瑞士格舍嫩心墙土石坝加高工程

［瑞士］ S.麦塞克林格等

格舍嫩(Göscheneralp)心墙土石坝高155 m，坝顶长540 m，水库库容7800万m3。格舍嫩电站发电总水头616～708 m，发电量为251 GW·h/a。电站位于瑞士中部的乌里(Uri)州，由格舍嫩电站股份公司(KWG)所有，乌里州控股10%，瑞士联邦铁路公司控股40%，瑞士中央发电股份公司(CKW)控股50%。

格舍嫩水库由苏黎士机电工业管理有限责任公司设计，于1957～1962年间修建。在该工程中，水库流出的水首先通过一条7.2km长的引水洞输送至压力钢管，经过配有2个蝶形阀的阀室。之后通过一段长912 m、倾角为80°的钢衬砌的压力钢管和一段水平管道，流经阀室到达地下发电厂房。发电厂房内装有4台冲击式机组，总装机容量约为160MW。在引水洞与压力钢管交接处设有一座长约150 m的下调压室。下调压室的轴线与引水洞平行，相距4.45 m。然后是一座直径为3 m、倾角为80°的调压井，最后到达高程为1800 m的上调压室。

水库最低蓄水位1700 m，正常蓄水位1792 m，水库水位通过泄洪底孔和泄洪中孔调节。为了泄洪，特意设置了一条能自由溢流的侧槽式溢洪道。在左坝肩上设有泄洪底孔，正常蓄水位时其额定泄流量为100 m3/s。通过一条隧洞延伸，在施工期间，也能对直接汇水区的水进行分流。泄洪中孔进水口高程为1775.95 m，也位于左坝肩，这样设计可以使水库的运行更具灵活性。在现有防洪条件下，泄洪中孔在正常水位时的泄洪量为50 m3/s，需要和溢洪道一同使用。为了使其最大泄流量达到150 m3/s，设计了一条侧槽式溢洪道，该溢洪道顶部高程1792 m，溢流长度达70 m。从该溢洪道流出的水将排入一条长239 m、直径为4.5 m的泄洪洞。这几座泄洪建筑物(泄洪中孔和侧槽式溢洪道)是为了将泄流量提高到200 m3/s而设计的。但是，由于电站运行管理规范，加之汇水区总面积本身就不大，只有88.7km2，导致该溢洪道自建成之日起就不曾投入使用。汇水区由42.3km2的直接集水区和46.4km2的两条支流汇水区组成。通过2条隧洞引水至水库，这两条隧洞分别长3.9km和7.2km。

KWG在1954年取得了格舍嫩坝的特许使用权，有效期至2043年。该特许权包括将水库的正常蓄水位提升大约10 m。1992年、2006年和2008年，对大坝的加高进行了研究。研究结果表明:最经济的方案就是将水库蓄水位提高8 m，使其库容增加15%。

1 格舍嫩坝

1.1 简 介

格舍嫩心墙土石坝建于1957～1960年，为当时欧洲同类型大坝中最高(见图1)，大坝有一个宽4.6～5.5 m的心墙。

图1 大坝断面

1.2 地基特性及其处理

岩基用灌浆帷幕封闭，该灌浆帷幕深达180 m，由单排钻孔形成，钻孔中心间隔6 m，在0.5～8MPa压力(随深度增大)下向钻孔灌注黏土水泥灰浆。钻孔平均每米消耗220 kg干黏土水泥灰浆。在心墙区和岩石坝肩之间的接触处采用接触灌浆，灌浆深达5～10 m。

心墙区、反滤区及过渡区的地基均为阿勒花岗岩，其平均单轴抗压强度为87MPa，比重为2.66 g/cm3。覆盖层需要开挖100万m3。堆石坝肩建在70 m厚的冲积层及冰川层之上。右侧坝基区建有直径为45～48 cm、深39 m的排砂井，有利于砾石层里的细砂和泥煤层迅速固结。

1.3 坝 料

对于心墙土石坝来说，是否能够获得合适的心墙料至关重要。就格舍嫩坝而言，不仅在格舍嫩河谷，而且在乌里州其他地方都缺乏黏土。当地随处可见的粉砂质冲积物不宜用作心墙料。然而，经计算，混凝土重力坝比心墙土石坝造价高50%。为此，需要寻找合适的心墙料。将瑞士其他地区的黏土和从意大利、美国采集到的钠基膨润土与当地岩屑和冲积土加以混合，研究其密封性，发现钠基膨润土的密封性能非常好，但在一定的水文地质条件下不稳定。因此，将瑞士北部霍尔德班克(Holderbank)地区天然沉积层里的一种黏土——Opalinus黏土选作添加剂。原坝90万m3大坝心墙料中共掺加了20万t Opalinus黏土，平均掺加比例为11% ～12%。

