高土石过水围堰设计与施工技术研究

　　摘要：滩坑水电站过流围堰在单宽流量、流速、水头以及上游形成库容等指标上均在全国前列，文章通过对滩坑电站过流围堰的初步设计、模型试验、设计调整及施工等进行了初步探讨，在国内同类工程施工中具有一定借鉴意义。
　　关键词：高土石围堰 过流 设计与施工 技术研究
　　中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　1 工程概况
　　滩坑水电站工程位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪上，距青田县城西门约32km。
　　该电站由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、引水系统、发电厂房、地面开关站等建筑物组成。拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程171.0m，最大坝高162.0m，坝顶长507.0m。电站属一等工程，主要建筑物按Ⅰ级建筑物设计。上游围堰堰顶高程选定为56.8m，最大堰高约23.8m，堰顶宽度为8m，围堰基础置于河床覆盖层上。
　　
　　2 围堰设计
　　2.1 围堰设计标准
　　围堰挡水设计标准为枯水期10～4月时段P=10%洪水，相应流量为2420m3/s，导流隧洞导流，相应上游水位55.94 m，下游水位37.57 m。
　　2.2 围堰结构选择
　　2.2.1围堰断面初拟尺寸
　　本工程的围堰为过水围堰，参照类似工程已建工程资料及结合本工程的实际情况，为充分利用当地材料，围堰采用土石围堰，根据《碾压式土石坝设计规范SL274-2001》、《水利水电工程施工导流设计导则DL/T5114-2000》，结合该工程可研阶段模型试验的成果，考虑围堰的挡水水位，安全超高和交通要求，经计算初步拟定的围堰断面尺寸如下：
　　（1）上游围堰。上游围堰堰顶高程选定为56.8m，最大堰高约23.8m，堰顶宽度为8m，围堰基础置于河床覆盖层上，上游初拟边坡为1：2.0，下游边坡为1：3.5，堰体的防渗体系：下部砂砾石覆盖层采用混凝土防渗墙，上部采用土工布防渗心墙，围堰的过水保护体系采用钢筋石笼结合混凝土防护面板护面。
　　（2）下游围堰。下游围堰堰顶高程选定为38.2m，最大堰高约8.2m，堰顶宽度为6m，围堰基础置于河床覆盖层上，考虑到过流要求，上游初拟边坡为1：2.5，下游边坡为1：2.5，下游面设21 m宽的消力防护区，堰体的防渗体系采用混凝土防渗墙，围堰的过水保护体系：上游边坡采用干砌石护面，堰顶及下游边坡采用混凝土面板，消力防护区尾部采用钢筋石笼护面。
　　2.2.2围堰防渗体设计
　　(1)围堰基础防渗体设计。上下游围堰堰基河床覆盖层上部Q4层厚7.0～10.3m，渗透系数K=2.44×10-2～6.8×10-2cm/s，属强透水层，下部Q3层厚7.20～14.05m，渗透系数K=1.23×10-3～1.8×10-3cm/s，为中等透水层，覆盖层下伏基岩大部分以弱风化火山集块岩为主，基岩完整，弱透水。
　　针对堰基地质情况，根据围堰挡水要求及围堰施工特点，上、下游围堰基础截流戗体以下高程（上游围堰为EL37m高程以下，下游围堰为EL36m高程以下）防渗体拟采用塑性混凝土防渗墙结构形式，防渗墙轴线与围堰轴线重叠，墙底嵌入基岩50cm，根据塑性混凝土防渗墙允许的水力梯度结合本工程工作水头，经过水力计算并考虑施工便利，确保防渗体的质量，上、下游围堰的防渗墙体厚度统一按80cm设计。
　　(2)堰体防渗体设计。上游围堰堰体高25.8m，堰顶及下游边坡拟采用混凝土面板保护。经过与粘土心墙等方案比选，上游围堰截流戗体EL37.0m高度以上的堰体防渗采用心墙土工膜防渗，土工膜防渗所承受的最大静水头为21.8m，最大静水压力为0.213Mpa，由于水利工程不定因素较多，为提高土工膜的抗撕裂强度，拟选用夹网聚氯乙烯复合土工膜，根据其所承受的最大静水压力，查国标GB/T17688-1999表10，选用膜厚0.5mm的土工膜，产品名TGWF2000/0.50GB/T17688-1999。土工膜防渗体采用心墙折叠式布置形式，心墙迎水面设置不小于200cm厚的天然砂砾石保护层，背水面设置不小于100cm厚的粒径小于D40（4cm）的土工膜支承骨架砂砾石层和150cm厚的天然砂砾石过渡层。
