盧羽平,周小來
(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072;2.四川川投田灣河開發(fā)有限責任公司,四川 成都 610041)
卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上,系木里河干流水電規(guī)劃“一庫六級”的第二個梯級,是該河段梯級開發(fā)的“控制性水庫”工程。水庫正常蓄水位為高程2 850 m,總庫容3.7億m3,具有年調節(jié)能力。電站采用混合開發(fā)方式,樞紐建筑物主要由攔河大壩、兩岸泄洪及放空建筑物和右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河大壩為混凝土面板壩,最大壩高171 m。電站總裝機容量452.4 MW,多年平均年發(fā)電量16.51億kW·h。
壩區(qū)河流流向微呈反“S”型,呈深切略微不對稱“V”型峽谷地貌,左岸陡、右岸較緩,兩岸基巖多裸露,局部為陡崖地形。壩軸線布置于峽谷最窄處,左岸為凸岸,右岸為凹岸,右岸上游、左岸下游分別發(fā)育有深切的則窩溝和卡基娃巨型古滑坡體。
大壩壩頂高程2 856 m,最大壩高171 m,壩頂寬11 m,壩頂長355 m,大壩立面寬高比為2.08:1。上游壩坡1:1.4,下游壩坡設置三級5 m寬馬道,第一級馬道以上壩坡為1:1.5,其下兩級馬道間壩坡均為1:1.4,綜合壩坡1:1.496。下游壩腳和下游圍堰間設置壓重區(qū),頂高程2 710 m。大壩從上游至下游依次為棄碴壓重區(qū)、黏土鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、排水堆石區(qū)、干砌石(漿砌石)護坡區(qū)和下游壓重區(qū),墊層區(qū)水平厚度4 m,過渡區(qū)自上而下水平厚度由6 m漸變至10 m,大壩分區(qū)見圖1。
圖1 卡基娃面板堆石壩典型剖面
壩體填筑所用的堆石料主要取自上游則窩料場的砂巖料、砂質板巖料、千枚狀板巖料和樞紐建筑物砂巖開挖料。其中,砂巖料具有強度高、硬度大、抗風化能力強的特點,堆石體壓實后具有較低的壓縮性和較高的壓縮模量,可作為大壩填料。由于則窩料場第③層千枚狀板巖和砂質板巖比例較高,其抗壓強度、模量等力學指標較差,應避免采用純板巖作為堆石區(qū)填筑料使用,以防止板巖集中帶來過大的不均勻變形。根據研究,下游堆石區(qū)上部可采用板巖與砂巖混摻料填筑,其中板巖比例不大于30%,板巖中千枚化板巖比例不大于50%。為了滿足控制壩體變形要求,對大壩主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)采用了較高的壓實控制標準,大壩各區(qū)填料設計控制參數(shù)及碾壓參數(shù)見表1。
表1 大壩壩料設計特征及碾壓參數(shù)
壩址區(qū)河床覆蓋層較淺,厚度4.7~22.3 m,不存在連續(xù)分布的黏性土、砂土和粉細砂層,局部地段分布有厚度小于0.4 m的砂層透鏡體。由于壩基漂卵礫石層結構松散,具有一定架空結構,層次較為復雜,雖然其厚度不大,但由于谷底巖面較平整,起伏不大,具有一定的抗壓縮變形能力,抗剪強度也較高。通過研究比較,設計將主堆石區(qū)范圍內的河床覆蓋層全部清除,基礎置于弱風化的基巖上,下游堆石區(qū)將河床覆蓋層表面的松散層清除,填筑前用26 t振動碾碾壓8遍,作為下游堆石區(qū)基礎。
趾板基礎大部分座落在強卸荷帶巖體上,均需加強固結灌漿,以增加其整體性。固結灌漿采用梅花型布置,趾板部位固結灌漿為3排,固結灌漿間排距2 m,孔深一般為15 m,左岸上部卸荷較深,趾板基礎為Ⅳ類弱風化強卸荷巖體,為保證基礎的防滲穩(wěn)定性和變形均勻性,固結灌漿在該區(qū)域加深至強卸荷底線,最大孔深為35 m;防滲板部位固結灌漿孔間排距2.5 m,孔深5~15 m;噴混凝土部位固結灌漿孔間排距2.5 m,孔深5 m。
帷幕底界按“深入q≤3 Lu巖層內5 m”設計,灌漿帷幕按雙排孔設計,排距1.2 m,孔距2 m,灌漿最大深度為95 m左右。
趾板建基面大部分置于弱風化上段強卸荷巖體上。趾板采用結構型式較簡單的平趾板,趾板線由面板底面與趾板下游面的交線(Y線)控制。
趾板寬度依據基巖地質條件、作用水頭及基礎處理措施等綜合確定,趾板采用“5 m定寬趾板+防滲板”的形式,從上到下,防滲板寬度由3 m漸變至9 m,趾板與防滲板之間設一道銅片止水。為安全起見,對趾板下游10~20 m范圍內基礎面掛Ф 6.5鋼筋網噴15~20 cm厚的C25聚丙烯纖維混凝土鋪蓋處理,以延長基礎滲徑。
趾板厚度按不同高程分別為1~0.6 m,趾板采取連續(xù)、不設永久縫的布置方式。為防止連續(xù)趾板在施工期出現(xiàn)收縮裂縫,工程采用分序跳塊澆筑的施工方法,每12~16 m設2 m的寬槽,且鋼筋穿過施工縫。
