唐志丹,袁 瓊,魏剛文
(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)
沙灣水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上,系木里河干流(上通壩~阿布地河段)水電規(guī)劃“一庫六級”的第三個梯級,上游與卡基娃水庫電站、下游與俄公堡水電站相銜接。閘址位于瓦郎溝溝口下游1.5km河段,水庫正常蓄水位2 572.00m,相應(yīng)庫容316萬m3,閘頂長76.20m,最大閘高27.00m。右岸引水至沙灣大橋下游1.5km處建廠發(fā)電,引水隧洞長18.7km,利用落差256m,裝機(jī)容量240MW,年發(fā)電量為12.511億kW·h,年利用小時數(shù)為5 210h,具有日調(diào)節(jié)能力。
根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-94)及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)之規(guī)定,本工程規(guī)模為中型,工程等別為Ⅲ等,永久性主要水工建筑物級別為3級,次要建筑物級別為4級,臨時性建筑物級別為5級。相應(yīng)各主要建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)混凝土擋水、泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì),500年一遇洪水校核;
(2)電站廠房按100年一遇洪水設(shè)計(jì),200年一遇洪水校核;
(3)泄水建筑物消能防沖按30年一遇洪水設(shè)計(jì)。
沙灣電站閘址位于瓦郎下游約3km處,集水面積6 813km2。廠址位于沙東河匯口下游約600m,集水面積7 522km2。根據(jù)木里縣氣象站1961~2007年資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫為12.4℃,極端最高氣溫34.1℃(1983年7月3日),極端最低氣溫為-10.6℃(1982年12月31日)。多年平均年降雨量為832.0mm,最大一日降雨量77.4 mm,多年平均年蒸發(fā)量2 052.6mm,多年平均相對濕度57%,最小相對濕度接近于0,多發(fā)生在春季。多年平均風(fēng)速1.8 m/s,最大積雪深度13.0cm。閘址100年一遇設(shè)計(jì)洪峰為1 260m3/s,500年一遇校核洪峰為1 500m3/s。
沙灣水電站閘址多年平均懸移質(zhì)年輸沙量139萬t,多年平均含沙量398g/m3。懸移質(zhì)顆粒最大粒徑1.0mm,平均粒徑0.061 8mm,中數(shù)粒徑0.033mm,粒徑大于0.25mm的沙重占4.5%。閘址推移質(zhì)多年平均年輸沙量3.57萬t。
2.3.1 區(qū)域地質(zhì)與地震
區(qū)內(nèi)無大的地震構(gòu)造存在,歷史及現(xiàn)今地震活動較弱,工程區(qū)地震危險性主要受到外圍(理塘地震帶,木里-鹽源地震亞區(qū))的強(qiáng)震及中強(qiáng)震波及影響,波及到工程區(qū)的地震烈度不超過Ⅶ度,區(qū)域構(gòu)造基本穩(wěn)定。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001),工程區(qū)基巖地震動水平峰值加速度為0.10g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。
經(jīng)過5·12汶川大地震后評價復(fù)核表,并經(jīng)四川省地震安全性評定委員會和四川省地震局審批同意,沙灣水電站閘址和廠址未來50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度值分別為155cm /sec2、150cm/sec2,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5073-2000)的規(guī)定,本工程建筑物抗震設(shè)防類別為丙類,采用基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度。
2.3.2 首部樞紐工程地質(zhì)條件
