三溪口河床式水电站工程特点与新技术应用

赖　勇，黄荣卫，张永进

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)



三溪口河床式水电站工程特点与新技术应用

赖勇，黄荣卫，张永进

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

摘要：针对三溪口河床式水电站工程过闸流量大、基础为深厚强透水砂砾卵石，防渗及防冲问题突出的特点，泄洪闸底板表面考虑抗冲耐磨要求设置聚丙烯纤维混凝土面层，防冲槽局部以抛石混凝土技术进行加固；枢纽右岸地势低，防渗系统封闭困难，利用枢纽右岸上游330国道路堤兼作挡水溢流坝，并在路堤迎水坡脚设置悬挂式防渗墙，连接上游山体与闸前垂直式防渗墙构建防渗系统；枢纽交通桥兼作左右岸外部交通连接线，基础承载力要求高，根据泄洪闸结构特点及河床地质条件，以泄洪闸底板作为筏型基础，低压注浆技术在渗流状态下强透水地基中被成功运用。

关键词：三溪口；河床式水电站；悬挂式防渗墙；纤维混凝土；抛石混凝土；低压注浆

三溪口河床式水电站工程位于浙江省丽水市青田县境内，坝址位于大溪和小溪汇合口下游的瓯江干流丽水段，在青田县城上游约6.0 km，坝址以上集水面积13 380 km2，占瓯江全流域集水面积18 100 km2的73.9%，多年平均径流量1.39×1010m3。工程为Ⅲ等工程，主要建筑物泄洪闸、河床式电站、通航建筑物(船闸上下闸首、闸室)、右岸上游330国道防护工程、两岸接头建筑物为3级建筑物，护坡(岸)、导航和靠船建筑物等次要建筑物为4级建筑物。泄洪闸共22孔，每孔净宽12.0 m；电站装机3台，总装机容量100 MW，多年平均发电量2.664×108kW·h；船闸为Ⅳ级船闸，通航500 t级船舶，闸室有效尺度为260.0 m×12.0 m×3.5 m(有效长度×有效宽度×门槛水深)。

1　工程特点

1.1深厚覆盖层基础上的大流量水闸

三溪口河床式水电站工程设计洪水对应的洪峰流量(P=1%)为22 600 m3/s，校核洪水对应的洪峰流量(P=0.2%)为30 800 m3/s。枢纽过闸流量较大，若按最大过闸流量指标，泄洪闸应为1级水工建筑物，但由于泄洪闸所属枢纽是水电站枢纽，枢纽工程等别是按水电站装机容量确定的，而泄洪闸设计级别又是按照枢纽工程等别确定的[1]，因此，仅为3级建筑物。

枢纽部位河床覆盖层较厚，自上至下分为3层，表层砂卵砾石厚约12 m～20 m，渗透系数K=1.02×10-2cm/s～9.31×10-1cm/s，为强透水性，局部K=5.67×10-3cm/s～9.83×10-3cm/s，为中等透水性；中间含少量泥砂砾卵石厚约5.5 m～16.7 m，渗透系数K=1.19×10-3cm/s～7.82×10-3cm/s，为中等透水性，局部K=1.03×10-2cm/s，为强透水性；底部含泥砂卵砾石厚约8.5 m～24.3 m，渗透系数K=2.27×10-4cm/s～3.77×10-3cm/s，为中等透水性。

由于枢纽过闸流量大、覆盖层厚、透水性强，因此，工程防渗及防冲问题较突出[2]。对于枢纽部位防渗，设计采用闸前垂直式防渗墙[3]进行处理，C15W6混凝土防渗墙厚0.80 m，墙底嵌入强风化基岩内至少1.00 m，墙体最深约54.50 m。防渗墙顶部范围1.50 m高度段为C25W4F50钢筋混凝土头墙，顶高程与上游铺盖顶面高程相同，防渗墙头墙、铺盖、闸底板间伸缩缝均设铜片止水和652型橡胶止水带二道止水防渗封闭。

对于枢纽部位运行期防冲，泄洪闸采用了闸室下游“消力池+护坦+海漫+抛石防冲槽”、闸室上游“抛石防冲槽+护底+防渗墙+铺盖”的典型结构[4]，详见图1。铺盖、泄洪闸底板、和消力池上游斜坡段设置了纤维混凝土面层，纵向围堰上下游盘头防冲槽部位以抛石混凝土技术进行了加固。

