水电站扩建工程深水围堰地质勘察问题研究

刘建鑫

(四川河川投资有限公司，成都，610000)

1 工程概况

塔贝拉水利枢纽(Tarbela Project)是巴基斯坦开发印度河干流的一座综合利用水利枢纽工程，也是巴基斯坦东水西调的主要水源工程。工程于1968年开工，1976年正式蓄水发电。大坝为斜心墙土石坝，坝体体积1.21亿m3，是世界上填筑量最大的土石坝。塔贝拉工程原设计以灌溉为主。共有5条引水洞，其中4条位于右坝肩，1条位于左坝肩。工程分三个阶段在右坝肩的1号和2号隧洞上装设了10台175MW的水轮发电机组。四期扩建工程是将现有4号灌溉洞改为发电洞，在原有灌溉洞出口及厂房尾水区新建四期厂房，扩容3台470MW混流式机组，四期扩建工程平面布置如图1。

图1 塔贝拉四期扩建工程面布置示意

为满足新厂房区干地施工，必须在厂房下游(电站尾水区)建造一段围堰。本文将简单阐述四期扩建工程围堰建设常规地质条件勘探情况，并对特殊地质条件的勘探问题进行研究。

2 围堰工程建设常规地质条件勘察

2.1 常规地质条件勘探内容

塔贝拉水电站第四期扩建工程于1992年进行了概念设计，当时并没有进行勘察工作。于2010年开始进行可研设计，2012年完成勘察设计报告，进行了少量勘察，主要集中在隧洞段和厂房。施工条件勘察作为四期扩建工程的重要组成部分，在开工前展开，主要完成工作量见表1。

表1 围堰施工前完成的勘察工作量

2.2 工程地质评价

2.2.1 土层结构

堰基左段水深23m～30m，水下地面高程多在310m～316m，覆盖层自上而下基本可以分为三层，分别为卵砾石层(CG)、粉土质砂(SM)和含砾石、卵石粉土质砂(SMg)；堰基右段水深在3m～30m间变化，水下地面高程多在310m～338m不等，推测覆盖层分布范围很少，基岩以碳质片岩和灰岩为主，在靠近右岸地段为辉绿岩。

2.2.2 地基土的震动液化

根据颗分试验成果，第②、③层土中粒径小于5mm的颗粒百分含量均大于30%，且粘粒含量小于10%，小于地震动峰值加速度为0.25g所要求不发生地震液化的最小粘粒含量18%，因此，判定该地基存在地震液化的可能。但由于围堰是临时性工程，液化问题可淡化。

2.2.3 地基土沉降稳定

由于堰基的覆盖层厚度差别较大，且右段基岩基本裸露，土层厚度向左侧厂房部位逐渐变厚，因此判断地基沉降是不可避免的，且存在不均匀沉降问题，设计时应予以考虑。地基土压缩性指标建议值见表2。

2.2.4 地基渗透稳定性

不管是第②层土，还是第③层土，其粘粒含量均大于3%，为少粘性土，渗透变形类型主要为流土，但由于局部砾石、卵石和漂石相对集中，亦存在管涌的可能性。临界坡降建议值见表2。

2.2.5 堰基渗流及其控制措施建议

总的来说，在厂房施工期间，围堰下游的水将通过地基渗透进入基坑，为保证“干地”作业条件，建议根据前述岩土层的渗透性及渗漏量估算，对地基采取必要的防渗及排水处理措施。

此外，由于覆盖层厚度变化大，地基防渗工程施工应根据先导孔揭露的基岩面及岩体的透水率变化情况，调整灌浆深度。

表2 堰址区土层的主要指标建议值

3 围堰工程建设特殊条件勘察

与一般的工程建设条件不同，四期扩建工程中，必须最大限度地保证原工程的功能。工程现有的电站厂房在围堰建设和运行期均正常发电。同时，三次建设工程和近40年的运行，对围堰工程建设条件均带来了不同程度的影响。由于改扩建工程的特殊性，本围堰建设条件勘察还包括：下游水位勘察、水下覆盖层勘察、引水洞工作情况勘察等。

3.1 工程建设水位勘察

3.1.1 上下游水位监测分析

根据最近一年的494d水库坝前日水位资料，最小水位422.8m，出现在2014年5月31日；最大水位472.55m，出现在2014年9月19日和2014年9月25日。水库坝前日水位过程见图2，水库坝前日水位统计见表3。可见塔贝拉水库水位随季节波动较大。

