巴西圣安东尼奥水电站围堰施工中的创新经验

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1 工程总布置

工程包括4座厂房、2条泄洪道，主坝段为RCC坝，两端为土坝坝段。大坝挡水形成的电站水头为13.9 m。电站装有44台灯泡贯流式水轮发电机组，装机总容量为3 150 MW。

工程于2008年9月开工，2012年完成导流施工，机组开始发电。

2 工程地质

坝址基岩为多组不连续面岩体，其构造主要为两个相互正交的不连续面，基岩表面的不连续面近乎水平。主要不连续面为S1(和马德拉河床平行)、S2(与S1正交)和S3，近水平的裂缝起因于岛屿表面的形成过程。上述状况是形成各种不同形态不连续面岩体的主要原因。除此以外，几乎整个基岩(花岗岩-片麻岩)都很粗糙，纵横裂缝随处分布。

鉴于上述状况，从土工方面考虑的LR3围堰段设计条件为：

(1) 由于土石坝段基岩存在穿透表层岩体或不连续面的张裂裂缝，因此具有发生管涌的高风险；

(2) 完成围堰基础处理的工期非常短；

(3) 横跨河流的河床基岩面崎岖不平。

3 围堰设计和细部结构

图1所示为LR3围堰的总体规划图，沿中心线标出了各个横截面位置。

图1 围堰总体规划和马德拉河群岛

3.1 横截面1

横截面1——普雷西迪奥岛。围堰建成一座标准的均质土坝，坝体结构包括垂直反滤层、水平排水，以及防渗墙(如图2所示)。

图2 横截面1和各分区采用的物料

图3 横截面2

3.2 横截面2

横截面2——普雷西迪奥岛和蒙坦特岛之间的区域。施工于2010年枯水期开始，并提前一年即2011年7月开始导流施工。当时河道流量较小，靠近右坝肩两岛屿之间的区域已部分围合，LR3上游部分已加高至高程51 m。沿中心线的中间位置，建有一堵宽10 m的RCC溢流墙，以确保有效的基础处理，并在汛期后不再采取任何基础处理措施的情况下可继续进行围堰施工。另外，这还有助于保护上游侧已完工的土坝坝段，因为此坝段也是上游围堰LR1的组成部分，有利于进行LR3围堰段的施工，如图3。

3.3 横截面3

横截面3——蒙坦特岛和卡苏爱拉岛之间的区域。在完成上下游围堰(LR1和LR1')导流施工后，发现了一个意外情况，即河床中岛屿之间有一深槽，深度在高程-5.0 m，并有表层岩石裸露，不连续面张开，裂缝发育。为防止出现管涌这类问题，一般采取清除块石、表层区域回填混凝土、同时进行大量灌浆的处理方法。但由于进入深槽底部基岩区较为困难，因此采取了另一种解决方案，即构建一个宽15.5 m、一直修建到高程12.0 m的混凝土墙(如图4所示)。在此高层上，以40 cm厚的压实层填筑围堰，将在下文详述。见图4。

3.4 横截面4

横截面4——卡苏爱拉岛与安特娜岛之间及两岛以上区域。在该区域，河床中也有一条深槽，但不如上节中所述的那条那么深。此处施工过程中未出现新问题，如图5所示。

图4 横截面3

图5 横截面4

此截面处，岛屿上方所面临的最大问题是基础处理。一方面需处理大量的松散大块径块石，另一方面，还需决定基础处理的范围，至少在沿围堰中心线方向宽10 m范围内，要求进行仔细处理。进行深层基础处理时，仍采用灌注水泥砂浆的常规方式。

3.5 横截面5

横截面5——安特娜岛与左坝肩之间的区域。由于该部分前期未和弯段的堆石体相连(此挡水段为过渡段填料和黏土，作为一部分构成LR1下游辅助围堰)，于是修建了一大型平台，用于临时堆存人工碎石，包括各种尺寸块石、过渡段填料和反滤料，以备导流施工所用。

