江坪河水电站工程特点及关键技术研究综述

殷彦高，王国辉，李跃鹏

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 工程概况

江坪河水电站位于澧水一级支流溇水上游河段，湖北省鹤峰县走马镇境内，工程以发电为主，兼顾防洪。水库正常蓄水位470.00 m，水库总库容13.66亿m3，具有多年调节性能；电站装机容量450 MW，多年平均发电量9.64亿kW·h，为一等大(1)型工程。

电站枢纽建筑物主要有大坝、泄洪建筑物、引水发电系统。大坝布置于峡谷中部；泄洪建筑物集中布置于右岸，溢洪道为2条平行布置的隧洞泄槽式结构，溢流堰采用开敞式，孔口尺寸14 m×22 m(宽×高)；泄洪放空洞平行布置于溢洪道左侧，由进水口、有压洞、弧形闸门竖井及无压洞组成，控制断面6 m×6 m(宽×高)；泄洪建筑物采用挑流消能。引水发电系统布置在左岸，采用单机单洞供水方式，设2条直径为6.4 m的引水隧洞；岸坡式地面厂房安装2台混流式机组，单机容量225 MW。电站枢纽总体布置见图1。

2 狭窄河谷高混凝土面板堆石坝变形控制

江坪河坝址河谷呈“V”型，两岸多为悬崖和陡坡，河谷形状系数A/H2(面板面积与坝高平方之比)约1.2，宽高比为1.8，且坝基地层岩性软弱不均、左右岸分布高程不对称。具有以下特点：①由于河谷地形狭窄，堆石体变形具有较强的空间效应，变形稳定时间长，后期变形大；②筑坝材料主要采用属于超硬岩的冰碛砾岩，在国内外高面板堆石坝工程中，工程实例、可借鉴的经验不多；③冰碛砾岩料场岩体致密、节理构造不发育，爆破后堆石料粒形不良、级配不尽合理。

图1 江坪河水电站枢纽布置示意(单位：m)

2.1 坝体应力和变形特性

考虑堆石体运行期蓄泄循环作用下，坝体变形与应力的有限元计算极值见表1，其主要特性：①狭窄河谷地形导致堆石体具有明显的拱效应；②考虑狭窄河谷堆石体与基岩之间的滑移时，堆石体的最大主应力明显增大，堆石体的变形量也有所增大，面板的应力也有增大的趋势，更符合大坝的实际工作性态；③堆石体的流变导致坝体的变形和应力均增加；堆石体流变使得面板呈现进一步压紧的趋势，导致面板应力也有所增加；④考虑运行期水库蓄泄循环荷载作用的流变过程，坝体的变形与应力都有所增大；⑤设置永久水平缝可以减小面板顺坡向压应力，均化面板应力分布，设置水平缝可以改善面板工作性状；⑥ 坝址区地形复杂，如两岸扭曲的冲沟、陡坎和主河床在坝轴线位置的漏斗状河谷地形，导致坝体应力与变形较为复杂[1]。

2.2 变形控制措施研究

面板是大坝的主要防渗体，为避免面板脱空、结构性裂缝、垂直缝挤压破坏等情况，针对变形特性，为减小大坝变形和不均匀变形，减少坝体沉降[2-3]，主要采取以下措施：

表1 坝体有限元计算极值

(1)合理选择坝料。堆石料的选择是限制过大变形的主要手段。岩石类型是影响总变形量的决定性因素，较坚硬的岩石，具有较小的变形，硬岩堆石流变变形速率的减少比软岩堆石快。江坪河坝料主要采用冰碛砾岩，属坚硬岩石，强度适中，是由占50%～59%碎屑和占41%～50%杂基两种矿物质组成；饱和单轴抗压强度为41.3～107 MPa，平均值为71.1 MPa，岩石的软化系数为0.55～0.78，平均值为0.65。

(2)提高填筑标准。坝体填筑标准从严要求，主堆石料和下游堆石料孔隙率采用了比已建200 m级高面板堆石坝更小的指标，即孔隙率小于或等于18.8%，填筑孔隙率在规范要求的填筑标准基础上提高约10%。

