马岩洞水电站二期施工围堰方案优化设计

许晓忠

（中国水利水电建设工程咨询西北公司，青海 西宁 710065）

1 工程概况

马岩洞水电站位于重庆市彭水县境内郁江中游河段。工程枢纽主要由碾压混凝土重力坝、泄水建筑物、左岸引水系统及地面下房等建筑物组成，最大坝高70.00 m，其中坝顶高程355.0 m,坝基高程285.0 m,坝顶全长155.08 m，坝顶宽度8.0 m，最大坝底宽54.22 m，水库正常蓄水位350.00 m，总库容0.296亿m3，电站总装机容量66 MW，多年平均发电量2.56亿kW·h。

2 水文及地质条件

郁江流域属亚热带季风气候区，河流的洪水特性与暴雨特性、流域的自然条件密切相关。每年4—10月为汛期，雨量充沛，从历年特大暴雨来看，3 d暴雨量又集中在1 d，因此流域内洪峰主要是由1 d暴雨形成，一次洪水过程的洪量主要集中在3 d内。

坝址河谷为走向谷，左岸为逆向坡，平均坡角为44°，右岸为顺向坡，平均坡角为44°坝址河面高程304 m左右，河面宽50～58 m。

3 工程建设施工导流程序

该工程大坝主体项目于2004年12月进行施工，根据合同文件总工期为29个月，工程计划在2007年4月水库开始蓄水，5月底实现第一台机组发电。

根据业主的要求，为了降低工程施工导流的工程投资，业主在招标中取消了设计单位在可行性研究报告所提出的右岸布置导流洞、河床断流的施工导流方案，这样大坝主体工程施工建设只能采用分期导流、分期施工。结合坝址由于受到流域自然条件、洪水水位变化很大的特性及工程工期的限制，一期导流采用在“一枯”时段内在右岸坝身段布置临时导流底孔的设计施工方案，为了保证导流底孔上游段的正常引水、过水，也为了防止底孔过流后的回水，同时考虑“二枯”时段二期导流施工，因此在一期导流中采用临时导流底孔上下游分别布置纵向围堰的设计方案。主体工程的建设共要经历6个时段：

1）一枯。进行右岸一期围堰的施工，左右岸坝肩开挖，右坝基的开挖、右岸导流底孔浇筑并达到高程313 m以上。

2）一汛。拆除一期围堰，右岸导流底孔及左岸河床同时过流，左右岸坝肩开挖。

3）二枯。右岸导流底孔过流，二期围堰的施工，二期基坑开挖、二期基坑混凝土浇筑并达到高程313 m以上，左坝肩浇筑及浇筑完成排沙孔。

4）二汛。右岸导流底孔及坝体过水，左右岸混凝土的浇筑。

5）三枯。右岸导流底孔过水，排沙孔闸门施工，大坝混凝土全面上升浇筑，坝体浇筑达到表空溢流面面顶以上高程后，导流底孔下闸封堵并在汛前结束封堵。

6）三汛。排沙孔及大坝表孔过流，非溢流坝段表孔闸墩继续浇筑施工，同期水库开始进行蓄水，完成第一台机组发电的任务。

4 二期导流设计

根据工程施工程序的安排，工程在完成一期导流后需完成“一枯”及“一汛”两个时段的主体工程建设，这样在“二枯”时段完成二期导流的设计与施工。

4.1 二期导流的设计标准

1）枯水期流量。根据招标文件，工程在枯水期导流相应时段内的洪水流量：坝址上游长顺水电站满发电的流量加上长顺电站至坝址区间流量为120 m3/s。

2）洪水期流量。根据水文资料及坝址设计洪水成果表分析，第二个汛期，按全年P=5%频率洪水计算，相应流量为3 840 m3/s。

4.2 二期导流围堰结构形式

根据工程水文地质、地形条件及工程工期要求等特点，同时结合一期导流的设计施工意见，工程二期导流采用不过水上下游横向土石围堰。

因受地形条件限制，河床较窄（坝址区河床宽度仅有42.5 m），工程二期纵向围堰采用混凝土围堰，该围堰已在一期施工导流工程中完成。在二期横向围堰设计时，考虑二期河床束窄后流速较大，为保证围堰坡脚安全稳定及二期基坑施工道路的布置，因此考虑在上游横向围堰迎水坡面及下游横向围堰迎水坡面、背水坡面基础底部部分采用钢筋石笼防护坡脚，基础以上部分坡面采用钢管架、竹架板等材料的防护形式。

