(wěn)定，維持在9.0～11.3 ℃之間；與天然河流水溫相比，冬季水溫有所提高，而春、夏季水溫均低于天然水溫，特別是在夏季7、8月份，分別比天然河流水溫低14.6、15.7 ℃。

為了減少下泄低溫水的不利影響，發(fā)電進(jìn)水口采用分層取水結(jié)構(gòu)[5]，即在常規(guī)進(jìn)水口的前面設(shè)置一道“[”形圍墻，形成一個(gè)大水池式的取水池；在“[”形圍墻上設(shè)置一道或幾道隔水閘門(mén)，用隔水門(mén)擋住水庫(kù)中下層低溫水，水庫(kù)表層水通過(guò)隔水門(mén)頂部孔口進(jìn)入輸水發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行水位變化，調(diào)整相應(yīng)數(shù)量的隔水門(mén)，從而達(dá)到引用水庫(kù)表層水。水庫(kù)在12月、1月～3月的下泄水溫與河床天然水溫相差不大，可滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)的要求，可不采取分層取水措施，而4月～11月則需采取分層取水措施，以滿(mǎn)足魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)繁殖的要求。

5 河間(灣)地塊防滲措施研究

江坪河庫(kù)段內(nèi)河道在平面上呈“S”型展布，壩段內(nèi)河道轉(zhuǎn)向，使右岸形成銳角形狀的河間(灣)地塊。壩基多為薄層、中層、厚層狀灰?guī)r、白云巖，巖溶發(fā)育，巖層傾向上游偏右岸。在壩址與下游河間地塊處發(fā)育的黑洞、白洞泉的連線(xiàn)方向和巖層走向基本一致，見(jiàn)圖2，存在河間(灣)地塊巖溶滲漏問(wèn)題[6]。

通過(guò)水文地質(zhì)勘探和右岸河間地塊水動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)及地下水連通試驗(yàn)等研究，研究表明右岸存在多層含水結(jié)構(gòu)，其中孔王溪地層地下水位高于正常蓄水位470.0 m，龍王廟含水層地下分水嶺不高于350 m，壩址右岸到黑洞泉之間存在一條由斷層導(dǎo)水引起的地下水位低槽帶，庫(kù)水可通過(guò)該低槽帶向河灣下游黑洞泉排泄，形成滲漏通道，且無(wú)隔水地層封閉。

圖3 江坪河工程防滲帷幕展開(kāi)示意(單位：m)

河間(灣)地塊防滲處理采用防滲帷幕灌漿，防滲線(xiàn)路為：右岸穿導(dǎo)流洞、泄洪放空洞后延伸接溢洪道，過(guò)溢洪道接右岸高于470.0 m的地下水水位，再?gòu)目淄跸貙又懈哂?70.0 m地下水位處將防滲線(xiàn)路往上游轉(zhuǎn)彎，垂直巖層走向方向延伸以封閉河邊中厚層灰?guī)r的地下水位低槽，往南西方向防滲帷幕端點(diǎn)按高程170 m控制延伸至龍王廟組與高臺(tái)組分層處。

防滲依托隔水層為粉砂巖、板巖，在溢洪道靠河床側(cè)，防滲帷幕深入隔水地層內(nèi)5 m左右。過(guò)溢洪道后防滲帷幕往南延伸接地下水位，由兩部分組成，上部底板按照孔王溪地層中高于470.0 m地下水位控制，下部按高程170 m控制至龍王廟組與高臺(tái)組分層處，見(jiàn)圖3。

為便于施工，設(shè)置4層帷幕灌漿平洞，每層灌漿平洞控制灌漿深度不大于45 m。防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用壩基及近岸地段q≤1 Lu，遠(yuǎn)岸地段q≤5 Lu。近壩區(qū)布置兩排灌漿孔，遠(yuǎn)壩區(qū)山體內(nèi)布置單排灌漿孔。

6 巖溶管道封堵措施研究

壩址區(qū)喀斯特地層廣布，存在巖溶洞穴37處、泉點(diǎn)25個(gè)，其中對(duì)滲控工程影響最大的為左岸∈厚層灰?guī)r中的F71巖溶管道系統(tǒng)，其滲徑遠(yuǎn)，補(bǔ)給量大，向溇水排泄。

左岸F71巖溶管道系統(tǒng)位于高程392～455 m，寬5～10 m，有水流痕跡。F71巖溶管道系統(tǒng)橫穿左岸防滲帷幕，對(duì)防滲帷幕封閉性影響較大，其封堵處理對(duì)策：

410 m高程以上巖溶寬度大于2 m時(shí)，根據(jù)巖溶形狀，將巖溶壁開(kāi)挖成上游寬下游窄的楔形斷面，至少應(yīng)保證上層帷幕線(xiàn)下游部開(kāi)挖成上游寬下游窄的楔形，在上下游段開(kāi)挖鍵槽。高程410 m以下巖溶變窄，寬度小于2 m時(shí)，巖溶充填密實(shí)，可不清挖巖溶充填物，但上下游豎井應(yīng)開(kāi)挖至巖溶尖滅處，巖溶寬度大于2 m時(shí)，應(yīng)將巖溶充填物清除并將巖面清挖至新鮮面。開(kāi)挖后采用C25微膨脹混凝土對(duì)巖溶管道進(jìn)行回填，其封堵結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

7 趾板基礎(chǔ)順層風(fēng)化巖層滲控設(shè)計(jì)

大壩右岸趾板基礎(chǔ)∈/巖層，順層風(fēng)化嚴(yán)重，允許滲透坡降較低。為滿(mǎn)足趾板基礎(chǔ)穩(wěn)定要求，對(duì)該地層范圍趾板結(jié)構(gòu)及基巖進(jìn)行了加固處理設(shè)計(jì)：趾板最大寬度19 m、厚2.0 m，表面布置1 500 kN預(yù)應(yīng)力錨索，間排距4.0 m×4.8 m，并進(jìn)行趾板基礎(chǔ)加強(qiáng)固結(jié)灌漿，間排距2×2 m，深度穿過(guò)∈/巖層3～5 m。

為增強(qiáng)該巖層帷幕可靠性以及趾板基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定性，增設(shè)4道輔助防滲帷幕；其中主、副帷幕之間設(shè)置的防滲帷幕采用化學(xué)灌漿，輔助防滲帷幕穿過(guò)∈/地層并深入下部∈地層5～10 m。

圖4 左岸F71巖溶管道系統(tǒng)封堵結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

8 結(jié) 語(yǔ)

江坪河面板堆石壩壩高219 m，為世界級(jí)高壩，工程地處狹窄河谷，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，且位于喀斯特地區(qū)；泄洪建筑物均采用隧洞式，開(kāi)挖斷面大、布置集中。針對(duì)工程特點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行系列研究，并采取相應(yīng)的工程處理措施，為保證工程安全提供了技術(shù)支撐。

工程于2019年11月下閘蓄水，目前庫(kù)水位已蓄至高程373 m左右，其主要建筑物安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都在正常范圍內(nèi)。