黄河海勃湾水利枢纽工程主要技术特点及难点

阮建飞,翟兴无,周志博

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 工程概况

黄河海勃湾水利枢纽位于黄河干流内蒙古自治区境内，是《黄河流域防洪规划》和《“十一五”全国大型水库规划》中的黄河干流梯级工程之一，工程任务是防凌、发电等综合利用。工程左岸为乌兰布和沙漠，右岸为内蒙古新兴工业城市乌海市。坝址上距石嘴山水文站50km，下游87km处为已建的三盛公水利枢纽。

海勃湾水利枢纽总库容4.87亿m3，电站总装机容量90MW，多年平均发电量3.817亿kW·h。工程为Ⅱ等工程，工程规模为大(二)型，枢纽主要建筑物土石坝、泄洪闸、电站等为2级建筑物，其设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇，相应下泄流量分别为6100m3/s和9100m3/s。

2 主要技术特点

2.1 枢纽布置

枢纽坝轴线采用折线形布置，如图1所示。枢纽建筑物从左至右依次为左岸滩地土石坝、土石坝与泄洪闸连接段、河床左岸16孔泄洪闸、河床右岸电站坝段(4台机组)、右岸连接坝段，总长6918.7m，其中河床枢纽总长1054.50m。

图1 枢纽坝轴线平面布置示意图

枢纽布置型式主要考虑了以下因素：

根据主河槽内地层分布特点：河槽左岸砂砾石层分布较高，右岸由于河道冲刷等影响，形成深厚松散细砂层。将建基高程较高的泄洪闸布置在主河床左岸，将建基高程较低的电站坝段布置在河床右岸，不但可以充分利用地层有利条件，且对外交通及生活区在河床右岸，便于电站的出线和交通布置，运行管理方便。

针对左岸土石坝布置，工程因风积砂的水理性质较差，经水浸泡后，存在渗透稳定及绕坝渗流等问题，并且活动砂丘的不稳定性会对水库大坝的安全产生不利影响。因此，依据地形地质条件将土石坝分为两段：其中坝0+493.0m～4+043.3m段将上部风积砂全部挖除，采用“黏土心墙土石坝+混凝土防渗墙”型式；坝4+043.3m～6+864.2m段考虑地面较高，风积砂层较厚，故仅采用混凝土防渗墙防渗措施，平均墙深16.3m。

2.2 坝型选择

根据坝址区地质概况可知，海勃湾坝址处于中强地震区，地形开阔，坝线长，坝基为巨厚的第四系松散堆积层。从坝址地形地貌和地层岩性等因素判断，工程区没有修建重力坝和拱坝地形地貌和地质条件，而适宜修建土石坝。

土石坝坝型选择主要是针对C点以东的土石坝段进行的。在初步设计阶段，对该挡水坝段比较了黏土心墙、黏土斜墙、复合土工膜心墙、复合土工膜斜墙、沥青混凝土心墙坝等土石坝坝型，坝基防渗措施比较了复合土工膜铺盖、水平黏土铺盖、高喷防渗墙和垂直防渗墙，在对坝型及坝基防渗分别进行经济技术比选后，选取以下三种组合方案对坝型进一步比较：①复合土工膜斜墙坝+复合土工膜铺盖；②黏土心墙坝+混凝土防渗墙；③黏土斜墙坝+黏土铺盖。

选取在2017年2月至次年2月期间收治的2型糖尿病住院病患共10例,按照随机数字表法均分两组。对照组中男女比例为29:26;年龄区间处于50-72岁,平均年龄(61.78±2.37)岁;糖尿病病程(3.67±1.21)年。观察组中男女比例为31:24;年龄区间处于51-73岁,平均年龄(62.04±2.51)岁;糖尿病病程(3.71±1.94)年。两组均经我院确诊为2型糖尿病,需日常注射胰岛素治疗,剔除脏腑功能障碍及严重心血管疾病患者,组间基础资料无明显差异(p>0.05)。