閘基覆蓋層地基各層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成因類型不同,顆粒大小懸殊,結(jié)構(gòu)不均一,其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大,存在不均一變形問題。閘基下的第③層含礫石砂層:分布連續(xù),埋深一般5~8m, 厚度一般3~6m,局部10m。經(jīng)初判和復(fù)斷:在發(fā)生Ⅶ度地震時,該層可能液化,建議進(jìn)行工程處理。①-2層礫石砂土:主要分布于橫Ⅰ線上下游約50m的①-1層頂部,分布不連續(xù),呈透鏡體,頂板埋深18~23m,厚0.3~5m,偏右岸較厚,最厚達(dá)5m,向上、下游及左岸變薄,厚度差異較大。經(jīng)標(biāo)貫錘擊法復(fù)判,該層在發(fā)生Ⅶ度地震時,不液化。閘基覆蓋層結(jié)構(gòu)松散,透水性強(qiáng),無相對隔水層,故存在滲漏及滲透變形問題,鑒于河床覆蓋層厚度不大,厚22~33m,建議閘基覆蓋層進(jìn)行全封閉防滲處理、閘基巖體防滲帷幕穿過中等透水巖體,即基巖頂板面下20~30 m,或者應(yīng)根據(jù)水庫允許滲漏量和允許比降,做好閘基防滲工程處理。
根據(jù)河道的沖淤特征、地形地質(zhì)條件以及取水防沙的要求,首部樞紐建筑物的布置從左至右依次為左岸連接壩段、3孔泄洪閘、1孔沖沙閘、右岸連接壩段及取水口。除兩岸連接壩段及進(jìn)水閘建基于基巖上外,其余均建基于覆蓋層上。攔河閘壩均采用混凝土結(jié)構(gòu),閘頂高程2 574.00m,閘頂長度76.20m。首部樞紐布置見圖1。
圖1 首部樞紐平面布置示意
上壩公路由過壩交通洞分岔洞至右岸連接壩頂,上壩交通洞總長約108m。
左、右岸擋水建筑物均為混凝土重力壩,壩頂高程2 574.00m,最大壩高24.50m,壩頂寬度均為12.00m。左岸連接壩段長為18.30m,設(shè)2個壩段,均建基于基巖上。右岸連接壩段長為19.90m,設(shè)2個壩段,分別建基于砂卵礫石層和基巖上。泄洪閘和沖沙閘檢修門儲門槽均設(shè)在左岸擋水壩段內(nèi)。為保護(hù)生態(tài),滿足環(huán)保要求,在右岸連接壩段設(shè)置一根φ55cm的泄水鋼管,穿過連接壩段出口于護(hù)坦斜坡段邊墻上。由于右岸2號壩段建基于砂卵礫石層,壩址部位基礎(chǔ)承載力不能滿足實(shí)體重力壩對壩址應(yīng)力要求,采用了空腹重力壩的形式。
沖沙閘、泄洪閘布置在主河床,取水口布置在右岸,構(gòu)成“正向沖沙、泄洪,側(cè)向取水”的引水防沙和泄洪沖沙的樞紐體系。沖沙閘為1孔,孔口尺寸為4.00m×10.00m(寬×高),設(shè)弧形工作閘門和平板檢修閘門各一扇;泄洪閘為3孔,孔口尺寸為6.00m×7.00m(寬×高),各設(shè)一扇弧形工作閘門,共用一扇平板檢修閘門。閘室順?biāo)鞣较蜷L35.00m,閘室邊墩厚2.50m,中墩厚3.50m和3.00m,縫墩厚4.50m,閘底板厚3.50m,底板高程均為2 553.00m,最大閘高27.00m。閘前設(shè)置10.00m長鋼筋混凝土鋪蓋,其中泄洪閘前鋪蓋厚3.00m,沖沙閘及取水口前鋪蓋厚1.50~3.00m,鋪蓋頂高程為2 553.00m。
取水口為直立岸塔式,采用側(cè)向取水的布置型式,閘頂高程為2 574.00m。取水口攔污柵閘為3孔布置,單孔凈寬8.00m,孔口內(nèi)設(shè)置一道工作攔污柵及機(jī)械清污系統(tǒng)。進(jìn)水閘為胸墻式,底板高程2 551.50m,設(shè)有一道平板工作閘門。取水口攔污柵閘與進(jìn)水閘間為長9.00m的漸變段,底坡1∶2。取水口上游側(cè)設(shè)置清污平臺,其上游側(cè)用重力式導(dǎo)墻引導(dǎo)、平順?biāo)?,并與岸坡相接。
木里河流屬于山區(qū)多泥沙河流,引水防沙問題突出。為了解決好引水防沙問題,在首部樞紐布置中采取以下幾項(xiàng)措施:
(1) 根據(jù)閘址處地形條件,將取水口置于河床右岸,緊靠取水口布置一孔沖沙閘和三孔泄洪閘,采用“側(cè)向取水,正向排沙”的布置形式。
(2) 取水口底坎高程在滿足取水口引用流量及過柵流速要求的前提下,盡量抬高,選定為2 556.00m,前緣設(shè)2.00m高的坎,高出沖沙閘底板5.00m,使取水口前緣形成一道攔沙坎,以攔截推移質(zhì),防止其進(jìn)入取水口。
(3) 在沖沙閘和泄洪閘之間的閘墩上游和喇叭口中部設(shè)一道縱向束水導(dǎo)墻,使之與取水口前緣攔沙坎之間形成兩個喇叭型沖沙槽,利用坎、墻之間的狹道束水攻沙,并通過沖沙閘排向下游,以保證取水口前“門前清”。
(4) 在束水導(dǎo)墻和取水口之間設(shè)置一道斜向的攔沙坎,攔截較大的推移質(zhì),使進(jìn)入到取水口前的推移質(zhì)盡量減少。
