龍溪口航電樞紐工程右岸縱向混凝土圍堰設計

李志偉，張毅馳，陳海坤

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

龍溪口航電樞紐工程是岷江下游河段(樂山—宜賓)航電規劃四個航電梯級中的最末一級，其上游為犍為航電樞紐工程，壩址位于樂山市犍為縣新民鎮，距離距樂山市約84 km，距成都約214 km，對外交通十分便利。開發任務為以航運為主，航電結合，兼顧防洪、供水、環保等綜合利用，工程等別為Ⅱ等，工程規模為大(2)型，水庫總庫容約3.24億m3，正常蓄水位317.00 m，船閘和航道等級為Ⅲ級，設計通航船舶噸級為1000 t，電站安裝9臺燈泡貫流式機組，總裝機容量480 MW。建筑物沿壩軸線自左向右依次為左岸擋水壩(24.8 m)、魚道(24.08 m)、廠房(287.20 m)、泄洪閘(470.79 m)、船閘(70 m)、右岸擋水壩(72 m)。樞紐壩頂全長948.87 m，壩頂高程324.50 m。

工程區內河谷兩岸坡屬中低山丘陵寬谷侵蝕地貌，河谷呈不對稱的“U”形寬谷，左岸坡以丘陵地貌為主，山勢低矮，且較平緩，自然坡度4°～21°；右岸坡體是以中低山地貌為主，山勢較為陡峻、雄厚，自然坡度39°～51°。河流較為順直，河床寬約650 m，右岸縱向混凝土圍堰位于右岸主河道內，河床沖積層(Qal)厚1.05 m～3.8 m，砂卵石的透水性良好，屬強透水層，下伏基巖由上游至下游分別為J2s3-3、J2s4-1、J2s4-2、J2s4-3層砂巖和泥巖，并以泥巖為主，多呈薄層狀結構。沖積層(Qal)存在滲透變形等問題，應予以全部開挖清除，將圍堰基礎置于下伏基巖上，表層強風化帶裂隙發育，巖體較破碎，地基允許承載力為0.4 MPa～0.45 MPa，變形模量為0.45 GPa～0.5 GPa，不宜作為混凝土圍堰基礎，將圍堰基礎置于下部較完整的基巖上，弱風化帶巖體較完整，地基允許承載力為1.0 MPa～1.2 MPa，變形模量為2.0 GPa～2.5 GPa，承載力和抗變形性能滿足要求。圍堰基礎地質參數見表1。

表1 右岸縱向混凝土圍堰基礎地質參數

2 導流標準、導流流量及導流方案

龍溪口航電樞紐工程為II等大(2)型，主要建筑物為2級，根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303-2017)，右岸縱向混凝土圍堰為4級，根據施工導流程序，二期枯期為右岸縱向混凝土圍堰運行最不利工況，右岸縱向混凝土圍堰與二期上下游土石圍堰聯合擋水，圍護右岸11孔泄洪閘施工，圍堰單側擋水，導流標準為枯期10年一遇，相應流量為6750 m3/s，上下游段右岸縱向混凝土圍堰最高擋水水位分別為306.24 m、305.33 m。

根據壩址地形條件、水文特點和施工期通航要求，結合樞紐建筑物布置，龍溪口航電樞紐工程采用三期施工導流方案，其中發電廠房和船閘利用全年時段保證連續施工，泄洪閘利用枯期施工，一期(第一年11月～第二年10月)主要進行左岸部分河床疏浚，左岸13孔泄洪閘底板、左右岸縱向混凝土圍堰澆筑，未進行河床截流，保留原河床過流形態；二期(第二年11月～第五年10月)主要進行左岸廠房施工、左岸河床疏浚、右岸11孔泄洪閘和船閘施工，右岸船閘具備通航條件，右岸11孔泄洪閘閘門安裝完成并具備擋水和啟閉條件；三期(第五年11月～第六年5月)主要進行左岸13孔泄洪閘及廠房機電安裝施工，左岸13孔泄洪閘在第六年汛前具備擋水及啟閉條件。

3 右岸縱向混凝土圍堰結構型式設計

3.1 圍堰布置

右岸縱向土混凝土圍堰用于保護船閘和右岸11孔泄洪閘施工，位于24孔泄洪閘第13孔和第14孔之間，右岸縱向土石圍堰長度為267.16 m，包括壩軸線上游段(導0-172.00～導0-004.00)和海漫下游段(導0+255.00～導0+354.16)，中間銜接段為閘室、消力池、海漫段混凝土導墻(壩縱0-004.00～壩縱0+255.00)。為減少水流擾動，右岸縱向混凝土圍堰迎水面坡比為1∶6和1∶4。壩軸線上游段和海漫下游段混凝土圍堰為臨時建筑物，中間銜接段為樞紐永久建筑物，右岸縱向混凝土圍堰平面布置見圖1。