最终通过比较认为：从防渗效果分析，垂直防渗墙防渗效果较好；从投资角度分析，方案①的工程投资最小，方案③的工程投资最大；从施工难易程度和施工质量来看，斜墙和水平铺盖的施工难度小且施工质量更容易保证；从坝型使用的防渗材料及数量来看，方案②使用防渗土料数量明显少于方案③，达到防渗目的同时可以节约造价，至于复合土工膜防渗体坝，虽然其投资较少，但与黏土心墙坝相比，二者投资相差不大，且规范规定“3级低坝经过论证可采用土工膜防渗体坝”，而对在2级坝上的使用，需要论证，且要求严格，应慎重使用，故不推荐采用。

综合考虑，确定坝型为黏土心墙坝，坝基防渗措施采用混凝土防渗墙。

2.3 地基处理

海勃湾坝址区地层主要由第四系松散堆积物组成，总厚度大于500m，岩性主要由细砂、壤土、砂壤土、黏土、砂砾石等组成，在8度地震设防烈度下，存在地震液化、坝基渗漏、渗透稳定等问题，根据不同建筑物地基存在的问题，具体措施采用如下：

电站基础坐落在第Ⅲ地质单元以粉砂和细砂为主的土层上，原状土体主要存在承载力不足、渗透稳定等问题，另外，对于施工期开挖扰动后土体，其在地震情况下也存在液化问题，综合考虑造价、地基处理效果、施工工艺等，工程采用振冲碎石桩解决地基承载力不足、扰动土体液化问题，桩距2.0m，桩径1m，桩长介于10～16m，等边三角形布置。采用0.6m厚塑性混凝土防渗墙解决渗透稳定问题，防渗墙嵌入下部相对不透水的黏土层不小于1m。

泄洪闸段地基土层以第Ⅱ- 2地质单元砂砾石为主，由于其细颗粒含量较多，初判为可能液化土，需采取相应工程措施予以处理。工程采用振冲碎石桩解决土体液化问题，桩距2.5m，桩径1m，桩底嵌入Ⅲ地质单元不小于0.5m，等边三角形布置，采用0.6m厚、40m深塑性混凝土防渗墙解决渗透稳定问题。

土石坝段其持力层范围内的第Ⅱ- 2地质单元冲积砂性土和壤土，均为液化土，需要采取相应处理措施，以提高抗震性能。根据分析比较，结合开挖，针对液化层深度6m以内的区域，采用强夯进行处理，夯点间距3m，梅花形布置，其他区域采用振冲碎石桩解决土体液化问题，施工阶段经优化，局部考虑压重效应桩长适当减短，桩距3m，桩径1m，等边三角形布置。针对渗透稳定及绕坝渗流问题：BC段采用0.4m厚、20～40m深(CD段采用0.3m厚、15m深)塑性混凝土防渗墙。

2.4 建筑方案选择

海勃湾水利枢纽工程位于乌海市滨河新区，为内蒙古自治区重点工程，工程的建成会使乌海市恶劣的自然环境得到大的改善，可极大地提高乌海市的旅游地位。故业主对工程提出了更高的要求，要把本工程建设成为精品工程，建成标志性建筑物。经过多次外檐方案比选，最终确定“展翅腾飞的天鹅”作为实施方案。在造型设计中，结合轻型屋顶，力求把本工程塑造成即将展翅腾飞的天鹅。在建筑设计中，把乌海市的书法元素融入其中，外墙面采用仿石材铝板幕墙和玻璃幕墙相结合的形式，铝板幕墙上开出大小不一的方窗，形成各种岩画中动物的形状，并通过灯光处理，玻璃窗及幕墙上映衬出各种文字，主色彩采用红色、白色和灰色，充分体现了乌海市书法城的特点。

