围堰和堆石坝作为临时导流建筑物的风险与挑战

［巴西］ M.S.弗赖塔斯 等

1 概述

高坝施工导流期所需的临时工程和措施通常是在大江大河上进行，此时必须填筑高围堰并使其高度满足设计洪水重现期的要求。最近几十年，在巴西和中国的一些大型水利工程中，河流流量2000～4000 m3/s的导流工程都取得了成功。围堰和堆石坝保护的前期土建工程设施准备，通常在大且狭窄的山谷中进行。在围堰填筑过程中或截流之后，突发的地质、岩土工程和地形问题会延迟工期，并增加基础处理的费用，这些都属于施工进度风险，主要发生在交钥匙总包的基础工程中。在某些实例中，建议雇用潜水员进行水下检查。由于在可行性研究阶段或投标过程中缺乏深入的勘察，河床区域也可能出现未知的古河道或者岩溶地层等地质结构问题。

在施工导流阶段，围堰和主坝(部分为堆石坝)填筑阶段，无论是否采用洪峰期漫顶方案，采用水文重现期的设计准则，都可得到最优化并节省时间和费用。无论是否将漫顶作为设计准则，都能实现临时建筑物规模设计的最优化，包括坝体填筑保护，隧洞开挖(狭窄山谷中)等。

巴西装机1200MW的塞拉达梅萨(Serra da Mesa)坝为一大型水电工程，其围堰和堤坝都设计了保护设施，进行了水工模型试验，并且已在汛期成功实施。从有关文献中得知，在汛期采用加筋堆石体直接过水的方案已在一些实际工程中得到应用。

2 施工导流期的主要影响因素

除了在围堰顶高程计算和导流布置中需要考虑的水文问题之外，设计人员和施工人员还必须考虑其他一些非常重要的关键因素，如:①河床的地形和地质勘察结果;②大坝布置和导流期设计;③水文与环境影响问题。为了降低沿基础管涌及围堰失稳风险增加的可能性，施工规划和导流作业需依靠一些与河床地形测量、河床深度测量、等深度图相关的前期信息。导流工程通常需要进行三维模型研究，再现坝址区河道走向地形。此外，需要利用数学模型进行围堰的水力学计算。

前期围堰施工之后，围堰基础处防渗心墙区的冲积(砂和砾石)材料需要事先进行疏浚处理。如果河床在大范围内其冲积(砂和砾石)层厚度达到8 m以上，则疏浚程序技术上不可行，或者费用太高。因此围堰基础需要考虑采用地下连续墙或喷射注浆法(两列或三列)进行防渗处理。由于水下抛填过程中潜在的颗粒分离风险，堆石围堰防渗心墙中还有一个重要的问题就是过渡带的粗粒材料。此外，为了防止防渗心墙与基岩的接触面减少并因此危及防渗区，防渗心墙与基岩的接触区必须考虑基岩表面的急剧变化。

3 基础处理

河床区域的岩基处理工作已经引起水电工程承包商和业主的关注。在EPC(设计、采购、施工)/交钥匙总包合同中，如果在设计阶段或投标过程中不能准确勘测到不可预见的地质问题，如古河道或地质断层/断裂等，将可能增加工程造价，并延长导流阶段的计划工期。

必须在有高级地质学家和岩土工程专家深度参与的情况下进行地形勘测作业和精确的地质勘察。

4 围堰河床处理实例

圣安东尼奥(Santo Ant^onio)工程坐落于巴西马德拉(Madeira)河上。马德拉河长1200km，是亚马逊河最大且最重要的支流。大坝形成的水库面积为350km2，其径流式电站将安装44台灯泡式水轮机机组，每台装机容量为71.6MW，总装机3150.4MW，第1台机组于2012年3月投入商业运行，截止2013年4月，已有12台机组投入使用。最后一台机组将于2015年11月投运。马德拉河坝址处流量2400～47000 m3/s。导流阶段围堰的设计标准为100 a和1000 a一遇的洪水。