岩屑坡和冲积层上的石料被选作心墙料，通过振筛被划分为3种级配:0～30 mm，30～100 mm和100～200 mm。先将粗颗粒与碎石混合，然后将细颗粒部分(0～30 mm)烘干，再将3种级配料混合成指定的级配，最后再加入Opalinus黏土粉(见图2)。心墙料在采料场制备好，用固定式搅拌机按照7%～9%的最优配比加水搅拌后再运往大坝施工现场。当心墙料每摊铺到30 cm厚时，用重35 t的滚筒碾压6遍，而大坝施工区则用便携式钢盖盖好，如此一来，即使是在雨季也能确保心墙料的含水量保持不变。

图2 坝料

对根据内部稳定性试验设计的反滤料和过渡料也进行了对比，方法是将岩屑坡堆积层细分为3个等级，然后再加入添加剂混合搅拌成指定的级配(见图2)。土石料则是通过将岩屑坡堆积层上超径石块(体积大于1 m3或边长大于1.5 m)剔除，用余下的石料制备。然后分层(层厚2.5 m)填筑，每立方米石料加水150 L，该料区不再另外压实。

1.4 施工情况

原坝用930万m3的填料修筑而成，平均每月填筑50万m3，最高70万m3。大坝填筑的成本包括Opalinus黏土的成本和制备原料所需的各种安装成本，平均约合10法郎/m3。

1.5 原坝的长期工况

开工以后，通过观察地面55个沉降点、4条大坝力学沉降测链、12台设置在灌浆廊道上游坝基上的水压传感器、11个设置在灌浆廊道下游侧以及交通洞沿途安装的排水监测点对原坝的工况实施监控。在心墙区和渗水区分别安装了43台和18台振弦式压力计，用以监测施工期和运行期心墙区孔隙水压力的变化情况。然而，有一半的设备在5 a后受损。20 a后，所有的压力计均无法使用。1983年和1993年，将这些设备都更换为卡尔森和Glötzl型传感器，这些新设备运行良好，确保了大坝压力状况正常。

渗水量作为衡量心墙和灌浆帷幕效果好坏的重要指标，不管是在冰雪冻融期的春季还是在强降雨的秋季，都趋于稳定，其最大总渗水量为6 L/s。目前，坝顶每年沉降约为4 mm，且沉降值正逐渐减小。通过肉眼观察，全年未发现大坝表面有因内部侵蚀渗水而导致的明显塌陷。因此，可以认为该坝运行情况良好。

2 大坝加高

2.1 设计理念

原坝下游边坡十分陡峭，坡比达1(V)∶1.45(H)，这种设计不能通过延伸陡坡来加高坝顶，而唯一可行的办法是使用结构构件，比如石笼。然而，为了不破坏当地的景观，在保留原坝外观的基础上，要求在坝顶上种草。鉴于此，心墙必须向大坝上游方向弯曲。为了使这种弯曲最小，需要挖掉部分原有心墙，使原心墙料与新心墙料之间形成一个倾斜的接触面。这也是减少水平渗径的一种最优的结构措施(见图3)。

对原有的5 m超高进行了评价，同时还对洪水、雪崩或土崩、岩崩以及风浪产生的浪高和水位抬升情况进行了评估。评估后将加高后大坝的超高定为4.5 m。

最终，通过采取以下措施将水库水位抬高8 m:

图3 施工顺序

(1)将超高降低0.5 m;

(2)填筑6.9 m高堆石使坝顶高程增高至1803.9 m;

(3)在上游坝顶边缘处设置2排石笼(0.5 m×1.0 m，1.0 m ×1.5 m)，使超高增加0.6 m。

2.2 细部设计

将加高部分心墙区下游坡与坝肩的35°陡坡平行增高，不利于大坝的稳定。因此，该设计要求对心墙料、反滤料和填土区料的强度进行全面检测，以证实各项稳定性判据可靠有效。为此，从大坝下游侧的取土区采集了25 m3的石屑坡料作为样品。将样品料过筛，按要求粉碎，打包后送至葡萄牙里斯本的国家土木工程实验室(LNEC)。实验室对心墙料和反滤料样品进行14项大型三轴试验。

一些样料被送到瑞士联邦技术学院的岩土工程研究所(IGT)，该所对心墙料及反滤料进行了5项加荷三轴试验，以研究在周期加荷期间孔隙水压力增大的情况、剪切模量下降情况以及坝料的阻尼系数。