堰体由截流戗堤、钢管架、竹架板、彩条布、土工膜布、钢筋铅丝石笼、土石渣混合料、粘土心墙及堰基防渗结构组成。

4.3 二期导流上下游围堰堰顶高程的确定

堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件。

1）下游围堰堰顶高程

根据招标文件，在枯水期工程导流的设计标准流量为：坝址上游长顺水电站满发电的流量加上长顺电站至坝址区间流量为120 m3/s，坝址二期导流特性见表1。

表1 二期导流特性表

根据经验公式，下游围堰的堰顶高程：

式中：hd——下游水位高程，m，根据表1取307.1 m；ha——波浪爬高，m，根据有关公式计算并结合现场的实际情况取1.2；δ——围堰的安全超高，m，根据有关手册并结合现场的实际情况取1.0。

计算得出下游围堰的堰顶高程Hd=309.3 m。2）上游围堰堰顶高程

根据经验公式，上游围堰的堰顶高程：

式中：z——上下游水位差，根据表1取3.9 m。

计算得出上游围堰的堰顶高程Hu=313.2 m。

4.4 堰体断面及平面布置设计

根据计算得出上下游横向围堰堰顶高程分别为313.2，309.3 m，河床底高程为304.0 m，最大堰高为9.2 m。根据现场实际地形为确保围堰运行安全稳定，同时考虑围堰堰顶作为后期部分混凝土浇筑施工道路，因此堰顶宽度均取6.0 m。上游围堰轴线与坝纵轴线夹角取20°，相应堰顶轴线长51.1 m；下游围堰轴线与坝纵轴线夹角取28°，相应堰顶轴线长62.2 m。上游横向围堰迎水面坡比为 1∶0.2，背水面坡比为 1∶1.2；下游围堰迎水面、背水面坡比均为1∶0.2。

4.5 堰体与岸坡及已有建筑物的接头处理

采用通过扩大接触面以延长塑性防渗体的接触，达到防止集中绕渗破坏的目的。接头处增加堰体的宽度，具体宽度应视具体情况确定。在此部位，该工程围堰堰体增宽至原来的2倍。并且应将岸坡处渗透性很大、稳定性很差的坡积物全部清除。

二期横向围堰与纵向混凝土围堰接头处为避免发生集中绕渗破坏，纵向混凝土围堰接头处采用刺墙型式插入二期土石围堰的防渗体中，以保证满足绕流渗径长度的要求，一般刺墙深入心墙的长度不小于0.5倍的水头。根据该工程实际情况，最大水头高度为5 m，二期纵向混凝土围堰刺墙的长度取3 m。

4.6 截流戗堤

截流工程的难易程度取决于河道流量、泄水条件，龙口的落差、流速、地形地质条件；材料供应情况及施工方法、施工设备等因素。并且应对截流水力进行计算，计算目的是确定龙口诸水力参数的变化规律，主要解决3个问题：1）确定截流过程中龙口各水力参数，如单宽流量、落差及流速的变化规律；2）由此确定截流材料的尺寸或重量及相应的数量等；3）确定适合该工程的截流施工方法。根据该工程的河道流量（截流设计流量为40 m3/s）、泄水条件、截流落差（约为2 m，截流落差小于3.5 m）等实际条件，确定该工程截流戗堤采用单戗立堵截流的施工方法，戗堤顶宽4.0 m，截流戗堤合龙后加宽培厚形成堰体。

