紅旗水電站大壩下游沖坑處理設(shè)計(jì)

錢雪晉，周 華，胡 雪

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550002)

1 工程概況及建設(shè)歷程

紅旗水電站工程位于貴州省鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣境內(nèi)，壩址位于長江流域沅江支流潕陽河上游。水庫大壩距鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城12km，距施秉縣城25km，壩址以上集水面積2111km2。工程設(shè)計(jì)以發(fā)電為主，電站總裝機(jī)4×3200kw(擴(kuò)容前)，兼有鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣城防洪保護(hù)功能。工程樞紐由拱壩、壩頂溢洪道、放空底孔、取水隧洞、發(fā)電廠房、升壓站等建筑物組成。水庫工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等。

1981年3月一期工程(壩頂高程513.2m，無閘開敞泄洪，自由跌落消能)機(jī)組試運(yùn)行發(fā)電。1987年9月二期工程(壩頂高程513.5m，溢洪道加閘，跌流消能)完成。2012年，紅旗水電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，擴(kuò)容后電站總裝機(jī)4×4000kW。

2 沖坑地形地質(zhì)條件

大壩下游沖坑河段河谷為侵蝕性“U”形峽谷，河谷寬約40m，受河流轉(zhuǎn)彎影響，上游河谷較寬，逐漸變窄。兩岸山頂高程為：左 675m，右 725m，原始河床高程約463m，相對(duì)高差 212-262m，河流呈“S”形，左岸山體因處于河流轉(zhuǎn)彎處較為單薄。大壩下游沖坑處地層巖性為寒武系上統(tǒng)爐山組中厚層至厚層層狀及塊狀中粒白云巖，巖體表面風(fēng)化后呈暗灰色，巖體隱節(jié)理極發(fā)育。沖坑底部為第四系沖積、洪積砂卵石層，厚約0.5m-2m。

實(shí)測沖坑底部高程447.5m，較原始河床深15.8m，沖坑后緣已至拱冠梁腳，沖坑最深處低于河槽左側(cè)最低(457.00m)建基面9.5m，低于河槽右側(cè)建基面(462.00m)14.5m。

3 沖坑發(fā)展過程

1)1989年6月13日潛水檢查，大壩壩后左側(cè)靠近底孔出口部位洪水沖刷的沖坑順河流方向，最大深度7.5m。

2)1995年7月8日潛水檢查，大壩壩后左側(cè)靠近底孔出口部位洪水沖刷的沖坑順河流方向，最大深度7.9m，最深處距大壩基礎(chǔ)后緣26.4m。

3)1996年6月28日潛水檢查，大壩壩后左側(cè)靠近底孔出口部位洪水沖刷的沖坑順河流方向最大長度20m，最大深度8.5m，最深處距大壩基礎(chǔ)后緣15m。

4)2002年4月19日潛水檢查，大壩壩后左側(cè)靠近底孔出口部位洪水沖刷的沖坑順河流方向最大長度20m，最大深度8.5m，最深處距大壩基礎(chǔ)后緣15m。

圖1 沖坑照片(坑內(nèi)水面高程450m)

圖2 沖坑照片(坑內(nèi)水面高程450m)

5)2008 年，實(shí)測沖坑最低點(diǎn)高程為 449.69m，低于河槽左側(cè)最低建基面(457.00m)7.31m，低于河槽右側(cè)建基面(462.00m)12.3m，距下游壩面 31.7m。

6)2018年初，實(shí)測沖坑最低點(diǎn)高程為 448.09m，較2008年加深了1.6m，較原始河床低15.24m。低于河槽左側(cè)最低建基面(457.00m)8.91m，低于河槽右側(cè)建基面(462.00m)13.9m，距下游壩面約 20.46m。

4 沖坑成因分析

一期工程溢洪道為無閘開敞泄洪，自由跌落消能，因潕陽河汛期來水量很大(設(shè)計(jì)洪峰流量2060m3/s、校核洪峰流量3380m3/s)，下泄洪水對(duì)大壩下游沖刷區(qū)的沖刷、淘蝕作用強(qiáng)烈。加之大壩下游又未設(shè)消能工，強(qiáng)風(fēng)化巖體及弱風(fēng)化中上部巖體抗沖刷能力較差，故沖坑已基本形成[1]。

二期工程溢洪道增設(shè)閘門，采用跌流消能，汛期下泄洪水可通過閘門開度控制，待抬高下游水墊深度后，再加大閘門開度。此外，已形成的沖坑基巖為抗沖刷能力相對(duì)較高的弱風(fēng)化中部白云巖，故沖坑每年下切的深度減小。

