甘肃黑河宝瓶水电站混凝土面板堆石坝右岸坡积物优化研究

阎步宇，张国华

(甘肃电投河西水电开发有限责任公司，甘肃张掖 734000)

1 工程概况

宝瓶水电站位于黑河上游，工程所处位置以黑河为界，左岸属甘肃省肃南裕固族自治县，右岸属青海祁连县，是黑河水能规划的第七座梯级电站，工程主要任务是发电，采用引水式开发。水库总库容2050万m3，电站总装机容量123MW，设计多年平均发电量4.14亿kW·h，工程总投资10.3亿元。

宝瓶水电站工程主要由首部枢纽、引水系统和发电厂房三部分建筑物组成，工程为中型Ⅲ等工程，首部枢纽主要由混凝土面板堆石坝、溢洪道、泄洪排沙洞、引水发电进水口等建筑物组成。混凝土面板堆石坝坝顶高程2528.6m，最大坝高93.60m，坝顶长147.0m，坝顶宽6.0m。上游坡比为1∶1.45，下游坝坡为1∶1.4。大坝设计总填筑方量为123.17万m3。

泄水建筑物由潜孔式溢洪道和泄洪排沙洞组成。溢洪道布置在大坝左岸，共三孔三槽，采用扩散挑流消能;泄洪排沙洞进口布置在左岸山梁上，采用挑流消能。引水建筑物由岸塔式进水口、有压隧洞、调压井、高压水道等组成，全长7041.23m。引用流量100m3/s，额定水头139.6m。发电厂房为地面式厂房，主要由地面厂房、尾水渠、升压站、厂区防洪建筑物及进厂公路等建筑物组成，安装3台混流式机组。

宝瓶水电站大坝枢纽工程于2009年11月1日开工，2010年4月30日主河床截流，2011年3月10日大坝填筑到顶，2012年2月16日顺利实现下闸蓄水，同年6月24日首台机发电，较设计工期提前了10个月。

2 右岸坡积物

从坝体平面布置看，坝轴线下游右侧存在较大范围的第四系坡积物区域。堆积物坡脚宽，坡上变窄，厚度下厚上薄，在临河谷处呈直立陡坎状，与河水面相对高差5～70m，上部为崩坡积块石碎石土，厚25～35m，松散，无胶结。表层土含量较高，崩积岩块多分布于堆积体中前部，块石、碎石土成分主要为蛇纹岩，呈棱角状，无分选，大小混杂，多架空。下部为Ⅱ级阶地砂卵砾石，主要由漂石、砂卵砾石、局部夹砂层透镜体组成，砂层透镜体厚度不均。砂卵砾石厚20～35m，较密实，无胶结，砂卵砾石成分主要为蛇纹岩、石英岩、砂岩等，磨圆较好，多呈浑圆、椭圆状，分选性差。

该片第四系堆积物在面板坝坝体范围内顺河长度230m，前缘高程2450～2455m，后缘高程 2535～2570m，垂直河道宽度80～150m，根据平行断面法计算:崩坡积块石碎石土石方量约23万m3，砂卵砾石方量约10万m3。图1、图2为右岸堆积物概貌及细部情况。

图1 右岸堆积体范围 (从上游向下游方向看)

图2 堆积体下部颗粒组成

3 问题的提出

面对宝瓶水电站右岸坡积物，设计人员和专家均存在两种不同的意见。一种意见认为右岸坡积物主要由崩塌形成，局部存在架空现象，颗粒不均匀，密实度不高，坡积物变形对坝体存在不利影响，必须进行全部挖除换填;另一种意见认为根据坡积物剖面情况，下部主要由砂砾石组成，相对比较密实，上部局部崩积体颗粒胶结，且经过多年自然沉积，只需挖除表面相对不密实层，没有必要全部挖除。针对此种情况，公司组织设计、监理、施工、试验等单位组成了研究小组，进行深入试验分析论证，通过试验从坡积物材料特性、稳定性等方面进行仔细深入的对比分析。

