淺談阿根廷Néstor Kirchner水電站基礎(chǔ)加固處理方案比選研究

范明杰

(中國葛洲壩集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100020)

1 工程概況

阿根廷圣克魯斯Néstor Kirchner水電站(以下簡稱NK)位于阿根廷巴塔哥尼亞平原圣克魯斯省中南部的圣克魯斯河上，圣克魯斯河發(fā)源于阿根廷湖東岸，自西向東穿過圣克魯斯省注入大西洋，流域面積29 686 km2。大壩壩址距首都布宜諾斯艾利斯約2 000 km，NK電站的主要任務(wù)是發(fā)電，電站廠房為壩后式，最高運(yùn)行水位176.5 m，最高洪水位為179.3 m，水庫庫容為58億m3，安裝5臺立式混流機(jī)組，總裝機(jī)容量為950 MW，多年平均發(fā)電量約為3167 GW·h。

在NK電站兩岸邊坡開挖的過程中，由于存在一個(gè)前期地勘未發(fā)現(xiàn)的古滑坡體，左、右岸分別發(fā)生了滑坡，新的設(shè)計(jì)變更方案分別在兩岸以壓重回填代替原設(shè)計(jì)方案的開挖，來穩(wěn)固兩岸邊坡，同時(shí)將混凝土重力壩段向河床移動約60m；大壩軸線向上游彎曲，避開兩岸的滑坡體。工程主要建筑物包括面板堆石壩、左岸電站壩段及壩后式廠房、左岸溢流壩段、左岸擋水壩段、魚道、開關(guān)站、工程區(qū)永久交通道路及運(yùn)行村等。

在混凝土重力壩段向河床移動約60 m的方案提出以及新方案的補(bǔ)充地勘實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)混凝土重力壩段下巖層主要以凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等軟巖為主，且在73-75、82-84以及92高程存在近水平的黏性土層、古土壤層等軟弱層，大壩存在抗滑穩(wěn)定不足的問題。溢洪道壩段斷面圖如圖1所示。

圖1 溢洪道壩段斷面圖

國內(nèi)傳統(tǒng)的通過碾壓混凝土增加大壩自重從而增加大壩抗滑穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，存在混凝土方量大、資源投入高且采購施工周期長等問題。為節(jié)省項(xiàng)目工程成本，降低資源投入，同時(shí)保證大壩的安全，項(xiàng)目部及項(xiàng)目參與各方通過一系列的研究與論證，最終決定通過混凝土壩段下的基礎(chǔ)加固來解決承載力和抗滑穩(wěn)定不足的問題。

2 混凝土壩段下地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷寬闊，河床寬約1 300 m，主河道位于右岸，河水高程為117.5，兩岸分布有階地，其中右岸階地較左岸發(fā)育，岸坡坡度亦較左岸稍陡。壩址區(qū)基巖地層為第三系蒙萊昂-圣克魯斯沉積巖，巖性主要由凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r及透鏡狀黑砂巖等組成，各巖性層理交錯(cuò)，具有漸變性。在壩址區(qū)未見基巖地層露頭，被現(xiàn)代沉積層和現(xiàn)代火山噴發(fā)物質(zhì)覆蓋，形成較高的覆蓋層岸坡。自上而下分為：95～100高程的凝灰質(zhì)泥巖；92～94高程約5 cm厚的黏土層；在80～90高程厚度不一的透鏡狀黑砂巖中，存在一個(gè)可變性較強(qiáng)的古土壤層，位于82～84高程；在70～80高程的泥質(zhì)砂巖中，同樣在73～75高程也存在一個(gè)可變性較強(qiáng)的古土壤層；65～70高程被命名為5月25日的地層，為含有牡蠣化石的黑砂巖。混凝土壩段下地質(zhì)情況分布圖如圖2所示。

圖2 混凝土壩段下地質(zhì)情況分布圖

3 基礎(chǔ)加固方案比選方案擬定

3.1 深齒槽方案

深齒槽基礎(chǔ)加固方案將會在靠近圖1齒槽的下游執(zhí)行13個(gè)達(dá)到70高程的探井，將會完全穿過73、84、92高程上的軟弱層。該方案由7個(gè)直徑25 m的圓形和6個(gè)長軸30 m、短軸20 m的橢圓形的探井組成，分為兩期進(jìn)行施工：一期將優(yōu)先施工圓形探井，圓形探井由41根直徑80 cm、間距1.3 m的錨樁組成，輔以15 cm的噴射混凝土和鋼筋混凝土腰梁進(jìn)行支護(hù)，最后是開挖出渣以及大體積混凝土施工；二期的橢圓形探井作為圓形探井的連接部分，施工方式同理。

3.2 中深齒槽方案

中深齒槽加固方案將會從齒槽的87高程向下游進(jìn)行擴(kuò)大開挖，其深度將會達(dá)到81高程，將會穿過84、92高程上的軟弱層，最深處齒槽的寬度為9 m，形成的高邊坡將采用噴錨支護(hù)的方式進(jìn)行加固，以防止邊坡不穩(wěn)帶來的安全隱患。由于圣克魯斯流域地層的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值普遍較大，所以該方案在齒槽下游部位將采用大量的固結(jié)灌漿對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，以防止混凝土壩段開挖時(shí)產(chǎn)生膨脹或隆起。

