桂江巴江口水电站二期过水围堰设计

1、桂江巴江口水电站二期过水土石围堰设计周万文（广西水利电力勘测设计研究院广西南宁530023）摘要：本文根据桂江巴江口水电站二期施工导流的实际，大江截流的二期过水土石围堰设计采用了多种技术措施，确保过水土石围堰安全，为同类工程设计提供了可借鉴的经验。关键词：巴江口水电站过水土石围堰设计1.工程概况桂江巴江口水电站是桂江干流综合利用规划（平乐以下河段）6个梯级中的第一个梯级，是一座以发电为主，兼顾航运及其他的综合利用工程。坝址位于桂江中游平乐县巴江村上游1.5km处，坝址以上集雨面积12621km2，多年平均流量417m3/s，多年平均径流量131.5亿m3。水库正常蓄水位97.6m，总库容2.1

2、63亿m3；电站装机容量3×30MW，多年平均发电量427.57GW.h；船闸设计一次通过能力2×100吨，设计年过坝货运量80万吨。枢纽总体布置方案沿坝轴线从左到右的布置依次为：左岸接头重力坝长93m；船闸上闸首长24m；河床式电站厂房长80m；溢流坝长169.4m；右岸接头重力坝长58.6m。枢纽布置沿坝轴线全长425m。溢流坝为混凝土实体重力式，堰型采用WES堰型，堰顶高程81.6m，坝顶高程为104.6m，最大堰高18.6m，最大坝高44.6m。坝址段河道较平直，河谷为宽阔的U型河谷，两岸地形略显不对称，左岸坡度较缓，约为25°30°；右岸的岸坡

3、较陡，约为45°左右。坝址处枯水期河床宽约275m，河床正中有一处宽约4086 m、长约400 m的大沙洲，沙洲枯水期露出水面约3.5 m4.5m，将桂江分隔成左右河道，左河道河床底高程约70.0m，右河道河床底高程约66.5m，主河道在右侧。坝轴线从大沙洲中部通过。工程于2003年8月开工建设，分二期施工，一期施工的左岸3孔溢流坝、厂房、船闸及左岸接头重力坝，利用右侧主河槽导流和通航；二期施工右岸6孔溢流坝及右岸接头重力坝，利用一期建好的三孔溢流坝导流。2005年12月底利用二期围堰挡水，电站第一台机组和船闸投入运行，2006年6月底三台机组全部投入运行。2二期导流标准及导流时段确

4、定2.1导流标准确定巴江口水电站属等工程，临时性建筑物相应定为4级，土石结构的4级临时性导流建筑物设计洪水标准为P5%10%。二期工程只有6孔溢流坝及右岸混凝土接头坝，混凝土总量约10万m3,导流标准采用规范规定的下限，即采用枯水期P10%洪水作为本工程二期施工导流设计洪水标准，相应采用全年P10%洪水作为围堰度汛设计标准。坝址断面各施工时段各频率洪水见表211。表2-1-1 各施工时段各频率洪水流量表流量(m3/s)频率(%)时段 5102050全 年12700109009150652010月次年3月392034402240156010月次年2月2830225017609562.2导流时段确

5、定根据桂江洪水来得早的特点，导流时段的选择比较了两个方案。“方案1”：枯水期10月次年3月P10%的洪水标准，相应洪水流量为3440m3/s；“方案2”：枯水期10月次年2月P10%的洪水标准，相应洪水流量为2250m3/s。经从技术、经济等方面进行综合分析比较后，选择10月次年2月作为二期导流时段。3二期上游过水土石围堰设计3.1围堰型式选择二期上游围堰进行了过水土石围堰和不过水土石围堰两个方案比较。（1）围堰施工及对工期影响：不过水围堰施工简单，围堰本身施工工期相对较短，牵扯的施工资源较少，利于前期集中力量抢二期主体工程施工；过水围堰增加了护面结构，施工相对复杂，围堰本身施工工期相对较长，

6、牵扯的施工资源相对较多，对前期集中力量抢主体工程施工有一定影响。（2）对初期发电和通航的影响：两个方案上游围堰完施工成后，均可以利用二期围堰挡水发电和通航。但不过水围堰汛期围堰被洪水冲毁后难以恢复，初期发电和通航被迫停止，直到二期6孔溢流坝闸门安装调试好后才能恢复通航和发电，需要再次断航和停发电约4个月。而过水围堰汛期仍可以利用围堰挡水发电和通航，二期工程施工期间，对初期发电和通航没有影响。（3）二期基坑施工风险分析：若在二期导流时段内发生超标准洪水，不过水围堰被洪水冲毁后恢复难度大，甚至可能需要进行二次截流；二期基坑恢复施工所需时间长，代价大。而过水围堰洪水退后对围堰进行必要的检查、修补后即

