溪洛渡水电站围堰除险加固设计

溪洛渡水电站围堰除险加固设计

1工程施工量及工程体系西洛渡水库位于四川省雷波县与云南省永善县交界处的江龙渡峡谷。右岸距四川省雷波县约15公里，右岸距云南省永善县约8公里。电站工程枢纽由混凝土双曲拱坝、左右岸地下厂房、泄洪隧洞等建筑物组成,电站装机13860MW,正常蓄水位600.00m,坝顶高程610.00m,双曲拱坝最大坝高278.0m,属一等大(1)型工程。溪洛渡水电站导流工程为三等工程,上、下游围堰为3级建筑物。根据坝址所在河段水文、地质及水工建筑物的特性,溪洛渡水电站采用一次围堰断流、隧洞导流、基坑全年施工的施工导流方案。上游围堰位于大坝上游约285m处,枯水期江面宽90m,水深10～15m。围堰两岸谷坡坡度25°～35°,岸坡大部分基岩裸露,主要为P2β4、P2β5、P2β6层玄武岩和角砾集块熔岩,层内错动带较发育;河床覆盖层厚17～22m,局部可达25m,以粗颗粒为主,结构较复杂,均一性较差。河床覆盖层自下而上大致分为:卵(块)碎石夹砂层、砂卵石夹块碎石层和漂卵(块)碎石夹砂层三大层。2大坝设计2.1大坝结构的比较选择2.1.1综合技术经济的确定溪洛渡导流工程的设计流量为50年一遇洪水流量Q=32000m3/s,这是国内在建的由隧洞过流的最大导流流量,在世界上也名列前茅。在导流工程的规模选择上,除了能安全宣泄这一庞大的导流设计流量外,就是要妥善解决导流隧洞和挡水围堰的结构稳定性及施工可行性。通过与水工枢纽布置的协调,确定了左、右岸各3条导流洞的布置方案,对导流洞的尺寸与上游围堰的高度进行了综合技术经济比较。一般情况下,在断流围堰挡水、隧洞导流的导流方案中,尽量提高围堰的挡水高度、降低隧洞规模应是最经济的。在充分分析国内外高土石围堰设计及施工的基础上(见表1),根据当时国内地基处理技术、大型土石方机械的运用、施工技术及管理水平,通过施工进度的充分论证分析,为确保围堰工程在一个枯水期内能完成施工,认为本工程的围堰高度宜控制在80m以下,因此在选定这一挡水高度下,6条导流洞的断面尺寸为18m×20m(宽×高)后,再确定上游围堰堰顶高程为436.00m,最大堰高78m。2.1.2枯水期内土石类围堰堆筑材料参考国内外特大型水电工程的资料,着重研究了碾压混凝土围堰和土石围堰。由于碾压混凝土围堰,施工工程量大(上游围堰高达96.0m,而且需在一个枯水期内完成土石子堰堆筑7.24万m3、混凝土防渗墙0.34万m2、混凝土围堰的基础开挖33万m3、基础固结灌浆3.4万m和38万m3碾压混凝土浇筑施工)、工序多、技术要求高,一个枯水期内难以完成,因此本工程选择了能充分利用当地材料,结构简单,施工方便,既能适应深厚覆盖层基础,又可使用大型施工设备进行高强度堆筑的土石类围堰。2.1.3围堰结构型式的确定堰体防渗分别比较了心墙、斜墙、斜心墙三种结构型式。从布置和工程量上,心墙和斜心墙方案堰体紧凑,利于导流洞进口布置和堰面保护,工程量要比斜墙类围堰节省。从施工角度分析,斜墙和斜心墙方案防渗墙轴线前移,以便在防渗墙施工期间,其轴线后有足够的场地来进行堰体堆筑,有利于堰体堆筑施工进度及施工强度的均衡。由于本工程填筑量大,涉及的工程项目较多,且要求在一个枯水期完建,因此在结构满足设计要求的前提下应优先考虑采用有利于工期的斜墙或斜心墙结构型式。通过对本工程工期、布置以及经济分析比较,最终选择了斜心墙的围堰结构型式。由于防渗墙上部碎石土斜心墙填筑为围堰工期的控制性环节,且受天气影响较大,为了提高施工工期的保证性,设计中在斜心墙下部增加了水平段,使得斜心墙部分碎石土填筑也可以与防渗墙施工同时进行,从而大大节约了工期。2.1.4防渗墙设计方案由于河床覆盖层结构复杂,均一性较差,渗透性大,堰基防渗需采用垂直防渗截断覆盖层。比较了高喷防渗墙、刚性混凝土防渗墙以及塑性混凝土防渗墙,三者在技术和应用上都比较成熟。虽然高喷防渗墙施工工期快,但其对设备及基础覆盖层的要求都较高。而本工程中的第二、三层河床覆盖层主要是砂卵石夹孤块石层,粒径极不均匀,呈层状分布,架空现象比较明显,孤石粒径一般50～100cm,个别可达300cm,约占10%～20%,为保证防渗墙的防渗质量,确保深基坑的施工进度和安全,放弃了高喷防渗墙方案。