图1泄洪闸消能防冲结构布置图

1.2利用路堤结合式防护工程构建防渗系统

根据河床式水电站布置经验[5-6]，工程主要建筑物泄洪闸、船闸上闸首、发电厂房设置在同一轴线上，发电厂房布置于河道左侧的凹形河道内，泄洪闸位于河床中部，船闸布置在河床右岸，泄洪闸与枢纽右岸330国道之间。发电厂房基础为弱风化基岩，基础采用帷幕灌浆防渗，泄洪闸与船闸均座落在强透水性砂砾卵石覆盖层上，通过闸前垂直式防渗墙进行防渗。

右岸330国道路基为强透水性的砂砾卵石，枢纽部位路面高程约20.50 m，水库正常蓄水位18.00 m，330国道平常兼作瓯江右岸的堤防，在库水位超过50 a一遇洪水标准时，路顶将溢流。公路背水侧地坪高程约12.00 m，与右岸山体距离较大，且中间隔着湖边坑支流，湖边坑河道宽度为15.0 m～30.0 m，在枢纽下游下穿330国道后汇入瓯江，流域集水面积31.1 km2，河道长度13.54 km，20 a一遇设计工况洪峰流量455 m3/s，若按常规的防渗系统向闸坝轴线方向延伸的方法，枢纽上游库区水体将通过透水的330国道堤身向湖边坑渗流，难以实现防渗系统的封闭。

根据实际地形情况，湖边坑在枢纽上游约500 m处已被山体隔开，330国道直接与山体接壤，因此，对枢纽上游约500 m的330国道迎水坡采用钢筋混凝土面板进行防护，在迎水坡坡脚，采用基础深入含泥砂砾卵石或含少量泥砂砾卵石层的悬挂式防渗墙[7-8]进行防渗，悬挂式防渗墙顶部采用趾板与面板连接，悬挂式防渗墙下游与船闸上游防渗墙封闭，上游改为高喷防渗墙横跨330国道路面并延伸至山体[9]，从而实现了库区的防渗系统封闭。

悬挂式防渗墙底高程根据计算确定，设计右岸上游330国道防渗工程防渗墙底高程-20.00 m～-15.00 m，以防渗墙底高程-15.00 m的桩号右护0+211.89断面作为典型断面进行渗流稳定分析，采用北京理正软件设计研究院主编的渗流分析软件(6.0版)，按有限元法考虑渗流最不利的防护工程挡水工况进行计算，根据计算水面与迎水坡应相交的原则，临水侧水位取20.40 m，略低于路顶高程，背水侧按低于地表0.5 m考虑，取为11.50 m。各区域材料的特性指标见表1。渗流计算成果见图2、图3，计算330国道防护工程挡水坝背水侧渗流出口最大渗透比降为0.05，小于砂砾卵石[J]=0.08～0.1，满足渗透稳定要求。

表1　渗流分析材料特性指标表

图2典型断面压力水头等值线图

图3典型断面总水头等值线图

1.3兼作外部交通的枢纽交通桥及左右岸连接线

青田县城区上游瓯江两岸交通发达，坝址附近左岸为49省道和金丽温高速公路，右岸为330国道和金丽温铁路，根据当地经济发展的要求以及本工程施工招投标期间青田县交通部门的规划，需在青田上游瓯江两岸建设一座跨江大桥。青田县城区上游20 km范围内瓯江两岸均为峡谷地形，狭长的瓯江两岸交通布置已近饱和。建设沟通瓯江两岸的跨江大桥对地形的要求很高，本工程地形上是一处建设跨江两岸大桥较为理想的位置。经枢纽上游布置跨江大桥、枢纽下游布置跨江大桥以及结合枢纽建设布置跨江大桥的三方案比选论证，结合枢纽工程布置跨江大桥，枢纽交通桥兼作工程外部跨江桥是最佳的方案。

枢纽部位原设计交通桥总宽度为6.5 m，其中发电厂房、泄洪闸及船闸上闸首墩墙顶部宽度4.5 m，上游悬臂长度2.0 m；原设计左右岸上坝公路分别布置在电站尾水渠左岸和船闸右侧，与枢纽交通桥连接部位转角均为90°，转弯半径较小，但能满足枢纽内部交通的要求。

枢纽内部交通桥功能转变后，在保持闸轴线不变的前提下，对发电厂房、泄洪闸及船闸上闸首墩墙顺水流方向进行了加宽3.0 m，交通桥悬臂长度由2.0 m加大到3.3 m的调整，从而使交通桥总宽达到10.8 m，扣除两侧护栏各0.4 m和上游侧增设的2.0 m宽的人行道，车道总净宽仍有8.0 m，能满足二级公路设计速度为80 km/h时两车道宽度不小于7.5 m的标准。