7、可恢复基坑施工，恢复施工较容易，大大降低了二期基坑施工的风险。（4）临时淹没：不过水围堰汛期被洪水冲毁，上游水位雍高降低，基本上不产生临时淹没。（5）综合经济比较两方案经济比较成果见表221。表221 经济比较成果表项目名称过水围堰不过水围堰备 注1、二期围堰土建工程费用（万元）8305502、施工期断航补偿费（万元）300700断航补偿费按100万元/月计算3、临时淹没赔偿费用60004、施工期发电效益（万元）3740840电价按0.22元/kW·h计算从上表比较结果可见，过水围堰比不过水围堰多280万元围堰工程费用，多600万元临时淹没赔偿费用。但过水围堰比不过水围堰减少了断航赔

8、偿费用400万元，增加了初期发电效益2900万元；扣除围堰工程增加投资和可能增加的临时淹没赔偿费用外，过水围堰围堰施工期挡水发电、通航仍可获利约2420万元，经济效益显著。经综合分析比较，二期上游横向围堰型式选择土石过水围堰结构型式。3.2二期上游横向围堰布置二期上游横向围堰按能满足下基坑道路和二期基坑内施工布置的要求进行布置，上游横向围轴线在坝上0104.00m桩号处与上游混凝土纵向围堰相交，交角85°，围堰轴线长度约144.2m。二期围堰布置见图321。图3213.3过水堰顶高程确定根据选定的导流时段和导流标准，二期导流水力计算成果和水工模型试验成果见表331。表331 二期导流

9、水力计算及水工模型试验成果表导流标准二期备 注导流时段重现期(年)流量(m3/s)上游水位(m)下游水位(m)10月至次年2月10225090.7075.02计算成果10月至次年2月10225090.2575.02水工模型试验成果过流方式左3孔溢流坝如果按满足二期围堰导流期间挡水要求确定过水围堰顶高程，二期上游过水土石围堰高度达25m左右，度汛时二期上游过水土石围堰上下游水位差达9m 左右。不但围堰工程量大，且围堰过水保护困难，围堰安全度汛风险很大，施工期临时淹没也较大。在总体导流方案比较时已经考虑到上述各种因素，为配合解决二期施工通航问题，一期工程已建好的船闸上闸首门槛高程从91m降低到87

10、m。因此，二期上游过水土石围堰顶高程，按满足施工期船闸上闸首门槛最低通航水深（1.5m）的要求确定为88.5m，二期导流期间在过水堰顶上加高度为3.5m的自溃式子堰挡水。3.4过水土石围堰结构设计3.4.1围堰断面结构设计二期上游过水土石围堰在截流戗堤的基础上进行闭气防渗处理、加高培厚和加设过水护面结构形成。围堰堰体分成五个区：截流戗堤顶高程76m，顶宽15m，预进占段用土料填筑，龙口段用渣料、块石、钢筋石笼填筑；粘土防渗层位于围堰断面上游侧，用粘土料填筑；反滤层位于上游侧粘土防渗体与下游侧堰体之间，起保护防渗体作用，用砂砾料填筑；石渣料填筑区位于反滤层下游侧，主要是除截流戗堤外的围堰背水面堰

11、体，采用坝基开挖渣料填筑；过水护面层上游堰坡（坡比为1：3）高程85.5m以下横堰与混凝土纵堰接头处30m范围采用钢筋石笼护坡，其余地段采用抛块石护坡；高程85.5m以上的上游堰坡、堰顶及下游堰坡（坡比为1：2）采用厚0.7m混凝土面板护坡，下游坡脚设混凝土镇墩防护。过水土石围堰堰顶高程88.5m，堰顶宽15m，二期导流期间过水围堰顶上设高度为3.5m的自溃式子堰挡水，子堰堰顶高程92m，堰顶宽2.5m。围堰最大断面高度25.5m（其中自溃式子堰高3.5m，过水土石围堰高22m）。围堰断面结构参见图341。图3413.4.2土石围堰过水保护设计中采用的主要技术措施3.4.2.1自溃式子堰在过水

12、堰顶上设堰顶宽2.5m，堰高3.5m，采用粘土麻袋填筑的自溃式子堰挡水。汛期围堰过水后自溃式子堰被洪水冲毁，由过水围堰承担挡水通航和发电的任务。通过采取过水堰顶上加自溃式子堰措施，在满足汛期挡水通航和发电前提下，适当降低二期上游过水土石围堰汛期泄洪时上下游水位差，降低围堰过水保护的难度，减少可能产生的施工临时淹没。3.4.2.2加强围堰与右岸坡接头保护在围堰与右岸坡接头处的保护措施主要有：混凝土面板与岸坡接头处设0.5m深的混凝土齿墙，防止淘涮破坏；（2）右岸坡过水范围内的坡面采用喷锚措施防护，即先布设20短锚杆（长2m），然后挂6钢筋网、喷厚10cm的C20混凝土防护，防护范围为度汛设计标准