4.7 堰体的防渗设计

围堰堰体防渗由两部分组成：上部（306 m高程以上部分）为粘土心墙结合土工膜防渗，下部（306 m高程以下部分）为灌浆幕墙防渗。

1）粘土心墙防渗。墙厚为2 m，心墙迎水面铺设一层土工膜。心墙的土料就地取用，主要控制土料的含水量，土料的含水量过高或过低，都将影响填筑的密实性。

2）帷幕灌浆墙防渗。根据地质资料，坝址区段原河床冲积物厚6～12.5 m，主要为砂、卵石夹砾石；一期围堰钻孔灌浆时发现原河床底部存在大的孤石较多、空隙较大，这些地方堰基采用高压旋喷方式灌浆已不能满足防渗要求。因此根据现场实际施工情况，结合以往经验，对于二期上下游围堰堰基防渗采用塑性灌浆的方式进行施工。

3）塑性灌浆设计参数：

a）帷幕厚度设计。上游围堰布置3排孔，通过灌浆形成4～6 m厚的防渗墙；下游围堰布置2排孔，通过灌浆形成2～4 m厚的防渗墙。

b）孔排距。由于是在动水情况下进行灌浆施工，参照以往施工经验，孔排距分别定为1.50 m和2.00 m。

c）帷幕体搭接要求。灌浆孔底部要求进入基岩2.0 m，先导孔要求进入基岩4 m，以进一步探明基岩裂隙发育情况等，以便及时调整钻孔深度，与粘土心墙搭接2 m，上游围堰灌浆高程范围为308～295 m，下游围堰灌浆高程范围为306～293 m。

d）灌浆浆液。根据一期围堰灌浆吸浆量较大的情况，上游围堰上下游排采用混合浆液，即在浆液中掺入一定量的粉煤灰以取代水泥，节约成本。中间排采用稳定浆液，即在浆液中加入少量的膨润土、塑化剂；下游围堰两排孔均采用混合浆液。混合浆液配比为水泥∶粉煤灰∶水=1∶2∶1.5；稳定浆液配比为水泥∶粉煤灰∶水=7∶1∶4，并在稳定浆液中掺入总灰量（水泥与粉煤灰的总和）1%的膨润土和1.3%的塑化剂。浆液比重在1.75 g/cm3以上。

e）灌浆压力及方式。灌浆压力为0.20～0.50 MPa。钻孔时压入水量Q≥50 L/min，则采用纯压式灌浆方法；若Q＜50 L/min，则采用循环式灌浆方法。塑性灌浆采用自下而上分段灌浆，段长5 m。

f）结束标准。灌浆注入率Q≤0.50 L/min时，再持续30 min，上下游排灌浆孔段每米单耗（干料）达3 t时，均可结束该段灌浆。

g）特殊情况处理。在施工中主要碰到地表面冒浆而不易封堵的情况，采用限压、限流、停停灌灌或扫孔后复灌的方法。

h）效果检查。灌浆完成7 d后，钻孔压水检查防渗效果，压水压力为0.30 MPa，单位吸水量q≤0.1 L/（min·m·m）为合格。

4）后期补灌防渗。在上下游围堰灌浆完成后，发现在下游围堰有两处明显的集中渗水点：一处位于围堰中部，一处位于围堰与左岸岸坡的接触处。针对两处渗水点共补灌了8个孔，补灌时的钻孔孔深根据渗漏点的高程、位置进行有针对的集中灌浆。通过灌后与灌前的实际渗流量比较，效果较为理想。

5 结语

二期上下游横向围堰经过43 d的施工，顺利完成，说明设计方案优化是可行的，在第二年2月份突发一场超标准洪水（流量为300 m3/s）从围堰顶部过流，检验了二期围堰的安全稳定性以及良好的防渗效果，尽管超标准洪水仍对围堰顶部冲刷造成了一定的破坏，但对后续“二汛、三枯”时段的主体工程施工未产生影响。