圖1 右岸縱向混凝土圍堰平面布置圖

3.2 圍堰結構型式

右岸縱向混凝土圍堰結構為對稱式倒“T”型，為便于快速施工和節省工程投資，圍堰采用碾壓混凝土結構，上、下游段圍堰擋水期間最高擋水水位分別為306.24 m、305.33 m，考慮風浪雍高和安全超高，上、下游段圍堰堰頂高程分別取308.00 m、307.00 m，為滿足碾壓混凝土機械施工最小寬度要求，堰頂寬度取6.0 m，堰體兩側坡度為1∶0.35，上、下游段圍堰過流面高程分別為298.00 m、296.00 m，基礎為較完整的基巖，上、下游段圍堰基礎開挖至高程296.00 m、293.50 m，兩側趾腳長度為2.0 m。上、下游段圍堰斷面圖見圖2、圖3。

圖2 上游段圍堰斷面圖

圖3 下游段圍堰斷面圖

4 右岸縱向混凝土圍堰穩定計算

4.1 荷載分析

右岸縱向混凝土圍堰為臨時建筑物，圍堰穩定計算主要考慮圍堰自重W自重、堰體上水重W水重、靜水壓力P、滲透壓力U。圍堰結構對稱，因此圍堰穩定計算不考慮完建工況，設計工況為10 a一遇枯期洪水，圍堰單側擋水，上、下游段圍堰擋水水位分別為306.24 m、305.33 m。碾壓混凝土容重取23.5 kN/m3，水容重取9.81 kN/m3，根據地質資料，圍堰基礎坐落于J2S4-1弱風化基巖上，天然密度為26.1 kg/m3，容重取25.6 kN/m3，基礎允許承載力為1.0 MPa～1.2 MPa，混凝土與基巖接觸面抗剪摩擦系數f=0.5；抗剪斷摩擦系數f′=0.55，抗剪斷凝聚力c′=650 kPa。取順水流方向單寬1 m為計算單元，圍堰受力示意圖見圖4、圖5。

圖4 上游段圍堰受力示意圖

圖5 下游段圍堰受力示意圖

4.2 抗滑穩定計算

(1)抗剪強度的計算公式

式中:K為按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；f為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪摩擦系數；∑W為作用在圍堰上所有豎向力的代數和(包括揚壓力)；∑P為作用在圍堰上所有水平力的代數和。

(2)抗剪斷強度的計算公式

式中:K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩定安全系數；f′為堰體混凝土與基巖接觸面的抗剪摩擦系數；A為堰基接觸面截面積。

4.3 堰基應力計算

圍堰結構布置對稱，堰基應力計算公式：

4.4 抗傾覆穩定計算

抗傾覆穩定的計算公式

式中:K0為圍堰抗傾覆穩定安全系數；MV為對圍堰前趾的抗傾覆力矩；MH為對圍堰前趾的傾覆力矩。

4.5 穩定計算結果及分析

(1)控制標準

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303-2017)，混凝土圍堰在設計工況時，迎水面允許有0.15 MPa以下的主拉應力；采用抗剪強度公式計算時安全系數K應不小于1.05；采用抗剪斷公式計算時安全系數K′應不小于3.0。根據《水閘設計規范》(SL 265-2016)，巖基上混凝土圍堰的抗傾覆安全系數不應小于1.50。

(2)穩定計算結果及分析

根據圍堰穩定計算結果，右岸縱向混凝土圍堰二期枯期單側擋水過流時，抗滑穩定、抗傾覆穩定均滿足要求，迎水面未出現拉應力，地基承載力滿足要求。圍堰穩定計算結果見表2。

表2 右岸縱向混凝土圍堰穩定計算結果

5 結語

龍溪口航電樞紐工程于2019年10月正式開始填筑土石圍堰，在土石圍堰保護下，施工右岸縱向混凝土圍堰，到2020年4月完成右岸縱向混凝土圍堰澆筑，并經歷汛期水位考驗，根據圍堰穩定計算成果及運行情況，右岸縱向混凝土圍堰結構型式、斷面尺寸是安全可靠的。