白鹤滩水电站大坝上游高土石围堰设计

梁现培，蔡建国，王永明，李 军，任金明

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122)

1 工程概况

1.1 基本概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45 km，电站上接乌东德梯级，下邻溪洛渡梯级。电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合利用效益，是西电东送骨干电源点之一。

工程枢纽由拦河大坝、泄洪消能建筑物、引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m。大坝下游布置水垫塘和二道坝，左岸布置3条泄洪隧洞，左右两岸地下厂房各安装8台单机容量为1 000 MW的水轮发电机组，总装机容量16 000 MW，水库总库容206.27亿m3。电站施工导流采用一次断流围堰、隧洞导流方式，左岸布置3条导流隧洞，右岸布置2条导流隧洞[1]。

1.2 气象水文条件

白鹤滩水电站位于金沙江下游河段，金沙江流域地处亚热带季风区。据白鹤滩气象站1994年～2009年资料统计，白鹤滩坝址区多年平均气温21.9 ℃，多年平均年降水量733.9 mm，金沙江流域年最大洪峰的发生时间主要集中在7、8、9三个月，约占总数的95%以上，其余5%多发生在6月下旬和10月上、中旬。

1.3 地形地质情况

左岸坡为斜顺向坡，680 m高程以下坡度36°，大部分基岩裸露，坡脚处堆积厚约5 m的碎块石。右岸坡为斜逆向坡，坡度相对较陡，坡度52°，630 m 高程以下为临江陡壁，坡度达82°，基岩裸露。河谷呈“V”形，岸边无漫滩，由于河流侧蚀作用，主流线偏右岸。

河床覆盖层厚4.5～14.4.0 m不等，覆盖层主要为漂石夹卵(砾)石，漂石直径一般20～30 cm，直径最大达3 m，漂石占80%～90%，漂石及卵石成分以玄武岩为主，少量卵石为砂岩。覆盖层内未见连续砂层分布。

堰基范围无大规模断层发育。左岸发育NW向断层F11，左岸层间、层内错动带发育，层间错动带C3分布于坡脚(595 m高程左右)。右岸主要发育NE向断层F4，层间错动带C3分布于坡脚570 m高程左右，层内错动带较左岸不发育，仅发育1条[1]。

2 围堰设计

2.1 设计标准

上游围堰最大高度达83.0 m，挡水时间长达4年，拦洪库容达4.0亿m3，级别选定为3级，挡水标准选定为50年一遇，相应设计洪水流量为28 700 m3/s。

2.2 平面布置

上游围堰推荐采用复合土工膜斜墙土石围堰，最大堰高83.0 m。根据导流隧洞平面布置、大坝基坑开挖边线，结合地形条件，将上游围堰轴线布置于拱坝拱冠上游约264 m处，下游坡脚距基坑开挖线约20 m，上游坡脚距左岸导流隧洞进口约85 m，距右岸导流隧洞进口约27 m。

2.3 结构形式

上游围堰堰顶高程经计算分析取658.00 m，堰顶宽度根据施工运行及构造要求取12.0 m，堰顶总长度约为208 m，最大堰高83 m，围堰上游面621 m高程以下坡比为1∶1.5，621 m高程以上为1∶2.3，下游面坡比为1∶1.75，考虑马道，综合坡比为1∶2.25，坡面布置堰后上堰下基坑道路。围堰戗堤布置在防渗墙下游侧，戗堤顶高程610 m，顶宽32 m，上、下游坡比为1∶1.5，戗堤上游侧布置一层5 m过渡料C，防渗墙两侧填筑细石渣料，坡比为1∶1.5，细石渣料上游侧布置石渣料D(过渡料)，最外侧抛填5 m厚大块石。下游坡脚布置排水棱体，顶高程605 m，顶宽15 m，上游侧坡比为1∶1.5，下游侧坡比1∶1.75。

堰体防渗采用复合土工膜斜墙，复合土工膜下面铺设0.6 m厚的垫层料A和3 m厚的过渡料A，复合土工膜上面喷20 cm厚混凝土进行防护。复合土工膜底部锚固在防渗墙顶部，并埋置在盖帽混凝土内；两岸岸坡设置有混凝土趾板，复合土工膜锚固在混凝土趾板上，并以二期混凝土进行覆盖。