　　土工膜通过与两岸坡相交线开槽（120cm×140cm深×宽）连接，在槽内浇筑混凝土截水墙并埋设土工膜。土工膜与防渗墙连接。在防渗墙顶混凝土达到一定强度后，进行墙顶混凝土凿除。初拟凿除50cm，凿除到墙身混凝土致密，无浮浆为止，再浇筑80×60盖帽混凝土，土工布折叠埋入盖帽混凝土不少于40cm。
　　为保证堰体填筑的均匀、密实性，减少堰体的沉降变形，围堰填筑必须分层碾压密实，填筑孔隙率不大于22%。
　　下游围堰基础防渗墙顶高程为EL36.0m，堰体顶高程为EL38.2m，高差只有2.2 m，其堰体的防渗体采用混凝土墙形式，把防渗墙体接高，并与堰面过水保护面板连成整体。
　　2.3.3围堰过流保护设计
　　根据招标要求，围堰过水保护设计标准为全年P=5%洪水，相应的洪峰流量为10400m3/s，由导流洞与堰顶联合泄洪，经水力计算，由导流洞分流1912 m3/s，堰顶过流7901 m3/s，上游围堰堰顶长238 m，堰顶单宽流量33.19 m3/s，下游围堰堰顶长197 m，堰顶单宽流量40.10 m3/s。
　　上游围堰堰高25.8m，堰顶单宽流量33.19 m3/s，受围堰后坡面收缩和基岩的共同影响下，下游侧堰面上水流两侧收缩、水流集中，水面曲线准确计算比较困难，根据水力模型实测结果，堰面下游侧的最大流速为18.2 m3/s，堰面过流保护设计要求如下。
　　（1）堰头的构造设计。上游围堰施工期有通车要求，采用折线形的宽顶堰，堰顶宽8m，整个堰头为刚性体，堰头混凝土板厚150cm，底部设置80cm厚的干砌石过渡层，沿围堰轴线方向每10m设置沉陷、温度缝，堰头与下游溢流面板的连接设缝分开，避免互相影响，堰头的上游侧设置齿槽，齿槽深150 cm，以增强堰头的抗滑稳定性，土工布防渗心墙埋入堰头混凝土面板中不少于40cm。
　　（2）溢流面板的构造设计。溢流面板的构造根据以往类似的经验及规范要求设置，溢流面板要求有足够的强度和稳定性，当堆石体或地基发生沉陷时，要求面板能适应变形而不被折断，根据上游围堰设计断面要求，溢流面板的坡比为1：3.5，面板厚度初拟为80cm，采用C15混凝土，为防止沉陷、温度收缩产生裂缝，面板要求分缝、分块浇筑，面板分块要求初步拟定为10×10m，缝隙内嵌入2cm厚沥青木板，板内配置＠250mmφ12钢筋网格的温度筋，板下设置80cm厚干砌石垫层，为保持面板的整体性，分块板之间每边设置5φ16的连接钢筋，为加强面板的稳定性，板底设置间距、排距2m，φ25的拉结筋，锚入堆石体内，拉结筋长6m，埋入端采用0.5×0.5m的混凝土预制块固定，呈梅花型布置，为减少作用于面板的扬压力，面板在浸润线以下（由于堆石体透水性较强，即为下游水位EL37.5m高程以下）设置排水孔，排水孔间距2～3m，呈梅花型布置，孔径8～10cm。
　　（3）围堰下游面EL34m平台以下区域的保护设计。围堰过流后，水流在坡面收缩和基岩的共同影响下，下游侧堰面上水流两侧收缩、水流集中，堰后水流在高程34m平台上形成水跃后，沿平台下泄，在围堰二级坡范围内水流在垂面上向下扩散，流速逐渐减少，流线单一，特别是在下游水位达到一定高程，形成面流消能以后，该区域的近底流速从定性分析判断可能会比较小，建议在下一步的水力模型动床试验中，增加该项目检测内容，测定EL34m平台及以下边坡区域的近底流速及并检查实际冲损情况，根据试验结果再调整该部位的护面设计。
　　
　　在设计工况洪水标准下，下游堰顶水深达9.3m，为淹没出流，堰顶平均流速只有4.3m/s，实测下游堰脚的最大近底流速为2.1m/s，根据以往类似工程经验，堰面过流保护的结构要求确定为：
　　①下游围堰的上游边坡采用80cm厚的干砌石护面；