由于本工程围堰高达78.00m(挡水水头约100.00m),如采用高模量的刚性混凝土防渗墙,在上部荷载的作用下周围土层的沉降量比防渗墙大得多,使得墙体承受巨大的上部压力和侧面拖曳力,引起墙体接头处产生应力集中以及墙体内部产生较大的压应力而导致墙体破坏,因此本工程防渗墙选用弹模低、适应变形能力大的塑性混凝土防渗墙。通过国内工程实践和大量研究,以及对本工程塑性混凝土防渗墙应力分析计算,表明墙的变形能与周围土体变形协调,上覆荷重基本由墙与周围土体均匀分担,防渗墙的应力状态较好。2.1.5墙结构施工难点本工程对黏土、碎石土、土工膜三种防渗材料进行了比较;黏土施工受气候影响大,施工控制要求高,制约施工工期,且当地黏土储量不充足。经计算,黏土斜心墙方案在施工期和水库水位降落期抗滑安全系数均相对其他防渗材料为小且后项不满足规范要求。与黏土相比,碎石土虽渗透系数略大,但受气候影响相对于黏土较小,施工上升速度较黏土快,坝址区附近有充足的料源,施工技术成熟,工期能满足要求。土工膜施工速度快,在工期上较有优势、投资上也有一定的经济性,但由于施工中容易发生破损,特别是对于高水头防渗中土工膜接头处理具有一定的风险性。因此,设计选择了可以充分利用当地材料,且技术成熟的碎石土防渗材料。2.2坝结构设计2.2.1斜心墙下坡面围堰采用碎石土斜心墙土石围堰,堰前水位434.80m,加上波浪爬高和超高,确定堰顶高程436.00m,最大堰高78m,考虑交通要求,堰顶宽度为12m,堰顶总长300.12m。经边坡稳定计算,上游堰坡坡比定为1∶2.5,下游堰坡坡比定为1∶1.75;为保证斜墙及水平段上覆石渣料的厚度,上游堰坡在高程405m处设宽30m平台;根据下基坑道路的布置及结构需要,下游堰坡在高程402m、379m处分别设10m、2m宽马道;围堰轴线上游17.5m处为截流戗堤轴线。下游堰坡坡脚处高程379m设排水棱体,排水棱体顶宽5m,上、下游坡比1∶1.5。碎石土斜心墙顶部厚4m,高程421m以上为直心墙,以下为斜心墙部分(其中高程378～393m为水平段);碎石土斜心墙上下游均设有反滤层和过渡层,反滤层厚度1m,过渡层厚度不小于2m。直心墙部分上下游坡比均为1∶0.3,斜心墙部分上下游坡比分别为1∶1.75、1∶1.5。围堰典型断面见图1。2.2.2防渗墙体状结构据围堰基础河床覆盖层的颗粒组成初步判断,第二、三层有可能产生管涌破坏,临界比降约为1∶0.2。斜心墙基础覆盖层采用塑性混凝土防渗墙全封闭防渗,防渗墙最大深度55m,采用厚度1.0m。防渗墙底部嵌入基岩1.0m,顶部采用插入式接头,插入心墙5m,接头外侧周边铺设高塑性黏土。根据应力应变计算分析,结合其它工程经验类比,塑性混凝土防渗墙技术指标取:28d强度5MPa,弹性模量小于1500MPa。河床基岩透水性较强,从钻孔压水试验来看,第二、三层间及其以上岩体均大于10Lu,属中等透水;二、三层间以下岩体均小于10Lu,属弱透水。根据河床基岩特性,需对河床基岩进行帷幕灌浆。墙下帷幕采用单排孔,间距1.5m,帷幕深入q=3～10Lu基岩分界线下1m。2.2.30lu堰肩花架围堰堰肩岩体破碎,渗透性较强,为防止堰肩绕渗,在堰肩设有帷幕灌浆。灌浆范围:高程381.0m以上为深入弱风化岩体吕荣值q>30Lu下1.0m。;高程381.0m以下为深入弱风化岩体吕荣值q=10～30Lu下1.0m。堰肩帷幕采用两排灌浆孔,排距2m,靠下游排灌浆孔(加强孔)孔深为靠上游排孔深的1/2,灌浆孔距为2.0m。由于两岸岩体较为破碎,为防止两岸绕渗对岸坡处心墙的冲蚀,保证斜心墙与基础较好接触,沿斜心墙防渗轴线设置混凝土板,混凝土板宽4.0m、厚0.5m,混凝土板与岸坡岩石间需设插筋,盖板周边铺设高塑性黏土。2.2.4大坝主堆块的设计2.2.4.粒径和渗透系数碎石土料中粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%,最大粒径不大于100mm,0.075mm以下的颗粒含量不小于15%;渗透系数不大于1×10-5cm/s;碎石土料的填筑标准按压实度控制为0.98～1.00。2.2.4.