防渗墙为塑性混凝土，墙厚1 m，墙顶高程615 m，最大深度51 m，为保证防渗效果，根据规范要求，墙底嵌入基岩1 m。

2.4 基础防渗处理

2.4.1 河床部位基础处理

上游围堰处覆盖层主要为漂石夹卵(砾)石(厚度4.50～14.40 m)，覆盖层渗透系数K为10-3～10-1cm/s，属中等透水层；岩体表层由于卸荷、风化等综合作用，使岩体裂隙扩张，透水性变大。强卸荷带岩体透水率一般为10 Lu，为中等透水，弱卸荷带岩体透水率一般为3～10 Lu，平均5 Lu。

根据围堰堰基处的地质条件，堰基防渗可采用高喷灌浆和混凝土防渗墙。高喷灌浆具有施工速度快的特点，适用于软弱土层，如第四纪的冲(淤)积层、残积层以及人工填土等；混凝土防渗墙施工速度较慢，但防渗效果较好，国内有比较成熟的施工经验，适用于各种地质条件。本工程堰基处漂石占80%～90%，同时考虑上游围堰挡水水头高，为确保防渗效果，采用全封闭混凝土防渗墙。

白鹤滩上游围堰基础覆盖层厚4.50～14.40 m，采用地下连续墙方式防渗，由于围堰高达83.0 m(挡水水头约95.0 m)，如果采用高弹性模量的刚性混凝土防渗墙在上部荷载的作用下，周围土层的沉降比防渗墙大得多，使得墙体承受巨大的周围土体的侧面拖拽力，可能引起墙体内部产生巨大的压应力而导致墙体破坏，因此基础防渗选择弹性模量低，适应变形能力强的塑性混凝土材料。

通过国内工程实践和大量研究认为，尤其是三峡二期围堰的实践表明，围堰防渗墙采用高强度低弹模的塑性混凝土能较好地与周围土体协调分配荷载，防渗墙的应力状态较好。

防渗墙下帷幕灌浆采用单排孔，孔距1.5 m，要求贯穿C3层间错动带不小于3 m，穿过3 Lu线不小于2 m控制。

2.4.2 两岸堰肩防渗处理

根据DL/T5395—2007《碾压式土石坝设计规范》8.4.8条规定[2]，帷幕灌浆的设计标准应按灌浆后岩体的透水率控制。根据坝的级别和坝高确定，1级、2级和高坝的透水率宜为3～5 Lu，3级以下的中低坝的透水率宜为5～10 Lu，基岩相对不透水层透水率的控制标准同上。

上游围堰堰基岩体表层由于卸荷、风化等综合作用，使岩体裂隙扩张，透水性变大。强卸荷带岩体透水率一般为10 Lu，为中等透水，弱卸荷带岩体透水率一般为3～10 Lu，平均5 Lu。层间错动带C3工程类型为岩屑夹泥型，试验表明，其渗透系数为10-4cm/s。

考虑到本围堰设计挡水水头达95.0 m，以及围堰工程的重要性，结合上游围堰的基础水文地质条件，层间错动带C3分布于左岸595 m高程左右，为解决堰肩和堰基基岩透水层防渗问题，在防渗墙下部及混凝土趾板下部设置防渗帷幕，防渗帷幕灌穿过q=3 Lu线以下深度3～5 m(同时保证帷幕灌穿左岸及堰基C3埋深较浅部位)，并将防渗帷幕向两岸延伸，左、右岸分别延伸75.0 m和右岸40.0 m，左岸堰肩帷幕灌浆深度约35～60 m，右岸帷幕灌浆深度25～55 m。

表2 上游围堰堰坡抗滑稳定计算成果

2.5 围堰渗流及稳定分析

2.5.1 渗流计算

针对上游围堰在50年一遇设计洪水位655.58 m的工况下的稳定渗流情况，进行了计算，围堰下游坡脚水位假定在基坑底部545.00 m。不同填筑区域材料的渗透系数参考类似工程经验取值，计算软件采用在岩土工程中应用极为广泛的Geo-Seep/W进行计算。图1、2分别为计算工况简图、等水头线图，计算结果见表1。

图1 白鹤滩上游围堰平面渗流计算剖面示意

图2 上游围堰等水头线及浸润线

单宽渗流量/m3·(d·m)-1防渗墙承受的最大水力坡降防渗墙后浸润线高程/m边坡出逸比降边坡岀逸高程/m13.9184.10571.330.14568.38

在上述假定条件下，渗流计算成果表明，通过堰体和堰基的最大单宽渗流量为13.91 m3/(d·m)-1，防渗墙内最大水力坡降84.10，未超过混凝土防渗墙一般允许坡降；逸出点位于围堰的下游坡脚处，逸出段水力坡降为0.14，根据工程实践经验及长科院土工试验结果[2]，上游堰趾处覆盖层临界比降为0.1～0.2，因此，存在发生渗透破坏的可能，同时考虑到实际情况与计算模型假定条件的差异，宜在上游围堰的下游坡脚处覆盖层采取适当的防护措施，以免造成坡脚覆盖层发生渗透破坏。