目前，海勃湾水利枢纽工程以其独特的建筑造型，已经成为乌海市的一张名片。

3 主要技术难点及对策

3.1 多泥沙河流上的径流电站布置

在充分考虑枢纽坝址处地形条件、水库运行方式、水沙条件等重要影响因素后，汲取了黄河干流工程成功的枢纽布置和排沙设施运行经验。提出了右岸电站设一机一孔排沙、左岸低底坎开敞式泄洪闸的布置方案。对于确定的枢纽布置进行了电站排沙孔断面水工模型试验和枢纽整体水工模型试验。模型试验结果表明，排沙孔体型设计合理，电站的排沙设施可以保证电站“门前清”，泄洪闸排沙作用明显，按设计要求在汛期适时降低水位排沙既可控制库区淤积形状，确保水库的有效库容。

3.2 深厚覆盖层的防渗方案选择

在初步设计阶段，坝基防渗方案比较了水平和垂直防渗两种方案，本工程地基允许渗透坡降为0.14，经计算分析，采用100m长的黏土铺盖(平均厚度2m)和40m深的防渗墙均能满足允许渗透坡降的要求，通过造价分析表明，水平防渗无论是采用黏土铺盖，还是采用混凝土铺盖，其单位长度造价均较混凝土防渗墙高，综合分析，本工程采用混凝土防渗墙方案。

结合结构计算、施工工艺及造价进一步分析，本工程上下游最大水头差不超过11m，土石坝段最大坝高16.2m，泄洪闸段最大坝高19.8m，电站坝段最大坝高35.2m，经计算，防渗墙承受的总体应力水平不高，采用0.4m(或0.6m)厚刚性混凝土或塑性混凝土防渗墙均可满足要求，且塑性混凝土防渗墙的应力变形协调性相对更优，同时节约造价，综合考虑施工孔斜率控制等工艺要求，河床枢纽坝段最终确定采用0.6m厚塑性混凝土防渗墙。

黄河海勃湾水利枢纽坝基覆盖层深厚，采用混凝土防渗墙截断坝基渗流符合一般工程处理措施，但由于刚性深而薄的混凝土墙夹在较柔软的砂性土坝基中，如何考虑接触面形式及参数，对防渗墙应力及变形会产生较大的影响，本工程在防渗墙结构计算过程中，考虑了防渗墙与坝基土体之间泥皮作用，采用接触单元，适当减少摩擦系数，得出的防渗墙应力及变形能较好符合其实际运用情况，为防渗墙设计提供了较好的依据。

3.3 砂砾石液化地基的处理及效果评价

海勃湾坝址工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.228g，相应地震基本烈度为8度，在地震荷载作用下，泄洪闸地基Ⅱ- 2地质单元砂砾石存在局部液化可能，为此，设计采用了振冲碎石桩予以处理。但在实际操作过程中，虽经多次咨询论证，针对地基砂砾石层液化处理仍存在一定争议。一方面砂砾石液化工程案例并不多见，国内类似可借鉴经验相对较少，而工程区域砂砾石层厚度普遍较大，最厚处达13m，对于振冲设备及施工工效都是一种考验，通过振冲碎石桩处理能否达到预期效果有待验证；另一方面目前对砂砾石液化评价尚无一套成熟的理论体系，剪切波速法、剪应力对比法等一般只适用于液化土体的初判，通常采用相对密度测试法也有局限性，常规钻孔取样对样品扰动较大，而挖探坑进行原位取样存在排水困难、后期回填处理等一系列问题，给施工检测带来诸多不便。因此，如何验证振冲碎石桩挤密效果，确定砂砾石层施工检测方法，建立一套符合本工程特点的地基处理评价体系，是本工程需要重点解决的问题。

为此，本工程结合现场试验，积极探寻本工程区砂砾石层相对密度Dr和动力触探击数N63.5之间关系，确定砂砾石相对密度0.75所对应的动力触探击数N63.5，为施工生产的检测提供操作性和可靠的控制标准，并为最终单元工程质量评定提供必要依据。

从整体趋势来看，通过对砂砾石层动力触探和相对密度的检测，显示了动力触探击数增大，相对密度相应提高的对应关系，两者相关性较好，且可以看出，本工程Ⅱ- 2地质单元砂砾石相对密度Dr=0.75所对应的动力触探击数N63.5为30击。其拟合曲线如图2所示。