枢纽左岸紧邻49省道，现状地面高程约23.0 m，对49省道在枢纽部位局部进行加高改造，改造后49省道在枢纽左岸高程为26.9 m，枢纽左岸连接坝高程为26.8 m，因此，改造后的49省道可以和左岸接头坝平顺连接。枢纽右岸为330国道，现状路面高程为20.5 m左右。为连接右坝头与330国道，形成右岸上坝交通通道，在坝轴线延伸方向设上坝引桥，引桥横跨330国道后呈近似半圆形向下游弯曲与330国道相连，引桥宽度10.9 m，顶高程27.5 m～21.1 m，总长约270 m。枢纽交通桥及左右岸连接线优化后，枢纽上游立视图见图4。

图4枢纽上游立视图

2　新技术应用

根据工程特点，新技术在消能防冲结构防护以及基础加固设计过程中被大胆采用，其中应用较为成功的包括聚丙烯纤维混凝土面层在闸底板及消力池底板表面的应用、抛石混凝土在防冲槽及导流明渠护脚中的应用、渗流状态下低压注浆技术在闸底板砂砾卵石强透水地基加固中的应用等。

2.1聚丙稀纤维混凝土

工程用聚丙烯纤维[10-11]是一种新型的混凝土增强纤维，有波型、网状、束状等类型。掺入聚丙烯纤维的混凝土抗裂、抗冲、抗磨、抗渗和抗冻功能均得到改善，综合使用性能得到提高，具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点。

泄洪闸闸底板及消力池斜坡段底板均采用了波型聚丙烯纤维，掺聚丙烯纤维C40W4F100混凝土闸室及消力池面层设计最小水泥用量360 kg/m3、最大水灰比0.40，骨料最大粒径不大于4 cm；聚丙烯纤维掺量5.0 kg/m3，纤维技术参数：直径0.9 mm，长度50 mm，伸长率15%，抗拉强度大于530 MPa。

泄洪闸闸室上游铺盖采用了束状聚丙烯纤维，掺聚丙烯纤维C30W4F100混凝土铺盖面层设计最小水泥用量340 kg/m3、最大水灰比0.45，天然骨料最大粒径不大于4 cm；聚丙烯纤维掺量1.2 kg/m3，纤维设计指标：纤维长度19 mm，束状单丝抗拉强度大于280 MPa，弹性模量大于3 800 MPa。

聚丙烯纤维混凝土使用时，不改变原混凝土配合比，施工时，将一定比例的纤维与骨料等一起投入搅拌机，边搅拌边加水，适当延长搅拌时间60 s以上，也可将纤维先与水泥以及其他骨料搅拌均匀后，再加水搅拌，使纤维在混凝土中分散均匀即可使用。

根据2013年底蓄水验收前，对一期深槽区泄洪闸施工导流后的现场检查情况，采用了聚丙稀纤维混凝土的泄洪闸底板面层不仅温度裂缝少，磨损程度也较未采用的部位轻，耐磨效果显著。

2.2抛石混凝土

抛石混凝土[12]与灌砌石混凝土原理较为相近，按常规方法施工抛填块石后，在抛石表面以现场自制塌落度不小于16 cm的高流动C15混凝土进行灌注[13]，利用混凝土自身流动性在粒径较大的块石内随机充填形成混凝土抛石体。抛石混凝土具有水泥用量少、水化温升小、综合成本低、施工速度快、良好的体积稳定性、层间抗剪能力强等优点，除胶接防冲槽块石外，抛石混凝土还可胶接防冲槽下部原河床砂砾卵石，增强防冲槽结构的整体性以及抗冲性能。三溪口河床式水电站工程纵向围堰上下游盘头部位的防冲槽以及岸坡护脚部位均采用了这一技术。根据施工导流期间的运行情况以及2013年底蓄水以来多次泄洪、行洪的情况，采用了抛石混凝土防护的部位，抗冲刷效果明显要好得多。