2018年底，實(shí)測沖坑底部高程447.5m，較原始河床深15.8m，沖坑后緣已至拱冠梁腳，沖坑最深處低于河槽左側(cè)最低(457.00m)建基面9.5m，低于河槽右側(cè)建基面(462.00m)14.5m。現(xiàn)狀沖坑后坡比>1/3，不滿足規(guī)范要求，沖坑后緣已至拱冠梁腳，滲徑相對(duì)較短，可能導(dǎo)致淺層壩基滲漏問題。

5 護(hù)坦結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)

為避免壩后沖坑危及大壩安全，需使沖坑坡比<1/3，同時(shí)考慮到壩后河床基巖不被進(jìn)一步?jīng)_刷，采用新增護(hù)坦形成水墊塘的方式。首先，下游河床樁號(hào)縱0+010-縱0+040段采用C25混凝土回填至高程452m，縱0+000-縱0+010段回填至高程462-452m，坡比1∶1，傾向下游；然后，在其上部設(shè)置 2m厚的C35HF鋼筋混凝土護(hù)坦，護(hù)坦長40m，底寬5.27-16.46m，兩側(cè)邊墻坡比1∶1，厚度1-5.02m，邊墻頂部高程462m。

沖坑底部已是弱風(fēng)化下部基巖，故護(hù)坦基礎(chǔ)不再開挖，清除沖坑內(nèi)砂礫石及表層松動(dòng)的巖石即可，同時(shí)還需對(duì)巖體表層泥質(zhì)采用高壓水沖洗干凈。基礎(chǔ)處理建議施工順序：沖坑內(nèi)砂礫石、表層松動(dòng)巖體清除，表層泥質(zhì)沖洗—基礎(chǔ)錨桿施工—基礎(chǔ)C25混凝土澆筑—基礎(chǔ)固結(jié)灌漿—護(hù)坦C35混凝土澆筑—鉆設(shè)排水孔。

表層松動(dòng)巖體清除采用人工或機(jī)械方式，不得采用鉆孔爆破。清除后的石渣需運(yùn)至指定場所棄渣，不得隨意堆渣阻礙河道行洪或作為骨料利用。開挖完成后，整個(gè)基礎(chǔ)應(yīng)無向下游傾斜的斜面，清除基礎(chǔ)面松動(dòng)巖塊，并對(duì)基礎(chǔ)出露的光滑面巖層層面進(jìn)行鑿毛。對(duì)基礎(chǔ)的泥質(zhì)需清除干凈，同時(shí)對(duì)于巖石表面的附著物采用鋼絲刷清除干凈，混凝土澆筑前需對(duì)基坑進(jìn)行清洗后排干積水。

回填混凝土基礎(chǔ)錨桿采用直徑25mm鋼筋，根長4.5m，錨桿深入基巖3m，外露1.5m，間、排距2m。錨桿采用手風(fēng)鉆造孔，孔徑42mm，孔深3m。最后采用砂漿泵進(jìn)行注漿，錨桿注漿的水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)≥M20。水泥砂漿配合比，在以下規(guī)定的范圍內(nèi)通過試驗(yàn)選定：水泥：砂=1∶1-1∶2(重量比)；水泥：水=1∶0.40-1∶0.45。

護(hù)坦置于回填混凝土上部，與回填混凝土接觸面設(shè)置插筋，插筋采用直徑25mm鋼筋，根長2m，間、排距2m，插筋伸入護(hù)坦C35HF混凝土1m，并與底板鋼筋焊接。護(hù)坦底板樁號(hào)縱0+000-縱0+010段坡比1∶1，傾向下游，頂部高程462m；樁號(hào)縱0+010-縱0+033段底板高程454m，與前、后段均采用半徑5m的圓弧連接；樁號(hào)縱0+033-縱0+040段設(shè)置尾坎，尾坎坎頂高程457m。兩側(cè)邊墻坡比1∶1，厚度1-5.02m，邊墻頂部高程462m。

為了減小或消除護(hù)坦下的滲透壓力，在底部設(shè)置豎向排水孔。排水孔直徑50mm，深入基巖3m，呈梅花型布置，間排距均為3m。為避免鉆孔時(shí)損壞護(hù)坦內(nèi)部的鋼筋，護(hù)坦混凝土澆筑時(shí)應(yīng)預(yù)先埋設(shè)引管，引管采用直徑25mm的PVC管。