(3)合理坝体分区。在坝体分区方面，堆石体采用“均质坝”结构，有利于控制坝体变形与不均匀沉降。根据料源实际情况，主堆石料和下游堆石区均为同一种料，即冰碛砾岩，设计指标和碾压参数均相同，并在冲沟和两岸接头部位采用过渡料设置低压缩区。

(4)选择合适的碾压机具及碾压工艺。通过多场次爆破碾压试验研究，对碾压机具、碾压参数等提出了比以往面板堆石坝施工更高、更严的要求，首次提出了“32 t振动碾、60 cm铺层厚度、碾压12遍、洒水15%”的碾压机具和填筑碾压参数。

(5)减小河谷形状的不利影响。坝址岸坡陡峻，且为“漏斗状”地形，为减小坝体拱效应、控制坝体不均匀沉降，修整陡坎使趾板下游边坡成为较平顺的连续面，避免较大的陡坡突变；填筑分区上使大坝不同部位的变形能平缓过渡。

(6)大坝填筑上下游均衡上升。在大坝分期施工方面，除了坝内临时断面外，采取了均衡上升的填筑方式，尽量使坝体均衡沉降，减少坝体不均匀变形对周边缝和面板应力、变形等的不利影响。

(7)面板浇筑时机与分期。为了减轻后期填筑的堆石体对先期面板位移的不利影响，面板分三期浇筑；面板浇筑采用双指标控制：一是控制堆石体自沉降时间不少于6个月，二是控制下部坝体沉降速率不大于5 mm/月。另外，在面板高程430 m设置1条永久水平缝以减小面板顺坡向压应力，均化面板受力，改善其工作性态。

3 高水头大断面洞室泄洪系统

由于地形条件限制，右岸集中布置了两孔隧洞式溢洪道和一孔泄洪放空洞，组成大断面洞室泄洪系统[4]，其布置及运行具有以下特点：①围岩稳定问题突出；②工作水头高、流速大，衬砌结构减蚀、抗冲耐磨要求高；③洞室围岩差异性较大，衬砌混凝土强度高、且要求全年施工等特点，衬砌混凝土施工温控要求高。

3.1 地下洞室群围岩稳定问题及措施

泄洪建筑物三条洞室布置基本平行，两条溢洪道开挖断面宽为17 m，洞间岩柱厚18 m；泄洪放空洞无压洞段开挖断面宽为7.0 m，与溢洪道洞间岩柱厚仅15.5 m，隧洞间岩柱厚度基本上为一倍洞径左右，该范围还布置了多条掺气洞、交通洞、泄洪放空洞工作闸门竖井等洞室，地下洞室群布置密集且开挖断面大。上覆山体地形陡峭，侧向埋深小，围岩体卸荷裂隙发育。洞室群主要通过的地层为孔王溪组钙质粉砂岩、板岩、白云质灰岩，部分洞段为强风化岩层及溶蚀堆积物和垮塌拉裂岩体，围岩条件相对较差，近1/3洞段为Ⅲ(2)～Ⅴ类围岩，围岩稳定问题尤为突出。

通过对洞室群围岩稳定性、围岩体主要参数的敏感性、支护参数和开挖程序合理性和衬砌结构等方面的研究，采取了以下措施：①选择合理的开挖程序，开挖顺序为：泄洪放空洞→②溢洪道→①溢洪道，要求洞间撑子面间距40 m以上。洞内开挖分三层，层厚分别为7、8、3 m；②严格控制爆破参数，对爆破质点振动速度进行监测，尽量减少爆破施工对岩体及相临洞室的影响；③ 及时支护，要求系统支护滞后于开挖工作面不应大于40 m；④洞室进出口段和Ⅳ～Ⅴ类围岩洞段，洞室之间岩体采用对穿预应力锚索、预应力锚杆等加固措施。

