肯斯瓦特水利枢纽工程关键技术问题的探析

张黎明

(新疆兵团勘测规划设计研究院,乌鲁木齐830002)

经过20余年的工程实践与发展,超高级面板堆石坝的设计与施工技术已渐趋成熟,国内已有工程先例,如黄石滩水库面板坝、涧峪水库面板堆石面板坝、公伯峡堆石面板坝等都是建造在工程环境与工程地质条件相对较好的地带[1-2],而在强震地带建成的超高级面板坝不多,在工程地质条件为泥、页岩类软岩情况下建成的面板堆石坝更未见报道。在坝体高度大、处于强震地带且工程环境基础恶劣的条件下,对面板坝的坝体填筑材料和填筑强度及排水技术问题都提出更高的要求[3-5]。

在新疆这种内陆环境与特殊地质条件下超过100m级的面板坝尚不多见。新疆在建的肯斯瓦特砂砾石面板坝由于坝址区位于强震地带、坝基基岩为工程力学性质极差的泥、页岩类软岩,使得该水利枢纽工程具有经典性与特殊性。因此,结合工程实践,本文对肯斯瓦特水利枢纽砂砾石面板坝工程的设计、施工关键技术的探析有一定的实际意义,能为今后类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

肯斯瓦特水利枢纽工程是新疆玛纳斯河流域规划推荐的控制性骨干工程[6-7]。

玛纳斯河发源于天山山脉中段北麓,河流由南向北流入准噶尔盆地内部,属于准噶尔盆地南缘最大的一条内陆性河流。未建肯斯瓦特水利枢纽工程之前,由于玛纳斯河流域上游山区没有控制性水库枢纽,防洪、蓄洪都依靠夹河子水库,不但出现过洪水灾害现象,同时无法解决该流域区域内严重的季节性缺水问题。因此,在玛纳斯河流域上游山区修建肯斯瓦特水利枢纽工程,不仅对整个玛纳斯河流域的防洪减灾和水资源配置将起到重要的作用,同时该水利枢纽还具有防洪、灌溉、发电等综合功能。

肯斯瓦特水利枢纽工程主要由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水系统组成,控制着玛纳斯河92%的水量,水库正常蓄水位990.0m,最大坝高129.4m,总库容1.91亿m3,控制灌溉面积21万hm2,电站装机容量100MW,设计年发电量2.76亿kW·h。

2 肯斯瓦特水利枢纽工程关键技术问题分析

目前,在肯斯瓦特水利枢纽工程的勘察、设计及施工过程中遇到了以下几个关键技术问题:

1)由于坝址区50年超越概率2%的基岩水平峰值加速度为393.5gal,坝址区属于强震活动带区,因此必须采取抗震设计措施。

2)天然砂砾石具有易于开采、易于压实和后期变形小的优点。肯斯瓦特水利枢纽工程坝体砂砾石的填筑总量达710万m3砂砾,但是采用砂砾石作为坝体填料,如果质量控制措施不完善,这种抗冲蚀能力较差的筑坝材料将对坝体的安全构成威胁。因此,砂砾石填料的质量控制技术问题是肯斯瓦特水利枢纽工程关键技术问题之一。

3)坝址区多为泥岩类基岩,新鲜基岩的单轴饱和抗压强度平均值仅为26.9MPa。泥岩属于软弱岩石的一类,其工程力学性能较差,不仅体现在其新鲜基岩强度低,更主要的方面体现为泥岩类岩石在开挖揭露环境中的快速崩解与风化现象。在这种较差的工程地质条件下,如何对泥岩类岩石的工程性能评估以及开挖揭露保护是肯斯瓦特水利枢纽工程施工过程中必须解决的关键技术问题。

2.1 强震坝址区抗震技术问题与抗震措施

肯斯瓦特水利枢纽区位于准噶尔盆地南缘与北天山隆起强烈挤压形成的玛纳斯坳陷带中,坳陷带南北两侧边界构造活动强烈。该枢纽工程坝址区位于强震区,必须充分研究分析其抗震安全性。因此,针对肯斯瓦特面板砂砾石坝体材料,在坝料静、动力特性试验和三维静力分析的基础上,采用三维真非线性有效应力地震反应分析及安全评价方法,对大坝进行了给定地震情况下的地震反应分析和评价。其地震安全评估分析主要针对2种工况进行(表1)。