图6 横截面5

因施工计划具有动态调整的特点，为优化施工，赢取进度时间，决定将先前设计的辅助围堰和围堰主体并为一体，以有助于主坝段的上升。

虽然采取了各种预防措施，但仍有较大不确定性，即河床中可能出现裂缝岩体和松散块石。为解决此问题，在堆石挡水段和低渗透围堰段(用砖红壤土和薄碎石建成)之间，较大范围地堆填过渡料，设法填充围堰基础中可能的空隙，不过这种方法不能确保达到预期结果。为防止LR2和LR3围堰保护区域水位下降期间以及整个施工过程出现任何问题，在堆填过渡料部位的上游建有一旋喷灌浆帷幕，但众所周知，此方案即为在基础的张裂缝和块状岩体带注浆的方法，效率并不高。因此布置了5排旋喷灌浆桩形成帷幕，深入抛填土部分3 m，伸入基岩内5 m，再灌入水泥砂浆。另外，2处进行了直径1.2 m的旋喷柱灌浆，伸入基岩达5 m深，且灌浆直达抛填土围堰的顶部，高程约为57 m。详见图6。

4 90%压实度的填土围堰

巴西的大多数碾压土坝，采用黏土和无渣土时，其填筑层厚度均为20～25 cm。对比这种情况，考虑到LR3围堰段压实度(90%压实度)并不很高且有别于一般的土坝，因此填筑层厚度采用30 cm。

为评估其效果，进行了专门的试验，以确定新的设计参数。采用这些参数，再对围堰的抗剪强度、渗透性和压缩性进行新的评估。

用于LR3围堰段的土料具有如下主要特点：

(1) 最大干密度为1.52 g/cm3；

(2) 最佳含水量为25.5%；

(3) 塑性指数为32%。

根据固结排水试验得出的有效应力强度(不考虑粘聚力)为：压实度95%时摩擦角为32°，压实度90%时摩擦角为31°。

对于不固结不排水剪切试验，90%压实度时，摩擦角为26°。

基于上述结果，根据摩擦角28°的压实土的有效应力强度，确定LR3围堰段的斜坡。

另外还观察到一个标准特性，即在90%压实度的固结试验结果中，试件在饱和状态下承受80 kPa拉应力时未发生崩塌。

试验得出的渗透性指标如下：

(1) 95%压实度：k=8×10-5cm/s (160 kPa) 和3×10-5cm/s(320 kPa)。

(2) 90%压实度：k=2×10-4cm/s (160 kPa) 和1×10-5cm/s(320 kPa)。

5 施工工序

2009～2012年间的某些施工阶段，从两坝肩部位开始抛石，直至导流完工。部分施工工序如下。

(1) 左岸至安特娜岛之间抛石。

(2) 围堰闭合并带有一处人工碎岩储备的施工场地。围堰之间的基坑是待进行旋喷灌浆的位置。

(3) 普雷西迪奥岛和蒙坦特岛之间的水道被截断，以便碾压混凝土墙和辅助围堰的施工。

(4) 在填土区进行了旋喷灌浆。

(5) 安特娜岛和卡苏爱拉岛之间的水道被截断。辅助围堰LR1是LR3的组成部分。

(6) 围堰闭合，基坑准备抽干。

(7) 蒙坦特和卡苏爱拉岛之间最深槽的最深处高程为-5.0m，该处的围堰高程也最高，达80 m。在槽底部建有一个10 m×15 m的混凝土墙，因为采用土坝施工机械无法到达如此深度，围堰在槽底上方15 m处开始填筑。

(8) 马德拉河的河流改道完成，河流穿过左侧主泄洪道闸孔。LR3和LR2之间区域已抽干，河床中整个区域的开挖工作已准备就绪。

6 水库蓄水与观测仪器

工程所用的观测仪器主要是安特娜岛和左坝肩之间坝段基础中安装的测压计，用于检测旋喷灌浆帷幕和处理后的基础情况。另外还安装有一台流量计，观测到的渗流量约为2.0 L/s(或0.85 L/s/m)，对于该区域顶长为140 m的围堰，该观测值在容许范围内。

观测表明，在河槽边缘处，水位相对较高，表明渗流被防渗墙截住，但在河槽底部有两处测压管显示的水位较低，可能表示有渗流穿过防渗墙。尽管如此，流量计测得的渗透流量较小，说明该基岩区内可能无松散块石或张裂缝，渗透性因此而不大。上述测压管显示的数值降低的原因，可能是受到下游水位的控制。在其余断面，也未观测到大的渗流量。

现场检测未发现任何裂缝，尤其是在最深河槽的两坝肩部位。

7 结 语

圣安东尼奥大型水电工程，从施工开始后不到3 a时间，首台发电机组便投入运行，这是设计、施工和工程监理等参建各方共同努力的结果。

该工程虽然工期紧张、困难重重，且面临大型工程固有的各种技术难题，但仍在规定时间完工，实现了预期发电目标。