3.2 高速水流掺气减(免)蚀系统

通过高速水流模型试验研究，采用了系统的掺气减(免)蚀系统：①沿泄槽间距100～120 m设置底部掺气设施，溢洪道设置5道，泄洪放空洞设置3道，各掺气设施能形成稳定空腔，掺气效果良好，能有效地掺气保护；②为了保证充分掺气，除靠近进出口的掺气坎采用洞顶掺气外，其余各道掺气坎设置了相对独立的掺气洞系统，与洞外连通，从洞外掺气，溢洪道设置3道，泄洪放空洞设置3道，共6道；③溢洪道第一道掺气设施下游，由于水流表面掺气未充分发展，存在未掺入空气的楔形清水区，为了掺气保护该范围侧墙，在溢洪道陡坡段和反弧段各设置了一道侧掺气设施，其结构参数：坎高为0.3 m，坎坡为1∶48。

3.3 衬砌混凝土温控措施研究

通过仿真分析，研究了隧洞衬砌混凝土的准稳定温度场、不稳定温度场及温度徐变应力、施工期的温度控制标准及措施、施工参数的选择，采用如下控制措施：①严格温控标准，控制入仓温度，采取保温措施。高温季节施工时，衬砌混凝土施工浇筑温度控制在20 ℃，并通冷却水冷却；低温季节施工时浇筑温度低于18 ℃自然入仓，并在施工过程中采取封闭洞口或者表面保护措施；②控制浇筑时段，洞内洞口分序施工。为确保施工工期，洞内衬砌全年施工；洞口段衬砌冬末春初浇筑，浇筑完拆模后采取表面保温措施至5月下旬；③选择合适的结构分缝长度，控制温度裂缝，泄洪洞有压段、无压段和溢洪道衬砌结构缝长度控制分别控制在12、9、27 m，以减少由于钢筋约束产生的温度裂缝。

3.4 抗冲耐磨混凝土研究

通过衬砌抗冲耐磨混凝土配合比及其主要物理、力学、热学、变形、耐久性等性能比选研究，采取如下措施：①确定抗冲耐磨混凝土配合比的水灰比为0.35，砂率为40%；②采用高效减水剂和引气剂，提高混凝土的抗冲耐磨能力，合理地降低水泥用量；③经玄武岩纤维、HF抗冲磨剂、硅粉等抗冲磨材料试验比选，确定掺玄武岩纤维，提高混凝土的抗冲耐磨能力。

图2 江坪河工程河间(湾)地块示意(单位：m)

4 控制下泄低温水措施研究

江坪河水库为多年调节水库，下泄水温一年四季基本保持稳定，维持在9.0～11.3 ℃之间；与天然河流水温相比，冬季水温有所提高，而春、夏季水温均低于天然水温，特别是在夏季7、8月份，分别比天然河流水温低14.6、15.7 ℃。

为了减少下泄低温水的不利影响，发电进水口采用分层取水结构[5]，即在常规进水口的前面设置一道“[”形围墙，形成一个大水池式的取水池；在“[”形围墙上设置一道或几道隔水闸门，用隔水门挡住水库中下层低温水，水库表层水通过隔水门顶部孔口进入输水发电系统。根据水库运行水位变化，调整相应数量的隔水门，从而达到引用水库表层水。水库在12月、1月～3月的下泄水温与河床天然水温相差不大，可满足鱼类生长的要求，可不采取分层取水措施，而4月～11月则需采取分层取水措施，以满足鱼类生长繁殖的要求。

5 河间(湾)地块防渗措施研究

江坪河库段内河道在平面上呈“S”型展布，坝段内河道转向，使右岸形成锐角形状的河间(湾)地块。坝基多为薄层、中层、厚层状灰岩、白云岩，岩溶发育，岩层倾向上游偏右岸。在坝址与下游河间地块处发育的黑洞、白洞泉的连线方向和岩层走向基本一致，见图2，存在河间(湾)地块岩溶渗漏问题[6]。