地震工况1:采用50年超越概率10%的地震动参数,即对应基本烈度,基岩水平峰值加速度为250.5gal。

地震工况2:采用50年超越概率2%的地震动参数,基岩水平峰值加速度为393.5gal。工程场地地震安全性评估及区域构造资料综合分析,坝址区50年超越概率10%的地震基本烈度为Ⅷ度,基岩峰值加速度为250.2gal,属于地震活动较频繁的地区。

表1 场地地震危险性分析的结果Tab.1The results of Seismic risk analysis

肯斯瓦特水库大坝采用混凝土面板砂砾石坝,坝高超过129m,大坝级别提高为1级,并且按照50年超越概率2%的地震动参数控制大坝的抗震安全,相当于按9度设防。为确保大坝抗震安全,必须加强坝体薄弱和敏感区域的抗震措施。

肯斯瓦特水库大坝从断面尺寸、坝料填筑质量要求、分区结构等方面采取了以下抗震措施:

1)坝顶预留1.2m的地震附加沉陷;

2)坝顶宽采用10m,防浪墙高度为3.65m;

3)上游坝坡 1∶1.7,下游坝坡上部 1∶1.7,下部综合坝坡为1∶2;

4)面板厚度 T=0.4+0.0033H,即从0.4m起步,并在中部面板间设5条防止挤压破坏的板缝;

5)坝体内部设L形排水体;

6)提高坝体压实标准;

7)大坝后坡采用混凝土网格梁内填0.4m厚浆砌卵石护坡,并在坝顶以下1/3坝高范围内坝内水平铺设土工格栅增加其整体抗震能力,格栅层距1.2m。

2.2 砂砾石填料的质量控制技术问题

坝体填筑分区从上游至下游分为上游盖重区、上游铺盖区、砼面板、垫层区、砂砾料区、排水料区。在以上各分区填料的选取与设计中,肯斯瓦特水利枢纽工程主要对垫层料、特殊垫层小区料、排水料、坝壳砂砾料的料源选取、制备、填筑标准及指标等多方面进行设计。该工程施工的砂砾料储量丰富,运距近,砂砾料经筛分后基本能满足垫层料的要求,考虑工程投资及施工等方面的因素,本阶段采用天然砂砾料筛分来取得垫层料。勘查的砂砾料料场有C2-1、C2-2和 C3料场。其中 C2-1、C2-2料场位于上坝址玛纳斯河右岸Ⅳ级侵蚀堆积阶地上,地形平坦开阔,C3料场位于清水河子右岸Ⅴ级阶地中,沿国防公路S101线北侧(里程156～161km)呈带状分布。考虑运距、料场储量、料场级配等因素,确定C2-1料场为垫层料的制备料场。

从颗粒级配统计表2与表3,并结合图2分析料区的填料性质。经过计算分析可知,C2-1区上部松散层料源不均匀系数 Cu=69.9,曲率系数 Cc=3.51,为级配连续的卵石混合土层;C2-1区下部胶结层料源不均匀系数 Cu=28.9,曲率系数 Cc=1.95,为级配连续的卵石混合土层,并且下部的填料性质优于上部。

表2 C2-1区上部松散层料源颗粒级配统计Tab.2 The statistical of particle size distribution in the upper of C2-1

表3 C2-1区下部胶结层料源颗粒级配统计Tab.3 The statistical of particle size distribution in the lower part of C2-1

图1 C2-1区下部胶结层料源颗粒级配曲线Fig.1The particle size distribution in the lowerpart of C2-1

大坝填筑料可利用总面积近50万m2,总储量1000万m3以上,其地层结构从上到下依次为0.5 m厚的表层耕作土层、10～13m厚的松散卵砾石层(、最大厚度可达78m的古河槽胶结卵砾石层()。统计分析表明,卵砾石料最大粒径 600 mm,级配连续,且开采方便,储量和质量均满足工程要求。根据颗粒级配关系分析,经筛分并符合要求的垫层料与坝体填筑料之间满足反滤要求,因此取消了过渡层,简化了结构。

考察大坝填筑料是否满足要求除了要分析颗粒级配的优良外,还要对填料进行各种物理力学性质指标测试,综合评价填料的质量。通过对C2-1料场区的填筑料试验分析表明,其各项物理力学性质指标均达到标准,天然密度2.20～2.30g/cm3,天然含水率1.0%～2.1%,干密度2.21～2.29g/cm3,渗透系数5.1×10-3cm/s～2.2×10-2cm/s均满足规范要求。