13、洪水相应水位加安全超高。（3）在沿围堰轴线长度方向设一道宽8m平台及长20m、坡比为1：10的斜坡段与右岸坡连接（见图342所示），将靠近右岸坡处的堰顶逐步抬高，以减少围堰过水时岸坡流速和冲涮能量，防止围堰接头处岸坡受冲刷破坏。图3423.4.2.3纵、横堰接头处采用土工膜软接头连接过水土石围堰与混凝土纵堰接头为刚柔接合部，由于土石围堰施工时与混凝土纵堰接头处碾压困难，该部位是防渗的薄弱环节。一般可采用的是在混凝土纵堰的接头部设刺墙，插入土石围堰的防渗体中，或者将接头部位防渗体的断面加大，保证有足够的渗径等措施防护。根据本工程的实际情况，在纵、横堰接头处采用土工膜软接头连接，土工膜规格为100

14、g/0.5/100g，埋入围堰防渗体中5m，有2m紧贴在混凝土纵堰上，用螺杆、钢板、螺母固定。通过采取软接头连接，防止过水土石围堰与混凝土纵堰接头处产生渗透破坏。3.4.2.4根据不同流速分布采用不同护面结构（1）上游横堰与混凝土纵堰接头处30m范围内、高程85.5m以下的上游堰坡流速较大，流态混乱，该区域采用尺寸1.2m×1.0m×0.6m（长×宽×厚）钢筋石笼防护。钢筋石笼是一种柔性的护面结构，更能适应不均匀沉陷；由于钢筋石笼的整体重量较大，同时有钢筋笼网的保护，比散体块石具有更好抗冲涮和抗回流淘刷的能力。（2）上游横堰高程85.5m以下的其余地段上

15、游堰坡流速不大，参照国内及我院设计的部分同类工程的成功经验，采用抛块石护坡，抛块石平均厚度0.5m。（3）度汛时过水围堰堰顶最大面流速达7.1m/s；下游坡最大面流速为5.24m/s，最大底流速为10.48m/s；堰脚最大面流速为4.76m/s，最大底流速为7.96m/s。在流速较大的部位，即高程 85.5m以上的上游堰坡、堰顶及下游堰坡采用0.7m厚混凝土面板护面结构。为了防止因沉陷、温度收缩等原因产生裂缝和适应沉降变形，并使混凝土护面结构具有一定柔性，设计将混凝土面板按尺寸为6m×5m×0.7m（长×宽×厚）进行分块，混凝土面板缝间嵌入沥青木板。为了

16、保持面板具有较好的整体性，混凝土面板配置12250的钢筋网。为了加强混凝土面板的整体性和面板之间的相互牵制作用，分缝处的钢筋不切断。为了减少作用于下游堰面混凝土面板的扬压力，下游坡面板上埋设100PVC排水管作为排水孔，孔距2m，呈梅花型布置，PVC排水管的里端用反滤土工织物包裹，起到反滤作用，保护堰体内细颗粒不被带走。3.4.2.5下游堰脚采取防冲措施下游堰脚处设置于基岩上的混凝土镇镦，把水流挑起，避免高速水流直接冲刷堰脚，同时对堰脚进行防护，以防止堰脚产生淘空破坏。3.4.2.6预留充水缺口对基坑进行预充水为了确保围堰安全度汛，分别在混凝土纵堰上下游段设了充水缺口，充水缺口底部高程87.7

17、0m，宽10m，当预报流量超过二期导流标准2250 m3/s时，提前扒开缺口，在围堰开始过水前提前对基坑预充水，使基坑内先形成水垫，避免洪水刚开始漫堰顶时直接冲刷下游堰脚。同时对基坑预充水后，降低围堰开始过水时上下游水位差，降低下游坡面流速，有效改善围堰刚过水时水流流态。3.4.2.7围堰背水面填筑开挖石渣减少混凝土面板变形围堰度汛运行条件复杂，已建的工程中过水土石围堰失事大部分原因是由于不均匀沉陷导致混凝土面板变形，以致开裂折断，导致护面结构破坏。在过水围堰设计时，以满足防渗要求为提前，将截流的堆石戗堤与围堰堰体结合，在背水面采用坝基开挖石渣料填筑，并对填筑石渣料进行分层碾压，尽量减少下游堰坡不均匀沉陷，确保围堰安全度汛。同时也可以充分利用开挖弃