通过水文地质勘探和右岸河间地块水动力场、温度场、水化学场及地下水连通试验等研究，研究表明右岸存在多层含水结构，其中孔王溪地层地下水位高于正常蓄水位470.0 m，龙王庙含水层地下分水岭不高于350 m，坝址右岸到黑洞泉之间存在一条由断层导水引起的地下水位低槽带，库水可通过该低槽带向河湾下游黑洞泉排泄，形成渗漏通道，且无隔水地层封闭。

图3 江坪河工程防渗帷幕展开示意(单位：m)

河间(湾)地块防渗处理采用防渗帷幕灌浆，防渗线路为：右岸穿导流洞、泄洪放空洞后延伸接溢洪道，过溢洪道接右岸高于470.0 m的地下水水位，再从孔王溪地层中高于470.0 m地下水位处将防渗线路往上游转弯，垂直岩层走向方向延伸以封闭河边中厚层灰岩的地下水位低槽，往南西方向防渗帷幕端点按高程170 m控制延伸至龙王庙组与高台组分层处。

防渗依托隔水层为粉砂岩、板岩，在溢洪道靠河床侧，防渗帷幕深入隔水地层内5 m左右。过溢洪道后防渗帷幕往南延伸接地下水位，由两部分组成，上部底板按照孔王溪地层中高于470.0 m地下水位控制，下部按高程170 m控制至龙王庙组与高台组分层处，见图3。

为便于施工，设置4层帷幕灌浆平洞，每层灌浆平洞控制灌浆深度不大于45 m。防渗设计标准采用坝基及近岸地段q≤1 Lu，远岸地段q≤5 Lu。近坝区布置两排灌浆孔，远坝区山体内布置单排灌浆孔。

6 岩溶管道封堵措施研究

坝址区喀斯特地层广布，存在岩溶洞穴37处、泉点25个，其中对渗控工程影响最大的为左岸∈厚层灰岩中的F71岩溶管道系统，其渗径远，补给量大，向溇水排泄。

左岸F71岩溶管道系统位于高程392～455 m，宽5～10 m，有水流痕迹。F71岩溶管道系统横穿左岸防渗帷幕，对防渗帷幕封闭性影响较大，其封堵处理对策：

410 m高程以上岩溶宽度大于2 m时，根据岩溶形状，将岩溶壁开挖成上游宽下游窄的楔形断面，至少应保证上层帷幕线下游部开挖成上游宽下游窄的楔形，在上下游段开挖键槽。高程410 m以下岩溶变窄，宽度小于2 m时，岩溶充填密实，可不清挖岩溶充填物，但上下游竖井应开挖至岩溶尖灭处，岩溶宽度大于2 m时，应将岩溶充填物清除并将岩面清挖至新鲜面。开挖后采用C25微膨胀混凝土对岩溶管道进行回填，其封堵结构见图4。

7 趾板基础顺层风化岩层渗控设计

大坝右岸趾板基础∈/岩层，顺层风化严重，允许渗透坡降较低。为满足趾板基础稳定要求，对该地层范围趾板结构及基岩进行了加固处理设计：趾板最大宽度19 m、厚2.0 m，表面布置1 500 kN预应力锚索，间排距4.0 m×4.8 m，并进行趾板基础加强固结灌浆，间排距2×2 m，深度穿过∈/岩层3～5 m。

为增强该岩层帷幕可靠性以及趾板基础渗透稳定性，增设4道辅助防渗帷幕；其中主、副帷幕之间设置的防渗帷幕采用化学灌浆，辅助防渗帷幕穿过∈/地层并深入下部∈地层5～10 m。

图4 左岸F71岩溶管道系统封堵结构示意(单位：mm)

8 结 语

江坪河面板堆石坝坝高219 m，为世界级高坝，工程地处狭窄河谷，地形地质条件复杂，且位于喀斯特地区；泄洪建筑物均采用隧洞式，开挖断面大、布置集中。针对工程特点，对关键技术问题进行系列研究，并采取相应的工程处理措施，为保证工程安全提供了技术支撑。

工程于2019年11月下闸蓄水，目前库水位已蓄至高程373 m左右，其主要建筑物安全监测数据都在正常范围内。