　　②堰顶和下游边坡采用C15混凝土面板护面，面板厚60cm，堰头采用折线形的宽顶堰，堰头的上游齿槽与防渗墙连接形成下游围堰的防渗体系，堰顶宽6m，沿围堰轴线方向每8m设置沉陷、温度缝，堰头与下游斜坡面板之间的连接设缝分开，避免互相影响，缝隙内嵌入2cm厚沥青木板，板内配置＠250mmφ12钢筋网格的温度筋，分块板之间每边设置5φ16的连接钢筋，为减少作用于面板的扬压力，在下游边坡混凝土面板上设置排水孔，排水孔间距2～3m，呈梅花型布置，孔径8～10cm；
　　③EL35m平台及以下至河床的边坡采用80cm厚的钢丝网石笼护面。
　　2.3 过水围堰水工模型试验
　　2.3.1试验目的
　　模型试验的主要目的是研究导流洞和过水围堰的泄洪能力，测试围堰、大坝过水流速、流态和所有导流建筑物的水流流态，以验证堰体和坝体过流保护措施，优化围堰结构布置，确保围堰和坝体度汛安全。
　　2.3.2试验工况
　　在试验中分别按照围堰下游消流平台高程、过流坝面不同高程、下游围堰不同高程分别按10～4月时段P=10%，全年P=5%，全年P=0.5%，全年P=0.2%设计，全年P=0.1%校核5种洪水工况分6个试验方案进行试验。
　　2.3.3试验结论
　　经过水利模型试验得出：
　　提高上游围堰堰面消能平台的高程能在一定程度上降低上游围堰堰面最大流速；
　　上游围堰两侧加设导墙后，对围堰上游水位、上游围堰堰面最大底部流速影响均不大，但对上游围堰下游面两侧的斜向卷流有较好的改善，并能降低两侧岸坡处的流速，对岸坡防护有利；
　　六个方案中，上游围堰堰前水位均未超过EL60m高程；
　　六个方案中，上游围堰下游侧混凝土护面整体浇筑，再顺水流方向每隔12m设一条纵缝，面板均未出现坍塌等异常现象，上游围堰下游侧护面面板满足稳定安全要求；
　　六个方案中，下游围堰堰面及护面措施均没有出现坍塌、失稳等现象，能满足运行要求，证明设计的护面措施是可靠的；
　　综合考虑，推荐采用方案Ⅳ。
　　2.4围堰堰顶高程确定及结构调整
　　2.4.1围堰堰顶高程确定
　　滩坑水电站与国内已建类似工程相比，本工程上游过水围堰的过水流量、落差、流速等指标均较大，超出了国内已建工程的现有水平，鉴于设计条件下上游围堰已形成近1亿m3的库容，下游沿江村镇较多，并有重要的城镇、铁路和高速公路等，兼顾考虑目前水库移民安置实施情况及进度安排等因素，为降低过水围堰难度及风险，要求在二十年一遇洪水标准下，上游水位控制在EL60.0m以下。同时结合模型试验，改善上游围堰的水力条件，对堰顶高程作出如下调整：
　　上游围堰堰顶高程由EL56.8m降低至EL51.0m，抬高堰后EL34.0m高程平台至EL37.0m高程；下游围堰堰顶高程由EL38.3m抬高至EL38.8m。
　　2.4.2围堰结构调整
　　上游围堰防护面板的分块改为12m宽条状整体连续浇筑，水平向不设结构缝，考虑到水跃区脉动压力较大、面板整体浇筑后受沉降的影响可能会造成面板裂缝等不利因素，板内的钢筋网规格作相应的调整，以上48m高程以下的钢筋网规格调整为φ18@20cm，以上部位调整为φ16@20cm，钢筋网布置于面板中下部，钢筋的接头要求全部采用焊接，保证即使面板开裂后，板内钢筋仍可使面板连接成整体，防止面板局部破损被掀开而造成堰体破坏。面板结构缝之间的连接钢筋规格调整为φ25@150cm。
　　围堰防护面板与岸的接触带要求清挖到弱风化下限基岩面，打设φ25@150cm间距的插筋，插筋插入基岩的长度不小于3m，插筋的另一端与面板内的钢筋网片焊接，由于两岸坡处水流非常复杂，斜向卷流作用对面板破坏性较大，两侧48m高程以下各有3块面板采用双层配筋，配筋网规格为φ18@20cm。
　　面板结构缝之间的连接钢筋规格调整为φ25@150cm。
　　为便于施工，面板与堰体内的拉结钢筋采用水平布置，长度加长到9m，由于水跃区，水流对面板的脉动压力较大，面板稳定性相对较差，48m高程以下的布置间距调整为1.5m梅花型布置，以上区域保持原间距不变。