護(hù)坦在樁號(hào)縱0+000.00-縱0+020.00段在底板中間設(shè)置1條縱縫，在縱0+020.00-縱0+040.00段在邊墻與底板之間設(shè)置縱縫，共2條；在樁號(hào)縱0+020.000處設(shè)置1條橫縫，縫迎水面設(shè)置1.5mm的銅片止水。在樁號(hào)縱0+000.000處，即壩基混凝土墊層與護(hù)坦回填C25混凝土之間，設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，縫內(nèi)采用瀝青杉板。

圖3 護(hù)坦縱剖面圖

6 基礎(chǔ)固結(jié)灌漿

大壩下游沖坑邊緣靠近壩體，滲徑相對(duì)較短，可能導(dǎo)致淺層壩基滲漏問題。處理方案為對(duì)護(hù)坦起始段基礎(chǔ)作固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿孔間、排距均為2m，共設(shè)置3排，固結(jié)灌漿孔深10m，呈梅花型布置。

7 底孔沖坑處理設(shè)計(jì)

放空底孔運(yùn)行多年，在右岸山坡(460-464m高程范圍)f12斷層處形成沖坑。處理方案為設(shè)置C25鋼筋混凝土護(hù)坡，護(hù)坡混凝土頂部高程463.5m，厚度1m，沿沖坑的左、右側(cè)及后側(cè)布置。

圖4 廠房水下墻基礎(chǔ)缺陷照片

8 電站廠房水下墻基礎(chǔ)缺陷處理設(shè)計(jì)

電站廠房水下墻混凝土與基巖之間已被沖刷淘蝕形成空隙，空隙沿水下墻長度方向分布，寬1-2m，高0.1-0.2m。處理方案為首先人工開挖水下墻前端擋墻的基礎(chǔ)高程，深度0.5-1m；然后對(duì)新、老混凝土結(jié)合面鑿毛，并澆筑C25鋼筋混凝土擋墻，同時(shí)預(yù)埋回填灌漿管；再對(duì)空隙處進(jìn)行回填灌漿；最后對(duì)水下墻靠山側(cè)少許滲水處的擋墻基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔間、排距均為2m，共設(shè)置2排，固結(jié)灌漿孔深6m，呈梅花型布置。

圖5 電站廠房水下墻橫剖面圖

9 左岸負(fù)地形、空腔及一巖層層面局部空隙的處理設(shè)計(jì)

護(hù)坦樁號(hào)縱0+047.000左岸為f12斷層處，斷層帶約20cm，受斷層的影響，山體下部已形成負(fù)地形及空腔。左岸巖壁沿沖坑向下游一巖層層面有向深部沖刷成空隙的現(xiàn)象，在洪水沖刷不斷作用下，若對(duì)左壩肩抗滑巖體產(chǎn)生破壞將會(huì)影響壩體的整體穩(wěn)定安全。

處理方案為針對(duì)護(hù)坦末端(樁號(hào)縱0+040.000)至廠房水下墻(樁號(hào)縱0+0100.000)段，首先用高壓水沖洗斷層及層面；沖洗干凈后，然后在左岸邊坡設(shè)置C25混凝土擋墻彌補(bǔ)負(fù)地形，擋墻頂寬1-4.36m，坡比1∶0.3-1∶1，高度11.5-6m，擋墻基礎(chǔ)1m深度范圍嵌入基巖，同時(shí)用C25泵送混凝土填滿斷層內(nèi)空腔，擋墻混凝土與斷層內(nèi)空腔回填混凝土同步上升至462m高程，并預(yù)埋回填灌漿管；最后對(duì)層面內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

10 結(jié) 語

大壩下游沖坑處理采用新增護(hù)坦形成水墊塘的方式，增設(shè)護(hù)坦后，大壩沖坑后坡比<1/3，滿足規(guī)范要求。電站廠房水下墻混凝土與基巖之間已被沖刷淘蝕形成空隙，采取增設(shè)鋼筋混凝土擋墻，并對(duì)空隙處進(jìn)行回填灌漿的方式處理。左岸巖壁沿沖坑向下游一巖層層面有向深部沖刷成空隙的現(xiàn)象，對(duì)邊坡采取增設(shè)鋼筋混凝土擋墻，并對(duì)層面內(nèi)進(jìn)行回填灌漿的方式處理。

護(hù)坦建設(shè)完成后，經(jīng)歷了2個(gè)水文年的多次泄洪考驗(yàn)，運(yùn)行性態(tài)良好。滿足功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性要求。

圖6 護(hù)坦建設(shè)完成