2.3砂砾卵石低压注浆

枢纽内部交通桥功能转变后，发电厂房基础为弱风化基岩，基础承载力不存在问题，泄洪闸和船闸上闸首持力层为深厚砂砾卵石覆盖层，受影响较大，为提高闸室下部砂砾卵石地基承载力并减少沉降[14]，特别是减少车流量加大后的动荷载对散粒体地基的影响，设计除了严格要求回填地基分层碾压回填，并采用压实指标控制外，还采用砂砾卵石低压注浆技术[15]，对闸底板下一定深度的砂砾卵石进行孔隙填充及胶接。注浆孔按矩形状分布，孔距2.0 m×2.0 m，孔深深入砂砾石层内2.5 m，水泥水灰比为2∶1～0.5∶1，采用小口径钻孔、花管注浆，分二序施工，注浆工作面在闸底板顶面以下0.5 m，注浆压力要求不大于0.2 MPa，注浆时须进行底板抬动观测，防止底板抬动。灌注水泥用量设计按平均不小于150 kg/m进行控制，即各注浆孔灌注水泥用量不小于375 kg。泄洪闸为两孔一联布置结构，实际施工过程中左岸深槽区泄洪闸水泥注浆情况见表2。

表2　泄洪闸低压灌浆各分序孔的水泥平均注入量

实际施工时，在0.2 MPa恒定压力下，注入水泥浆达到一定质量后基础即不再吸浆，表明砂砾卵石基础孔隙填充效果较好。另外，由表2数据可见，紧临厂房的1#～6#泄洪闸位于厂房放坡开挖后回填的砂砾卵石基础上，相比7#～12#泄洪闸原状砂砾卵石基础明显吸浆量要大，而11#、12#泄洪闸为一期工程兼作纵向围堰的闸段，紧邻导流明渠，基础渗流较大，因此，吸浆量比7#～10#泄洪闸要大，虽然泄洪闸由于底板已浇筑不能进行基础承载力试验，但恒定压力下的吸浆量饱和情况以及Ⅰ、Ⅱ序孔的吸浆平均单耗差异情况已较好地反映了基础承载力提高情况及规律。

3　结　论

山区、丘陵区河流，一般而言洪水暴涨暴落、峰高量大，河道坡降较大，由于上下游过闸水位差的加大，致使过闸水流的动能更大，对于基础座落于深厚强透水地基上的河床式水利枢纽工程，防渗及防冲问题更为突出。根据本工程实践经验及采用新技术后的应用情况，可以得出以下结论：

(1)本工程实际应用表明，纤维混凝土可有效改善混凝土表面抗冲耐磨能力，抛石混凝土可有效提高防冲槽的抗冲刷能力。

(2)深厚强透水覆盖层基础上的水利枢纽工程，在满足渗流安全及渗漏量不影响工程效益的前提下，可以考虑设置悬挂式防渗墙或部分设置悬挂式防渗墙。

(3)对于渗流状态下的砂砾卵石强透水基础，采用低压注浆技术提高基础整体性以及承载力在施工工艺上是可行的，实施时需注意分序，控制水泥水灰比，并严格控制灌浆压力避免抬动底板。

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CharacteristicsofSanxikouWater-retainingHydropowerStationandItsApplicationofNewTechnology

LAI Yong,HUANG Rong-wei,ZHANG Yong-jin

(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancyandHydro-electricPower,Hangzhou,Zhejiang310002,China)

Abstract：Sanxikou hydropower station is a water-retaining station with large flow,it is located on the foundation of thick permeable gravel pebbles,which causes the problem of seepage and erosion.Regarding to these problems,FRC(fiber reinforced concrete)was used on the floor of the gate and RFC(rocked-filled concrete)was used in anti-scour channel for energy dissipation and erosion control.The embankment of State Road 330 located at the right bank of the upstream was served as water-retaining and overfall dam,due to the low-lying right bank of the river which made it hard to seal the anti-seepage system.In addition,Suspended cut-off wall was constructed at the heel of the riverside slope to connect the anti-seepage system between the upstream mountain and the vertical cut-off wall in front of the gate.The traffic bridge as the connecting media between the left and right bank,the bearing capacity of its foundation was set high.According to the structural characteristics and the geological condition of the sluice,the floor of the sluice was used as raft foundation and low pressure grouting method in sandy gravels were applied on strong permeable foundation successfully in the state of seepage.

Keywords：Sanxikou;water-retaining hydropower station;suspended cut-off wall;fiber reinforced concrete;rocked-filled concrete;low pressure grouting method

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.010

中图分类号：TV61

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0054—05

作者简介：赖勇(1978—)，男，江西奉新人，硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程设计与研究工作。

基金项目：浙江省水利厅科技项目(RB0920)

收稿日期：2014-08-11修稿日期：2014-09-14