2.5.2 堰坡稳定分析

根据渗流计算成果，对上游围堰进行与渗流耦合的边坡稳定分析。

根据《水电工程围堰设计导则》[3]，并结合DL/T5395—2007《碾压式土石坝设计规范》第10.3.2条规定，“控制抗滑稳定的有施工期(包括竣工时)、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况”[4]，对围堰的上述4种工况进行边坡稳定复核，计算结果见表2。

根据表2可知，各种工况下上游围堰上、下游边坡稳定安全系数满足规范要求，围堰边坡是安全的。

2.6 围堰填筑料要求[5- 6]

2.6.1 石渣料

石渣料级配要求：①石块饱和抗压强度>35 MPa，软化系数>0.8；②级配连续，最大粒径800 mm(围堰防渗墙区域采用细石渣料，最大粒径300 mm)，小于5 mm的颗粒含量不超过20%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%；③石渣料A区(水上碾压部分)填筑设计指标要求为，孔隙率不大于24.5%，干密度不小于2.05 g/cm3，渗透系数不小于1×10-1cm/s。

2.6.2 过渡料

过渡料级配要求：①石块饱和抗压强度>35 MPa，软化系数>0.8；②级配连续，最大粒径150～300 mm，小于5 mm的颗粒含量不超过20%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%；③填筑设计指标要求为孔隙率不大于24.0%，干密度不小于2.05 g/cm3，渗透系数控制在1×10-2～5×10-2cm/s。过渡料与石渣料之间需满足层间系数要求。

2.6.3 垫层料

级配要求：①级配连续，最大粒径20 mm，小于5 mm的颗粒含量不少于50%，小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%；②设计指标要求为相对密度不小于0.75，干密度不小于1.98 g/cm3，渗透系数控制在5×10-3～10×10-3cm/s。垫层料与过渡料之间需满足层间系数要求。

为保证垫层料在施工过程中不刺破土工膜，应安排生产性试验进行验证。在具备条件的基础上应尽可能利用天然砂砾料作为垫层料，如果采购不到或总量不足，垫层料可采用人工碎石料。

2.6.4 排水棱体

排水棱体填料采用弱风化开挖料，岩块湿抗压强度大于40 MPa，要求粒径为600～800 mm。

2.6.5 碎石土料

要求碎石土最大粒径不大于100 mm，粒径大于5 mm的颗粒不宜超过50%；压实度控制在0.98以上，采用坝址区进水口开挖的碎石土料。

3 围堰施工

围堰施工节点为：2015年11月27日围堰戗堤进占合龙，大江截流；2015年12月16日开始防渗墙槽孔施工；2016年1月15日防渗墙首仓浇筑；2016年3月5日防渗墙浇筑完成；2016年4月17日墙下帷幕灌浆施工全部完成；2016年6月7日上游围堰填筑完成至658 m高程；2016年6月14日上游围堰斜墙复合土工膜敷设、焊接、检查完成。

4 结 语

目前，上游围堰已经过两个汛期的考验，围堰坡脚没有发现大的渗水点，上、下游边坡稳定安全，运行情况良好，为大坝浇筑、水垫塘等基坑内工作面正常施工提供了保障。

参考文献：

[1] 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司. 金沙江白鹤滩水电站大坝上、 下游围堰招标设计报告[R]. 杭州： 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司， 2013．

[2] 长江水利委员会长江科学院.金沙江白鹤滩水电站可研阶段土石围堰土工试验及结构应力渗流与稳定分析研究报告[R]. 武汉： 长江水利委员会长江科学院， 2013．

[3] NB/T 35006—2013 水电工程围堰设计导则[S]．

[4] DL/T 5395—2007 碾压式土石坝设计规范[S]．

[5] 张洁， 刘懿辉. 溪洛渡水电站高土工膜心墙土石围堰设计[J]. 黑龙江水利科技. 2013(3): 67- 69．

[6] 魏丽琴， 涂小飞. 溪洛渡水电站上游围堰设计与施工[J]. 水电站设计， 2011， 27(3): 36- 40．