4 右岸坡积物材料特性试验研究

为考察坝轴线下游右岸坡积物的压缩特性和变形特性，分别在堆积物不同高程取样进行了室内试验分析。现场试验得出的堆积物不同高程位置的材料容重与级配见表1。

表1 宝瓶水电站横14剖面洪积砂卵砾石颗分成果

4.1 材料级配及试样控制标准

试验材料取自堆积体不同高程位置，试验材料按表1编号材料相应编号。材料试验的级配见表2。

表2 材料试验级配

试验依据SL 237—1999《土工试验规程》的相关规定进行。

4.2 试验控制干密度

根据现场试验结果，结合试验室试样制备情况，试验控制干密度确定为:1号材料为1.96g/cm3，2号为2.06g/cm3，3号为2.01g/cm3。

4.3 试验及试验成果

4.3.1 比重试验

根据SL237—1999《土工试验规程》要求，对于粒径小于5mm的细粒土采用比重瓶法测定其比重，对于粒径大于5mm的粗粒土采用虹吸筒法测定其比重，然后根据各粒组含量所占百分比以及相应的比重，采用加权法确定用料的比重。按此方法测定的堆积体材料比重为2.68。

4.3.2 压缩试验

(1)试验仪器。压缩试验采用大型高压压缩仪，压缩仪容器的直径为300mm、高为180mm，最大垂直压力为10MPa。

(2)试验方法。试验过程中，根据试样级配及控制干密度称取试料，拌和均匀，分两层装入压缩容器，并分层夯实到要求干密度。在施加第一级荷重后，立即向水槽中注水至满，试样自下向上饱和。垂直压力等级分为 0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.6MPa及3.2MPa 7级，每一级加荷历时由压缩变形稳定情况而定，本地试验一般为1h，压缩变形量由4个呈90°分布的位移传感器测定，取其平均值。

(3)试验成果。压缩试验成果的整理按表3所列公式计算。此次试验中分别对1～3号材料进行了压缩试验，各种材料的试验结果列于表4。

表3 压缩试验各参数的计算方法

表4 压缩试验结果

4.3.3 三轴压缩试验

(1)试验仪器。三轴试验采用SJ-70大型高压三轴试验仪，其轴向最大出力为2500kN，最大周围压力为7MPa。试样直径300mm，试样高度700mm。

(2)试验方法:

试样制备方法:将风干后的试料，按试料级配及干密度，称取试料，拌和均匀，分5层均匀地装入对开模内，并分层夯实到控制干密度。对粗粒材料，尤其是带棱角的块石，在试验剪切过程中，由于橡皮膜易被刺破，故试验采用双层橡皮膜。

试验方法:对于饱和固结排水剪切试验 (CD)，采用抽气饱和，试样右下向上通水，当上管出水后停止抽气，用静水头继续饱和，直至从上管溢出的水中不含气泡为止。饱和过程完成后，施加周围压力进行固结，至试样排出的水量不再增加，即完成固结过程。试验时的周围压力风别为0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa及1.6MPa。剪切速度为1mm/min。试样最大剪应变一般为15%。

破坏点的确定:当应力—应变关系曲线有峰值时，取峰值点为破坏点。当应力-应变关系曲线无峰值时，则取应变15%所应对的点为破坏点。

(3)试验成果。此次试验中仅对2号材料进行了三轴压缩试验。图3为试验所得的强度包线。从中可以看出，材料强度包线表现出非线性特征，为了准确地表达堆石材料在不同应力条件下的性能，有效内摩擦角φ采用如下的表达式:

式中 φ0——压力为一个大气压时的内摩擦角;

Δφ——试验值;

σ3——周围压力;

pa——标准大气压。

三轴试验所得出的材料强度指标和Duncan模型参数见表5、表6，相应的试验曲线见图4、图5。

图3 2号材料三轴试验的强度包线

表5 2号材料的强度指标

表6 2号材料Duncan模型参数

图4 2号材料三轴试验的应力—应变关系曲线

图5 2号材料三轴试验的ε1—εv关系曲线

4.4 右岸坡积物材料性质评价

从右岸坡积物的现场级配和密度试验看，坡积体上部较松散，下部相对密实。但坡积物材料的总体密实度不高，颗粒分布不均匀。从表4所列压缩试验结果可见，堆积体中下部材料的压缩系数 av小于0.1MPa－1，属低压缩性。堆积物材料的压缩模量不高，总体上呈低至中压缩性。