密度和不均匀系数反滤料采用人工砂石料调配,要求具有连续的级配;石料饱和抗压强度大于或等于35MPa;D10=0.3～0.6mm、D15=0.45～0.8mm、D30=1.2～2mm、D50=2.5～4mm、D60=5～7mm、D85=10～17mm、Dmax≤40mm;不均匀系数Cu=5～8;小于0.075mm的颗粒含量小于或等于2%;压实后的相对密度不小于0.80;反滤料的渗透系数应大于5×10-3cm/s。2.2.4.mdp的渗透系数上游围堰过渡料应具有良好的级配,最大粒径80～100mm,小于5mm的颗粒含量为30%～50%,小于0.075mm的颗粒含量不超过8%;压实后渗透系数为1×10-3cm/s～1×10-4cm/s。过渡层的填筑标准按孔隙率控制为15%～20%。2.2.4.预处理5g/cm3石渣堆石体要求岩块的湿抗压强度大于40MPa,干容重不小于2.05g/cm3。最大粒径为800mm,小于5mm的颗粒含量不超过20%,小于0.075mm的颗粒含量不超过5%,并具有低压缩性、高抗剪强度。堆石料的填筑标准按孔隙率控制为20%～25%。2.2.4.5.排水沟用作排水棱体的堆石填料粒径为700～1100mm。2.2.4.6.河岸设计的主要尺寸见表22.3计算嵌入结果表明2.3.1渗流量4.7m通过对上游围堰进行渗流分析,围堰最大渗流量8056.7m3/d,渗流量不大。计算结果表明,围堰防渗措施的防渗效果较好,能够保证大坝施工要求及施工期围堰渗流稳定性。2.3.2上游围堰堰坡确定堰坡抗滑稳定分析核算的工况为施工期(包括竣工期)、稳定渗流期、水库水位降落期和稳定渗流遇地震。采用瑞典圆弧法和简化毕肖普方法进行围堰堰坡稳定性分析。各工况上游堰坡的相应安全系数见表3。围堰堰坡容许抗滑稳定安全系数按SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》的规定取值,见表4。由计算成果可见,围堰堰坡安全系数受控于库水位骤降期,其余工况安全系数较大。由于本工程围堰库容较小,而6条大导流洞泄流能力较大,由暴雨形成的洪水暴涨暴落,在长达4年的围堰挡水过程此种工况发生几率较大。2.3.3计算成果表采用有限元方法对围堰堰体及基础防渗墙进行二维应力位移分析,计算成果见表5、表6。计算结果表明,上游围堰堰体最大沉降量为91.9cm,基础混凝土防渗墙最大沉降量为33.0cm,应力应变分析结果表明,围堰是安全的。3大坝施工3.1围堰分区围堰根据上游围堰的结构型式、施工程序及强度等因素,将上游围堰分为A、B、C、D、E、F共6个填筑区。其中,A、B区为水下抛填,C区的水下抛填及D区的填筑与防渗墙施工同时进行,E、F区在墙下帷幕灌浆完成后进行。上游围堰分区见图2,围堰填筑顺序见图3。溪洛渡上游围堰于2007年11月8号截流,11月18号右岸防渗墙平台形成,12月1号右岸防渗墙10台钻机开钻施工,12月6号左岸防渗墙12台钻机开钻,2008年3月24号防渗墙完全封闭,最大孔深55.1m,成墙面积0.42万m2。4月18号墙下帷幕完工;在防渗墙和墙下帷幕完工的同时堰体D区的填筑也完成,并在6月20号之前完成堰体E、F区填筑。全堰月最大填筑强度为22.5万m3。3.2墙下无序灌浆本工程防渗墙成槽施工采用“钻劈法”,槽孔分为一、二期槽,其中一期槽为二主一副,二期槽为三主二副。由于本工程河床地质条件复杂、大孤石含量较多、架空现象严重,为确保防渗墙施工安全和稳定,槽孔划分采用“Ⅰ期小槽、Ⅱ期大槽”的原则,中间深槽部位一期槽长度为4.0m(2×1.0+1×2.0),而两岸孔深较浅的部位一期槽长度为6.0m(3×1.0+2×1.5),;二期槽长度均为6.6m(3×1.0+2×1.8)。实际施工中由于河床孤石含量多,开挖滚石层厚度最大达16m,且直径大、架空严重,施工中漏浆塌孔现象频繁,整个上游围堰防渗墙工程综合平均工效仅为2.08m/台·日。墙下帷幕灌浆采用在墙体内预埋灌浆管法,帷幕灌浆按分序加密的原则进行。施工次序:先导孔(Ⅰ序孔钻孔)、灌浆—Ⅱ序孔钻孔、灌浆—检查孔钻孔、压水试验、灌浆。由两排孔组成的帷幕,先施工下游排,再施工上游排。4渗流量大、渗流大,围堰渗漏量大溪洛渡上游围堰建成后已运行三年,经历了2008年、2009年、2010年三次汛期洪水,最大洪水流量约21000m3/s,相当于5年一遇,堰体未发生渗透破坏,围堰渗漏量低于设计要求,堰体沉降量125.42mm,在设计范围内。5合理分区避免施