主要建筑物基础区域存在的主要问题如下:岩石裂隙管涌和相关的风险;沿坝轴线岩基的急剧变化;基础处理的工期安排。

马德拉河的高流量和低流速，再加上围堰基础处(上游和下游)河床急剧变化的地质地形，使得必要的详细勘察在设计阶段难以实现。在围堰施工阶段，勘测到岩基高程比较低，范围从高程+10.0 m(与前期估计值相同)到高程－8.0 m。此外，在该区域还发现层厚8 m的冲积基岩料。

根据需要，围堰上游区采用砖红色粘土结合主坝碾压心墙，可以确保坝体具有很好的抗渗条件。在坝址区进行深层基岩处理之前，先要进行灌浆作业并覆盖混凝土底板。

在二期导流截流阶段，马德拉河流量为11755～7882 m3/s。2011年7月，河流导流的整个低顶堰(泄水建筑物)完工。在最后2 a，围堰内部没有检测到明显的渗漏，围堰安全稳定，工作性能良好。

5 汛期漫顶实例

塞拉达梅萨坝坐落于托坎廷斯(Tocantins)河上，其常规开敞式溢洪道，最大设计流量为14750 m3/s。花岗岩中开挖的一地下厂房，装机容量为1200MW。该粘土心墙堆石坝在河床处的最大高度为154 m，总堆石量为12619 m3。

施工分5个阶段进行，在第1个阶段，堆石坝按在雨季允许漫顶设计。大坝漫顶截面设计在两个RCC过水围堰之间，可支持大流量和高流速的过流。

根据水工模型(比尺1∶100)试验结果和水力分析，堆石坝第一个溢流阶段设计有2.0 m厚的堆石层。保护坝堤的总堆石量为69000 m3。安装了以下仪器用于漫顶检测:10个气压式孔隙水压计(其中3个置于基岩处)，3个气压式压力盒，1个配有磁环可测量垂直和水平位移的测斜仪。3个水压计布置在坝顶附近，即在洪水经过发生漫顶时可能的饱和区域。

从1989年12月到1990年3月，已出现的最大入流量为9200 m3/s。大坝围堰在第1阶段出现的第1次漫顶是从1989年12月11日到1990年1月16日，再次出现漫顶则是从1990年1月28日到1990年3月2日。最大水头为17 m，出现在1989年12月到1990年2月之间的行洪期。

过水围堰在塞拉达梅萨坝中的应用，使大坝总填筑量节省了10%，即联合围堰方量为150万m3(包括堆石、过渡料和防渗材料)。此案例说明，结合溢流阶段设计大坝是可行的方案，该方案能够实现施工进度和工程费用的优化。

6 与导流阶段相关的评述

对于设计及其准备工作，为了降低基础围堰以及主坝额外处理工程的风险，必须具有与河床地形测量相关的前期信息，包括等深线图、地质及岩土勘察结果。基础区域的地质断层、不可预知的古河道或易腐蚀的砂岩或岩溶地质形态，在投标设计阶段无论是否探测到，都会增加EPC模式下承包商在施工过程中的费用和风险，因此，承包商将承担项目风险，并要做出总包(lump sum)价预算。

对于围堰深基础处理，喷射灌浆是一个可行的方案。在厚冲积层(砾石和(或)层厚度超过8 m)中，喷射灌浆可代替疏浚工作，以节省时间和费用，并且能够控制基础渗漏。

围堰和主堆石坝或堆石防渗心墙可设计为在汛期或者导流阶段允许漫顶，优化永久导流建筑物如隧洞尺寸、廊道尺寸等。

加筋堆石(金属笼，钢筋)保护措施可以保护堆石体在过水时不被侵蚀和不坍塌。这些方案在巴西两座大型堆石坝，即科伦巴一级(Corumbá I)和塞拉达梅萨坝中均得到应用。在所有的这些工程实例中，过水之后的局部检测表明堆石体受损并不明显，这证明在施工过程中通过对导流建筑物规模的优化设计，可以节省费用，并缩短工期。