从材料的三轴压缩试验看，堆积体材料的强度指标中等，但材料的弹性模量数和体积模量数不高。因此，这部分材料在荷载作用下将会产生一定程度的变形。

5 右岸坡积物对大坝应力变形特性的影响分析

从对右岸坡积物的现场勘探、调查，以及级配和密度试验结果看，右岸坡积物的材料分布不均匀，自上而下，坡积物材料的强度中等，模量不高，变形参数相对较低。因此，这部分坡积物在荷载作用下会产生一定程度的变形。但从坡积体的位置看，其分布主要集中坝轴线下游的右岸一侧，分析认为，这部分坡积体对坝体变形的影响主要集中在下游堆石区右岸的局部区域，对河床断面和左岸堆石区的应力变形不会有太大的影响。由于坡积体位于坝轴线下游，其局部变形的增大也不会对蓄水后混凝土面板的应力变形产生过大的影响。考虑到坝体布置在河道的转弯处，坡积体自身稳定不存在问题，因此，坡积体对坝后下游坡的稳定也不会造成不利影响。

从工程类比看，云南泗南江水电站混凝土面板堆石坝工程也存在类似的情况，经过分析研究，选择了保留堆积体的处理方案，云南泗南江水电站库容2.47亿m3，装机容量201MW，混凝土面板堆石坝坝顶长度为344m，最大坝高115m，工程规模略大于宝瓶水电站。坝体左岸坝轴线下游有崩塌堆积体，分布范围大，厚度多在20～30m之间，勘探揭露最大垂直埋深33m、最大水平埋深42m，表层0～3m存在架空现象，崩塌堆积体情况基本与宝瓶水电站类似。

6 研究结论

根据对宝瓶水电站面板堆石坝右岸堆积体颗粒级配及密度测试、材料室内压缩和三轴试验，以及堆积体对坝体应力变形影响的定性分析，可以得出以下主要结论:

(1)右岸坡积体主要由崩坡积块石碎石和砂卵砾石组成，坡积物材料的密实度不高，颗粒分布不均匀。从压缩试验看，堆积体材料的压缩模量不高，总体上呈低至中压缩性。从三轴试验看，堆积体材料的强度指标中等，但材料的弹性模量数和体积模量数不高。

(2)坡积体自身稳定不存在问题。由于坡积体位于河道转弯的凸岸，因此，坡积体对坝后下游坡的稳定不会造成不利影响。

(3)由于坡积体材料相对较松散，坡积体对下游堆石区右岸局部区域的变形有一定的影响，但对河床断面和左岸堆石区的应力变形不会有太大的影响。由于坡积体位于坝轴线下游，其局部变形的增大也不会对蓄水后混凝土面板的应力变形产生过大的影响。

(4)考虑到宝瓶水电站坝址区的实际情况，并结合相关工程类比分析，右岸堆积体可予以保留，不必全部挖除。但应适当清除表层架空部分及相对不密实层，并在其表面设置反滤保护。

7 确定的处理措施

经综合论证分析后，宝瓶水电站确定的右岸坡积体处理措施为:保留右岸坡积体，但坝基范围内的崩塌堆积体清除表层3～5m架空及相对不密实层，在坡积体与坝体接触面增加2m过渡料条带作为反滤层，并在坡积体增设观测仪器。在实际施工过程中严格按此方案进行。

8 结语

宝瓶水电站大坝于2010年4月30日截流，2011年3月10日填筑到顶，比设计工期提前了6个月，从开挖到填筑，仅用了短短7个月的 时间，完成了近26万m3的坝基土石方开挖和110万m3的堆石料填筑，而且主要集中在高海拔、高严寒的冬季恶劣气候条件下完成，其中大坝轴线下游侧右岸坡积物的设计优化，减少土石方开挖量约20多万m3，减少堆石料填筑20多万m3，仅此一项就直接节约工程投资约1000万元。更为关键的是此项优化在很大程度上降低了施工难度，右岸坡积物上下高差达到了75m，按自上向下开挖的施工顺序，光开挖就至少需要2个月时间，20万m3的坝体填筑，至少需要1个月时间，直接节约了3个月的工期，大坝提前进入了沉陷期，使沉陷期达到了6个月，有力地促进了大坝的稳定，为后续混凝土面板的施工创造了良好条件。

宝瓶水电站于2012年2月16日下闸蓄水，6月24日首台机发电，设计优化发挥了巨大的作用，大坝投入运行后，在正常水位2523m条件下运行了快1年时间。观测资料显示:大坝整体运行稳定，右岸观测数据基本与大坝整体一致，变形分布符合堆石坝一般规律，且变形逐渐趋于稳定。截至2012年12月25日，宝瓶水电站累计上网电量2.96亿kW·h，创直接经济效益8052万元，具有显著的经济和社会效益。