3.3 地下連續(xù)墻方案

地下連續(xù)墻方案將會在齒槽的下游，溢洪道和進(jìn)水口壩段下布置15道垂直于大壩軸線方向的剪力墻，其中溢洪道壩段下剪力墻長度為100 m，間距15 m，進(jìn)水口壩段下剪力墻長度約為75 m，間距13.5 m。其深度均為28 m，達(dá)到68高程，將會穿過73、84、92高程上的軟弱層。該方案類似于防滲墻的施工方式，首先通過雙輪銑對基巖進(jìn)行成槽開挖，之后進(jìn)行膨潤土泥漿護(hù)壁、鋼筋籠綁扎及吊裝，最后實(shí)施混凝土澆筑。

上述3種方案實(shí)施以前，會在混凝土壩段的周邊實(shí)施防止地下水滲入基坑的塑性防滲墻，以上3種方案均在塑性防滲墻的范圍內(nèi)進(jìn)行施工，無需考慮降水和滲水問題。

4 基礎(chǔ)加固方案比選

4.1 抗滑穩(wěn)定性

由于圣克魯斯巖層組成較為復(fù)雜，且受冰川活動的影響較為明顯，通過常規(guī)的地勘工作無法確定巖層的分布及軟弱層的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)。因此抗滑穩(wěn)定性的比選是按照綜合內(nèi)摩擦角為25°，粘聚力c值為0考慮的。本項(xiàng)目招標(biāo)文件中要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，正常運(yùn)行狀態(tài)下為FS=3.0，設(shè)計(jì)最大地震FS=1.5，而美國陸軍工程兵團(tuán)規(guī)范(USACE)要求的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，正常運(yùn)行狀態(tài)下為FS=2.0，設(shè)計(jì)最大地震為FS=1.1。

從表1中可以看到，深齒槽方案安全系數(shù)最高，地下連續(xù)墻方案安全系數(shù)最低，3種方案均滿足美國陸軍工程兵團(tuán)規(guī)范(USACE)的要求。而按照招標(biāo)文件要求，只有深齒槽方案和地下連續(xù)墻方案滿足要求。

表1 方案對比分析

4.2 施工條件

深齒槽方案的施工主要以探井施工為主，首先是錨樁、腰梁支護(hù)配合機(jī)械進(jìn)行開挖，并通過帶軌道的塔機(jī)進(jìn)行出渣，最后是混凝土澆筑，由于探井的深度超過27 m，存在施工難度大的問題；中深齒槽方案通過機(jī)械進(jìn)行開挖，同時(shí)輔以保證邊坡穩(wěn)定的噴錨支護(hù)，最后是混凝土澆筑，無論是開挖還是支護(hù)，均為常規(guī)的工程技術(shù)，施工難度小；地下連續(xù)墻方案采用類似于傳統(tǒng)防滲墻的方式進(jìn)行施工，包括槽段開挖、泥漿護(hù)壁、鋼筋籠吊裝、混凝土澆筑等工序，鑒于NK壩前的防滲墻已經(jīng)施工，所以在當(dāng)前的地質(zhì)條件下，該種施工方式有成熟的方案和施工經(jīng)驗(yàn)，施工難度較小。以目前現(xiàn)場具備的資源進(jìn)行分析，地下連續(xù)墻方案將會比深齒槽方案節(jié)省工期6個(gè)月以上，比中深齒槽方案多1～2個(gè)月，如果增加相應(yīng)的槽段開挖設(shè)備，基本可與中深齒槽方案的工期持平。

4.3 工程投資

深齒槽方案的投資構(gòu)成主要包含錨樁施工、探井開挖及出渣、噴射混凝土支護(hù)及冠梁腰梁的施工、大體積混凝土的澆筑，經(jīng)估算，直接投資超過3億美金；中深齒槽方案的投資構(gòu)成主要為土方開挖、邊坡支護(hù)、鋼筋混凝土澆筑以及基礎(chǔ)固結(jié)灌漿，經(jīng)綜合測算，直接投資為8 400萬美金；地下連續(xù)墻方案參照大壩上游防滲墻的單價(jià)對投資進(jìn)行估算，直接投資為9 200萬美金。

雖然3種方案在施工和技術(shù)方面均可行，但是深齒槽方案的施工難度、工程量、工期以及工程投資均遠(yuǎn)高于另外2種方案，首先被排除，而中深齒槽和地下連續(xù)墻方案的工程投資分別為8 400萬美金和9 200萬美金，中深齒槽方案相對地下連續(xù)墻方案節(jié)省投資800萬美金，從投資角度分析中深齒槽方案相對更優(yōu)。

5 結(jié)語

雖然中深齒槽的方案從施工和工程投資角度更優(yōu)，且安全系數(shù)也滿足美國陸軍工程兵團(tuán)規(guī)范的要求，但是其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)未滿足招標(biāo)文件的要求，如果采用該方案，則需要向阿根廷政府申請對招標(biāo)文件進(jìn)行變更，面臨的政治和社會風(fēng)險(xiǎn)更大且不可控。地下連續(xù)墻方案無論是安全方面還是施工方面，均滿足項(xiàng)目的各項(xiàng)要求，同時(shí)通過不到10%的追加投資，避免了招標(biāo)文件變更等商務(wù)、法務(wù)方面存在的不可控風(fēng)險(xiǎn)。因此，推薦采用地下連續(xù)墻方案。