　　为提高面板下部堰体填筑料压实度，取消面板下部的80cm干砌块石层，改用30cm厚的过渡料（洞渣开挖料）采用斜坡碾碾压密实，坡面上的预埋拉筋考虑先不出头，在端部焊接φ6小钢筋引出坡面，在斜坡碾压密实后，挖出钢筋头，然后接长。
　　上游围堰的下游侧坡面37m平台至47m高程范围内的两岸坡清除表面覆盖层，47m高程以上至堰顶部位清除面板以上7m高度，并开挖平顺，布置2.5m间距的梅花型φ25锚筋，孔深不小于3.5m，浇筑3m高20cm厚贴坡钢筋混凝土，贴坡混凝土以外保护区域，改用挂网喷15cm厚混凝土，钢筋网规格为φ6.5@20cm，保证侧向卷流和水跃区两侧岸坡稳定。
　　为适当提高围堰防护结构的安全余量，在取消下部的干砌块石层后，37m平台的护面混凝土结构厚度调整为1.0m。
　　37m平台以下至趾板区的开挖边坡的80cm钢筋笼护坡结构调整为60cm钢筋笼，面层浇20cm的混凝土，增设孔径100mm，间距2m的排水孔，排水孔的内侧采用土工布碎石包封口（所有的排水孔），防止细砂被水流带走。
　　下游围堰35m平台的钢筋笼护面前5m浇筑20cm厚混凝土，其他结构不作调整。
　　
　　3 围堰施工
　　3.1防渗墙
　　滩坑水电站围堰基础防渗墙分左右岸两期进行施工，先施工左岸（一期）部分，再施工右岸（二期）部分。
　　围堰基础防渗墙在施工时采用了“钻劈法”成槽工艺、塑性混凝土水下成墙技术，在截流前的第一个枯水期成功实施了围堰基础防渗墙水下提前封闭，次年枯水期截流后，河道来水直接从导流洞宣泄，封闭后的防渗墙顶高程高于截流后的上游水位，使得大坝基坑排水、开挖施工及围堰填筑可以同时进行，较好的解决了山区河流来水暴涨暴落对初期度汛带来的高风险度的问题，减轻了围堰及大坝Ⅰ期施工强度，规避了第一个枯水期遭遇超标洪水的风险。
　　3.2堰体填筑及防渗
　　堰体堆石填筑料主要取自趾板开挖料及溢洪道进口开挖料，砂砾石填筑料主要取自基坑开挖的Q4料及河床砂砾料。堆石区铺料层厚120cm，堰心砂砾石料填筑层厚80cm，土工膜保护砂砾石填筑层厚55cm，加水量10～15%，采用25T自行式振动碾碾压8遍，进退错距法碾压，控制振动碾行走速度为1档（1.5～2.0km/h）；施工主要以控制碾压参数为主，挖坑检测为辅，采用挖坑注水法检测干密度。
　　上游围堰河床以上防渗体采用双面复合土工膜，随着堰体填筑层的上升而左右往返铺设，“之”形向上展铺，每层厚1.1m，坡比1：1.6。土工膜焊接采用自动爬行热焊机，温度控制在250～300℃，行走速度控制在1～2m每分钟。
　　3.3围堰混凝土
　　上游围堰EL37m平台及堰顶EL51m平台混凝土工程施工采用普通钢模板立模，堰头混凝土采用订制的弧形木模板立模，采用6m3搅拌车直接入仓或反铲挖掘机配合入仓；斜坡面板混凝土施工采用了无轨滑模工艺，分两期滑至项部，人工压面抹平。混凝土利用6m3搅拌车水平运输，卸入“U”型溜槽入仓。
　　下游围堰混凝土工程采用普通钢模板立模，混凝土卸入“U”型溜槽入仓，人工压面抹平。
　　3.4钢筋石笼护面
　　钢筋笼在现场制作成型，在坡面修整完毕后人工摆放、砌石，上游围堰护坡坡比控制在1：2～1：3，钢筋石笼全部摆放完毕后，最后统一在钢筋石笼顶部绑扎钢筋网，网片与底部钢筋笼骨筋焊接成整体。
　　
　　4 围堰度汛
　　06年1月16日，上游围堰泄流面混凝土全部完成，围堰基本达到度汛面貌要求。06年汛期滩坑电站施工区经历的洪水呈现出频率高、洪峰流量大的特点，围堰也先后经历了“5.18”（珍珠）、“6.1”、“7.14”（碧利斯）、“8.10”（桑美）（最大洪峰流量2696m3/s）等多次大流量洪水的考验。
　　06年10月6日，滩坑水电站大坝坝前部位填至EL56m高程，具备抵御枯水期十年一遇洪水标准的条件。至此，滩坑水电站2006年防洪度汛工作基本结束，也证明了围堰的设结构形式是能够满足度汛要求的。
　　
　　5 结语
　　滩坑水电站高过水土石围堰结构经过初设、模型试验、修改、堰型修改模型试验、再修改等对各种方案的分析、比较及定型后并付诸于实施，最后经实践证明优化后的围堰结构及过流保护设计安全可靠、经济合理，完全能够满足度汛要求。