表4 C2-1区坝壳填筑料试验结果汇总Tab.4 The statistical of filling materials test results in the lower part of C2-1

2.2.3 泥岩类软岩工程性能评价与工程防护措施

肯斯瓦特水利枢纽工程坝址区工程地质条件为白垩系一套湖河相陆源碎屑沉积岩,以泥灰岩、泥质粉砂岩为主。由于此类岩石在工程属性上都属于软岩范畴,单轴饱和抗压强度在30MPa左右(弱风化至新鲜),具有易风化、易崩解、抗冲蚀能力低等特性。

根据勘探平硐观察,完整的新鲜岩石面暴露于空气中不久即出现龟裂、剥落现象,说明失水氧化等因素对岩石强度影响很大。为了进一步确定坝址区基岩的物理力学性质状态,根据岩石分层分组和不同建筑物部位、不同深度分别取样,按自然暴露室外、室内、浸水3种状况分别进行岩石崩解速度的比对,并对2005年、2006年完成平硐进行重新观测,查看平硐内塌落情况,测量平硐宽高的变化,综合分析岩石的崩解特性。岩块样品主要在勘探平硐内撬挖采取,不同方式其崩解性的观察结果如下:

1)直径30cm的岩块完全风化崩解成碎块状在30～60d之间。

2)室内观测的岩块及岩芯样品崩解速度明显减慢,直径30cm左右的岩块90d内未崩解成碎块状,表面出现张开1mm左右的裂纹,呈碎块状掉落。

3)浸水观测的样品累计观测200d未出现任何变化。岩芯从钻进取出,通过不同方式观察其崩解性结果如下:(1)自然暴露条件下崩解速度最快,一般在2h左右开始出现微细裂纹,崩解成碎块状在10～25d之间;(2)室内观测的岩芯样品崩解速度明显减慢,90d内未崩解成碎块状,个别岩芯样品累计观测已达120d,仅在表面出现细裂纹;(3)浸水观测的样品累计观测200d,未出现任何变化。

平硐围岩观测结果如下:对2006年可研阶段的勘探平硐进行复测表明,所有平硐硐口都被崩解岩体封堵掩埋,平硐内岩体有大面积塌落,洞顶及洞壁普遍发育,崩落深度在20～60cm之间,围岩不稳定,经常有小的掉块发生。这表明,勘探平硐在完工后15d左右开始出现掉块现象,洞壁节理形成的光面上开始出现裂隙纹,逐渐张开,最终形成裂隙发生掉块。

根据各种不同工况条件下的统计结果可以看出:在自然暴露条件下崩解速度最快,最终崩解成碎块状,而室内条件下崩解明显减慢,浸水状态岩块不发生崩解。崩解产生的裂纹呈交错碎裂状,且不受层面及结构面控制,随机性发育,裂纹的发育和发展受天气因素(日照、温度、湿度、降雨、风等)影响较大。该组岩体第2层(K1h2)粉砂质页岩有沿层面风化的现象。

基于以上坝址区岩石极差的工程力学性质和极易风化崩解的特性,在施工中要求所有的岩石开挖面都要及时喷混凝土加以封闭保护,以确保建筑物地基和边坡的安全。

3 结语

本文基于肯斯瓦特水利枢纽工程的工程实践,全面总结分析了该水利枢纽工程在勘察、设计及施工过程中所涉及到的关键工程技术问题,主要如下:

1)肯斯瓦特水利枢纽工程由于坝址区位于强震构造地带,强震区必须进行抗震技术措施确保坝体安全,肯斯瓦特水库大坝从断面尺寸、坝料填筑质量要求、分区结构等方面均采取了相应抗震措施,且抗振等级为1级。

2)在设计与施工中采用全断面使用天然砂砾石作为筑坝坝址区填料,使坝址区的砂砾石填料的质量控制技术问题尤为关键。基于试验并结合一定的施工技术处理,使砂砾石填料紧密密度均大于2.0 g/cm3,含泥量小于8%,满足砂砾质量要求。

3)坝址区基岩类型为泥岩类软岩,由于泥岩类软岩强度低,此类岩石开挖揭露极易崩解与快速风化,因此,泥岩类软岩在施工开挖揭露后必须迅速进行针对性的喷混凝土加以封闭保护,确保工程长期安全。

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