图2 施工期水库水位过程线

表3 水库坝前日水位统计

根据最近一年的470d电站厂房下游的水位资料，最小水位338.1m，出现在2014年3月25日；最大水位340.6m，出现在2015年5月22日。电站厂房下游水位过程见图3，水位在338m～341m范围内变化，变化范围不大，但变化较剧烈。电站厂房下游水位日变化值见图4，水位日变化最大值达2m，影响围堰正常施工安全，增加围堰施工难度。

图3 下游厂房出口水位过程线

图4 下游厂房出口水位日变化过程线

根据上述分析可知，受电站发电约束，下游围堰所在位置的水位保持在338m～341m之间，与水下地形勘测结果结合分析可知，围堰的最大挡水高度为32m。并且不受季节性的洪枯影响，常年基本不变。即不可能利用天然河流的洪枯差异伺机进行截流和围堰填筑施工，必须在32m的最大水深中完成围堰的所有施工程序。

3.1.2 电站日常运行期下游水位变化的分析

由于水电站出力频繁变化，尾水水位快速变化，根据实测情况变幅约±1m，直接诱发围堰堰址两侧的水流不定向流动。当电站出力加大、引水量加大、下游水位升高，水流从三期厂房的导墙下游向围堰基坑方向流动壅高；反之当电站出力减小、引水量降低、下游水位降低，水流从基坑向下游方向流动涌出。根据电站处理的规律，水位变化的周期一般为数小时。扰动水流对钢板桩围堰桩格闭合带来极大的困扰，水位变化的周期即界定了围堰桩格施工的有效时间窗。

3.1.3 电站非常泄压时下游水位变化的分析

由于该工程引水系统未配置调压井，而采用泄压阀方式应对甩开负荷时的水击效应。电站出力大幅缩减时，关闭水轮机机前阀，导致泄压阀开启。由于业主管理方面的原因，泄压阀开启未设置预警系统，因此对于围堰施工和运行而言，泄压阀开启属无预警事件，并且塔贝拉电站水头高、引水管近1km，泄压阀开启时，喷射水流高度超过10m，造成围堰下游侧涌浪高超过2m，严重威胁围堰施工期和运行期安全。

3.2 堰址水下覆盖层勘察

由于塔贝拉工程历经三次扩建且已投入运行近40年，经过仔细勘察发现堰址处的水下覆盖层与一般的初建工程基础存在巨大差异。

由于堰址处正位于4号引水洞和4组泄压阀的消能冲刷范围内，经过多年的运行，堰轴线下部的天然覆盖层早已冲刷殆尽，在基础深槽部位残留的覆盖层多是库底淤积在引水洞泄流时携带而来的粉细沙，级配较差，承载力有限，抗渗能力低。并且，经过钻孔取样发现，覆盖层中还包括了大量的钢筋、混凝土块等前期扩建的工程垃圾。对选定使用的钢板桩围堰的插桩和防渗施工带来极大的困难。

在本工程开工前，业主在4号引水洞进行了一次历时大约30min的纪念性泄水。一方面将进水口处淤积的大量泥沙带到堰址处；另一方面将围堰右侧基础的覆盖层冲刷殆尽，勘察结果表明几乎成为裸岩基础，这会对围堰的稳定和抗渗施工带来极大的困难。

3.3 引水洞工作情况勘察

4号引水洞相当于围堰工程的上游，其工作闸门由于年久失修，底部止水几近失效，漏水量高达500m3/h，直接影响本工程的常规排水量。隧洞封堵前经常性排水量汇总如表4所示。

表4 4号隧洞封堵前经常性排水资源配置

4 结语

在常规建设条件勘察的基础上，针对扩建工程特有的下游水位、水下覆盖层、引水洞情况等方面的问题进行了专门的勘察分析，搜集到大量的资料，预测其对围堰工程施工的影响。取得了良好的经济效益和社会效益。

(1)经济效益

对本工程堰址条件的勘察不仅了解了地形地质等常规工程条件参数，而且揭示了水位的影响因素、覆盖层中的建筑垃圾、上游漏水量等一系列改扩建工程特有的工程条件参数和问题，对于规避后期围堰的建设风险奠定了良好的基础，为工程索赔提供了依据。

(2)社会效益

改扩建工程的建设条件与一般新建工程存在巨大的差异。一般新建工程以自然条件为主，而改扩建工程的建设多处于人造环境中，受现有工程条件的制约较大，甚至现有工程条件成为影响施工的主导因素。塔贝拉四期扩建围堰工程是在改扩建工程施工方面的重要实践，对于了解扩建工程特点和复杂性具有重要意义。随着我国进入后水电开发时代，水库、大坝和电站改造工程将逐渐增多，研究原工程条件和约束对围堰施工的影响是具前瞻性的重要技术课题。