图2 砂砾石相对密度Dr—动力触探击数N63.5关系曲线

3.4 粉细砂地基的消能防冲设计

由于泄洪闸段下游冲刷区地层均由第四系全新统松散堆积物组成，抗冲刷能力差，其不冲刷流速分别为：第Ⅱ- 1地质单元粉细砂为0.4～0.5m/s；第Ⅱ- 2地质单元砂砾石层为0.8～0.9m/s，在较高流速水流作用下会产生冲刷破坏，甚至会造成溯源淘蚀破坏。通过计算并结合模型试验表明，在各种运行工况下，下游冲刷区域内的流速均超过了允许抗冲流速，局部最大底部流速可达5m/s，会对下游河床造成冲刷破坏，常规运行工况下，最大冲刷坑深度约为9.3m，最不利工况下即校核工况下冲刷坑深度可达到约30m。

防冲措施的选择需考虑如下几个因素：

(1)区域内土体抗冲流速低，完全采用水平防护并不能完全解决其下游河床的冲刷。

(2)根据计算，需要的最大海漫长度约为105m，工程量较大，措施选定还需考虑投资及实际效果问题。

(3)在设计和校核工况下，假定计算后的下游河床冲坑深度均较大，前者约为17m，后者约为30m，结合周边地形分析，实际上此时下游河床水位均已超过了左岸滩地高程，行洪断面已超出了河床断面，其单宽流量会进一步减少，实际冲刷坑深度应小于假定计算深度，且上述两种工况出现概率小，历时短，采用上述标准控制偏高，故结合有关规范对消能防冲要求，在制定防冲措施时，应以防护常规运行工况为主，而在非常规工况下可允许其产生破坏，但局部可能产生的破坏应不致于对主体建筑物造成较大影响，以达到节省工程投资的目的。

基于上述因素考虑，海勃湾枢纽工程防冲措施选用“水平+垂直”两种相结合的防护方式：远离主体建筑物区域采用水平防护措施，即采用具备一定抗冲刷能力且造价相对低廉的浆砌石海漫，在其后布置抛石防冲槽；靠近主体建筑物区域采用垂直防护措施，即在消力池与海漫间的混凝土护坦末端，设置一道“工”字形钢筋混凝土防冲墙，考虑其后采取了海漫防护措施，即使局部产生破坏也可采取抛石等措施进一步防护，综合考虑防冲墙深度按常规运行工况控制。

泄洪闸于2013年5月底投入运行，期间海漫局部区域形成了较大的冲坑，但护坦末端由于设置了防冲墙而安然无恙，保证了主体建筑物的安全，由此进一步验证了防冲墙设置的必要性及可靠性。为保证后期运行安全，后对海漫冲坑采用抛石回填修复加固处理。

4 结语

黄河海勃湾水利枢纽工程是中国实施“西部大开发”战略重点建设项目之一，也是黄河内蒙古段唯一一座以防凌为主的大型水利枢纽工程。工程自2013年5月底运行以来，主体建筑物总体运行良好，发挥了其防凌效益的同时，还带来了良好的发电效益，对于改善区域生态环境也起到了非常重要作用。

黄河海勃湾水利枢纽工程涉及专业多、内容广，在枢纽布置、坝型选择、地基处理及建筑设计等技术方案选择上均有其显著特点，设计过程中，该工程重点解决了多泥沙河流上径流电站布置、深厚覆盖层的防渗方案选择、砂砾石液化地基的处理及效果评价、粉细砂地基消能防冲等问题。针对泄洪闸下游粉细砂地基抗冲刷能力不足等问题，工程采用了“工”字形防冲墙，以策安全。在施工阶段，针对防渗墙、碎石桩复合地基的效果评价等还多次组织专家进行现场咨询，保证了工程建设的顺利推进及后期运行安全可靠。