在本工程的引水防沙設(shè)計(jì)中,開展了首部樞紐水工模型試驗(yàn)研究。模型為長度比尺1∶40的正態(tài)整體模型,模擬范圍為閘軸線上游1 200m至閘軸線下游450m,采用精煤粉輕質(zhì)沙模擬庫區(qū)泥沙淤積沖刷試驗(yàn)。
根據(jù)水工模型試驗(yàn)結(jié)果,可以得到如下結(jié)論:
(1)經(jīng)模型試驗(yàn)修改優(yōu)化后的取水口前束水墻、攔沙、導(dǎo)沙坎等防排沙措施,可以有效地起到引水防沙的作用。
(2)通過庫區(qū)沉降、敞泄排沙以及中水代表年系列輸沙過程試驗(yàn),表明沙灣水庫采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)行方式可以起到“以庫代池”的作用。中水代表年輸沙過程中,按運(yùn)行方式經(jīng)4次停機(jī)敞泄排沙(每次6h)運(yùn)行,可以保證庫區(qū)泥沙調(diào)度要求:各引水發(fā)電時段入庫懸沙庫區(qū)總沉降率達(dá)64%~83%,其中,d>0.25mm粗沙沉降率均在80%以上;取水口汛期發(fā)電引水平均含沙量230.17g/m3,對于d≥0.25mm 顆粒,引水時段最大含沙量<10g/m3,平均引水含沙量<2.0g/m3,滿足規(guī)范有關(guān)發(fā)電引水防沙要求。
試驗(yàn)表明,沙灣水庫在采用合理水沙調(diào)度方式下,“以庫代池”是合理可行的。
因木里河屬山區(qū)多泥沙河流,汛期洪水夾帶有較多的推移質(zhì)和懸移質(zhì),而地形上沒有設(shè)置地面沉沙池的條件,根據(jù)水庫調(diào)度運(yùn)行方式,大量的推移質(zhì)和懸移質(zhì)將通過泄洪閘和沖沙閘排向下游河道,因此做好過水過沙建筑物的防沖耐磨設(shè)計(jì)是非常重要的。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果和已建類似工程的經(jīng)驗(yàn),從有利于沖沙考慮,在下游護(hù)坦上不宜設(shè)置消能建筑物。出閘水流采用急流與下游河道銜接的方式更有利于沖沙,但由于單寬流量較大,對下游河床沖刷嚴(yán)重。為減小對下游河床的沖刷,考慮抬高下游水深并采用底流式消能方式與下游河床相接。護(hù)坦采用擴(kuò)散狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板高程2 549.00m,厚3.00m,長60.00m,坡段縱坡為1∶4。護(hù)坦末端設(shè)6.00m深的防沖齒槽,其后設(shè)25.00m長的海漫保護(hù)區(qū),并在海漫末端施工開挖預(yù)留槽內(nèi)拋填大塊石保護(hù)。
由于汛期推移質(zhì)大量過閘,以及庫區(qū)不定期敞泄排沙,故首部樞紐泄水建筑物過流易磨損部分需采取抗磨保護(hù)措施。在防沖抗磨設(shè)計(jì)中,根據(jù)各泄水部位的磨損情況及其重要性,并考慮其修復(fù)施工及檢修的難易,分別采用不同的措施進(jìn)行處理。泄洪閘、沖沙閘閘室底板和閘室底板以上1.50m高度范圍內(nèi)的閘墩采用12mm厚鋼板保護(hù)。上游鋪蓋、下游護(hù)坦表面采用0.40m厚的C40HF耐磨混凝土保護(hù)。
根據(jù)地質(zhì)條件,閘基處河床覆蓋層較深,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、松散,透水性強(qiáng),存在閘基滲漏變形穩(wěn)定的問題。地震烈度為Ⅶ度,閘、壩河床基礎(chǔ)防滲采用全封閉式防滲墻,防滲墻伸入基巖1.00m,最大深度約30.00m,防滲墻厚度為0.8m,防滲墻布置在攔河閘底板上游齒槽下,并經(jīng)擋水壩向兩岸延伸與兩岸壩肩的基巖灌漿帷幕相連接。灌漿帷幕封閉中等不透水地基,根據(jù)地質(zhì)滲透剖面圖及建筑結(jié)構(gòu)布置,灌漿帷幕頂高程為壩頂高程2 574.00m,左岸利用帷幕灌漿平硐向山體內(nèi)延伸長32.00m,右岸利用上壩交通洞兼作帷幕灌漿平硐向山內(nèi)延伸24.5m,向下封閉相對中等不透水地基。帷幕灌漿孔原則上采用間距2m孔布置,分三序孔施工,防滲要求達(dá)到灌漿后巖石滲透率小于5Lu,如達(dá)不到防滲要求,需施工錯開布置的第二排灌漿孔(下游排距1m)。最終使閘基防滲墻與左、右岸灌漿帷幕形成全封閉的防滲體系,滿足工程需要。首部防滲布置見圖2。
圖2 首部防滲布置示意