采用SIMQKE规范计算得出设计抗震(即地面加速度水平峰值为0.24 g、持续时间为17 s、采用欧洲规范8得出A型土壤的反应谱)的加速度-时间关系曲线图。并将此结果用于QUAD=4M中生成的2D有限元坝型的基岩，用以进行非线性响应分析，并以此确定穿过坝顶的所选深层滑块及浅层滑块的加速度-时间关系曲线图。抗震试验期间滑块的位移值可以通过运用纽马克的滑块测量法得出。基于材料残余强度进行虚拟静态分析可以得出屈服加速度，并能测出因阻力损失而产生的过量孔隙水压力。对于格舍嫩坝加高工程而言，通过计算得出坝顶滑块的位移值在0.5～1 m间都是可以接受的。因此，从设计抗震来看，加高后的大坝是安全可靠的。

2.3 大坝加高用料的选用

心墙料同样是由石屑坡和取自霍尔德班克的Opalinus黏土粉末混合而成，现在的价格为156法郎/t。加高时，心墙料的最大粒径降为40 mm，而黏土颗粒的含量提高了18%。1.5～2.8 m厚的反滤区根据现行排水滤层规程设计。由于加高后的坝顶宽度减少到5.5 m，因此，原坝过渡区、排水区和堆石区的作用都集中到堆石区(4a)上，而堆石区的最大颗粒粒径已下降为60～200 mm。此举对维持该区自由排水特性，以及对该区强度、填筑/压实都很有利。上游坝肩用堆石料(4b)填充，而大坝表面则由抛石层覆盖。

2.4 质量控制

工地实验室对坝料进行质量控制，并对原坝进行实时监控。每填筑500 m3抽取一个心墙料和反滤料芯样，在堆石(4a)区和(4b)区各填筑2000 m3和6000 m3分别抽取一个芯样，用以控制填料的质量。用这些样品定出细砂的原位密度、普式击实值、比重(颗粒密度)、含水量，以及稠度极限值。此外，预计还要进行压密试验、砂塔试验以及沃恩式反滤试验;对堆石(4b)区，还要进行大型渗水试验。

2.5 施工期大坝监测

施工期间，沿大坝轴线将大坝分为5个区，大坝原有心墙区的孔隙水压力通过在这5个区内安装的3台压力计来监控，这3台压力计分别安装在高程1780，1785 m和1790 m处。而新心墙区的孔隙水压力则通过2台接触式压力计(老心墙区和新心墙区之间)来监控，心墙区的5台压力计和反滤区的3台压力计分别安装在这5个区内。接触区和上游心墙区在高程1797.5 m处的弯曲情况则用1台三段式垂直位移测链来监控，同时测链可以监测最终发生的差异性位移情况。除了保留原有4台沉降测链外，沉降测量的范围将进一步扩大。

2.6 附属建筑物

溢洪道、上调压室都将根据大坝的加高而做出相应的调整。原有的侧槽式溢洪道将在较高位置进行重建，新建的溢洪道额定溢流能力为240 m3/s。为此必须将侧槽式溢洪道前50 m的溢洪槽直径扩大。而泄洪中孔在汛期也不再使用，但会将其保留并升级，以适应水库运行的灵活性需求。

原上调压室将会扩建，即在高程1809.27 m处建一座新的调压室。这座新调压室通过一条直径为2.8 m的竖井与原调压室相连。新调压室长60 m，直径为4 m，与一条新修的长80 m的引水洞相连。除了通过未作硬性规定的例行检修进行评估外，对该水电站其他所有建筑物的评估，主要涉及大坝加高、升级所产生的影响。

2.7 大坝加高施工情况

加高工程大约需要30万m3坝料，每平方米平均要耗费21法郎(包括加工、运输、填筑和压实)，若算上安装、进场道路、开挖、基坑开挖、灌浆、质量控制和大坝监测的费用，则成本约为52法郎/m3。这些费用占整个工程总费用的50%，工程总费用还包括附属建筑物的改扩建、绿化、生态修复、细部设计以及现场监理费用。

3 结语与展望

格舍嫩坝的加高是根据最新技术发展水平(数值模型和实验室研究)，充分考虑现行设计标准，评估并优化大坝原有结构(包括坝顶宽度、超高、坡度)来实现升级改造的一个范例。

大坝加高后，格舍嫩电站的库容将增加15%，即增容到8700万m3。增加的库容并非用于发电，而是使需电高峰期间的发电更具灵活性。