首部樞紐河床覆蓋層沖積堆積的含漂砂卵(碎)礫石②層、冰水堆積的含漂砂土卵(碎)礫石①層,粗顆?;緲?gòu)成骨架,承載力較高,③、④層結(jié)構(gòu)較為松散,尤其是③層含卵礫石砂層,承載力低,僅0.10~0.13MPa,第④層含漂砂卵礫石層承載力僅0.20~0.30MPa,不能滿足建筑物地基承載力要求。由于各層結(jié)構(gòu)存在不均勻性及層與層之間的差異較大,閘基存在不均勻變形穩(wěn)定問題。且閘址區(qū)連續(xù)分布③層含卵礫石砂層,厚度3~6m,埋深5~8m。據(jù)鉆孔取樣物性試驗(yàn)和顆分資料,主要以中細(xì)砂為主,次為粉砂和粘粒。地質(zhì)初判和復(fù)判在發(fā)生Ⅶ度地震時該層存在液化的可能。閘址區(qū)河床覆蓋層較深,閘基坐落在沖積堆積的第④層含漂砂卵礫石層上。第①層結(jié)構(gòu)較密實(shí),第③層以細(xì)顆粒為主,滲透性相對較弱,第②、④層結(jié)構(gòu)較為松散,具強(qiáng)—極強(qiáng)透水性,閘基無相對隔水層,故閘基存在滲漏及滲透變形穩(wěn)定問題。
為改善地基應(yīng)力分布,減小閘基不均勻沉降,防止③層含卵礫石砂層液化及變形,提高基礎(chǔ)承載力,須對閘基范圍作基礎(chǔ)加固處理。根據(jù)處理方案比較以及開挖揭示的閘基地質(zhì)條件,最終采用高壓旋噴灌漿進(jìn)行地基加固處理。在高壓旋噴施工中,對施工技術(shù)要求,除按相關(guān)規(guī)程、規(guī)范執(zhí)行外,設(shè)計(jì)推薦采用二重法旋噴灌漿施工,相應(yīng)的水灰比為1∶1~1.5∶1,其相應(yīng)漿液密度分別為1.5g/cm3和1.37g/cm3,施工參數(shù)據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及試驗(yàn)確定。處理后地基應(yīng)達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo):對梅花型布置,間排距為2.5m×2.5m的區(qū)域,滲透系數(shù)K≤1×10-4cm/s;地基承載力≥0.5MPa;對矩形布置,間排距為4.0m×4.0m的區(qū)域,地基承載力≥0.25MPa。旋噴樁底部穿過第③層深入第②層1m。
根據(jù)地形、地質(zhì)條件,結(jié)合引水防沙及抗沖的要求,在右岸取水口上游側(cè)設(shè)置混凝土導(dǎo)水墻與右岸岸坡相接,下游端與取水口清污平臺相連,墻頂高程2 565.50m,以改善取水防沙條件,對導(dǎo)水墻上游側(cè)采用大塊石壓坡護(hù)腳。
海漫下游的兩岸邊坡,左岸基巖裸露,右岸在海漫末端出口處為覆蓋層。為使海漫末端的下泄水流歸槽效果好,防止對兩岸的淘刷,左岸采用貼坡式混凝土擋墻歸順下泄水流,右岸采用重力式混凝土擋墻進(jìn)行護(hù)坡,擋墻末端與右岸基巖相接,并用大塊石對海漫下游右岸坡腳進(jìn)行保護(hù)。
閘址區(qū)河谷狹窄,兩岸自然邊坡高陡,坡高達(dá)100~200m以上,坡度50°~70°,地層巖性為變質(zhì)石英砂巖。兩岸自然坡體整體基本穩(wěn)定,但裂隙將巖體切割成楔型塊體,由于卸荷、風(fēng)化及自重作用,局部巖(塊)體易產(chǎn)生崩塌。為防止兩岸風(fēng)化巖塊脫落威脅大壩安全,須將近壩危巖塊撬掉,對近壩兩岸首部樞紐建筑物范圍內(nèi)表面裂隙發(fā)育的邊坡進(jìn)行錨噴支護(hù)。錨桿采用φ25,L=5m、6m及8m的系統(tǒng)錨桿,其間、排距為2.0m,梅花型布置。對破碎巖體邊坡增加掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)措施,鋼筋網(wǎng)采用φ6@20cm×20cm。
沙灣水電站首部樞紐自開工建設(shè)以來,在技施設(shè)計(jì)及施工過程中,從閘壩基礎(chǔ)、閘肩邊坡開挖情況來看,與原來勘探的地質(zhì)條件基本吻合,無重大工程地質(zhì)變更。沙灣水電站經(jīng)過幾年的施工建設(shè),在參建各方的共同努力下,工程已基本完工。目前工程已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電,各部位運(yùn)行正常。
參考文獻(xiàn):
[1] 水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(SL265-2001)[S].中國水利水電出版社,2001.
[2] 陳寶華,張世儒.水閘[M].中國水利水電出版社,2003.