趾板混凝土強度等級采用C30,抗?jié)B等級為W12,抗凍等級為F200,寬槽回填采用微膨脹混凝土。趾板表面配單層雙向鋼筋,配筋率為趾板設計厚度的0.4%。為加強趾板與基礎的連接,保證趾板在灌漿壓力及其他外力作用下的穩(wěn)定,趾板、防滲板均設置錨筋Ф 32,其中L為6 m,間排距為1.5 m。
面板頂高程2 852 m,高出正常蓄水位2 m。鋼筋混凝土面板總面積62 519 m2。面板最大斜長273.6 m,厚0.3~0.86 m。
卡基娃壩址河谷狹窄、兩岸陡峻,河谷寬高比僅約2.08,較之于兩岸較緩的面板堆石壩,卡基娃大壩兩岸面板表現(xiàn)出較明顯的張拉,河床段中下部面板擠壓作用較強烈。面板共32塊,為限制拉應力的發(fā)展和適應變形,靠近左右壩肩受拉區(qū)部位(左岸1~12號面板、右岸23~32號面板)垂直縫間距設為8 m;為限制壓應力的發(fā)展和吸收變形,河床段受壓區(qū)部位(13~22號面板)垂直縫間距采用16 m,兩岸垂直縫在距周邊縫法線方向1 m內垂直于周邊縫布置。面板分三期澆筑,第一期全斷面澆筑至高程2 737 m,第二期全斷面澆筑至高程2 810 m,第三期全斷面澆筑至高程2 852 m。
面板混凝土強度等級采用C30,抗?jié)B等級為W12,抗凍等級為F200。面板采用雙層雙向網狀配筋,配筋率順坡向為0.4%,水平向為0.3%;周邊縫以上20 m范圍內配筋率順坡向為0.5%,水平向為0.4%。為加強接觸面抗壓能力,面板兩側垂直縫附近配筋封閉,在面板與趾板接觸面也配置加強鋼筋。垂直縫2 m、面板底部和頂部5 m、面板水平施工縫兩側各5 m范圍內,均增加聯(lián)系筋。
周邊縫采用三道止水,即“底部為F形銅片止水+PVC棒、頂部為PVC棒+波形橡膠止水+塑性填料、自愈保護為粉煤灰+黏土鋪蓋”的形式。
為保證止水系統(tǒng)安全可靠,面板垂直縫的止水結構均按張性縫設計,只是壓性縫的塑性填料面積較張性縫少。為防止面板擠壓破壞,河床中部10條壓性縫縫面加設8 mm厚三元乙丙橡膠復合板。垂直縫設計兩道止水,即“底部為W1型銅片止水+PVC棒、頂部為PVC棒+波形橡膠止水+塑性填料”的形式,高程2 738 m以下增設黏性土鋪蓋。
在面板頂部與防浪墻墻趾之間,設有水平變形縫,變形縫的止水結構大致與面板周邊縫相同。防浪墻沿長度方向每16 m設一條沉降縫,沉降縫中部設一道W1形銅止水,與防浪墻底部的銅止水相連,縫面填充2 cm厚的瀝青木板。
卡基娃大壩設計地震基準期50 a超越概率10%,相應基巖水平峰值加速度為149 gal,抗震設計烈度為Ⅶ度;校核抗震標準為基準期100 a超越概率2%,相應基巖水平峰值加速度為310 gal。鑒于大壩設計地震烈度較高,根據壩體震害特征形式分析,從壩頂結構、斷面設計、壩體分區(qū)和壩料設計、泄洪放空設置等方面采取了合理的工程措施,以期提高混凝土面板堆石壩的抗震能力,降低地震破壞程度。
(1)壩頂“U”型防浪墻。由于“U”型整體式混凝土結構比分離式結構可能有更好的抗震性能,因此壩頂防浪墻采用“U”型整體式混凝土結構。
(2)提高壩料設計和填筑標準。壩體按筑壩材料特性采用分區(qū)設計,為控制壩體變形和不均勻沉降,適當提高堆石料的壓實標準,堆石料孔隙率小于20%,過渡料孔隙率小于19%,墊層料孔隙率小于18%。
(3)上緩下陡壩坡。為增加壩體頂部的抗震穩(wěn)定性,下游壩坡設兩級寬5 m的馬道,第一級馬道以上壩坡放緩至1:1.5,第一級馬道以下壩坡為1:1.4,下游綜合壩坡為1:1.496。
(4)壩體加筋技術。在高程2 820 m至壩頂?shù)亩咽w內,埋設土工格柵的加筋抗震措施,以加強壩體上部區(qū)域壩殼的整體性,提高抗震性能。
(5)下游壩面護坡。下游壩面高程2 802 m以上設置漿砌石護坡,高程2 802 m以下設置干砌石護坡,以防止地震時壩面石塊被大片震落,危及大壩安全。
(6)增強面板配筋。面板采用雙層雙向配筋,在面板頂部、底部及接縫部位加強配筋,以增強其抗擠壓破壞能力。
(7)可靠的止水設計。設計分縫位移值可保證靜動疊加工況下分縫止水的可靠性,對河床段面板的壓性縫內填充厚8 mm的三元乙丙橡膠復合板。
(8)設置放空洞。在地震預報時提前放低水庫水位;或大壩發(fā)生震害時及時放空庫水,避免或降低對大壩下游的安全威脅。
卡基娃大壩于2011年8月開始填筑,于2014年7月填筑至防浪墻底板高程2 852 m,2015年5月三期面板澆筑完成。工程2015年1月8日導流洞下閘蓄水,2015年2月18日水庫水位達到初期蓄水位2 805 m;2015年6月22日開始第二期蓄水,2015年12月5日庫水位抬升至正常蓄水位2 850 m。庫水位抬升過程中,在2015年1月20日庫水位升至2 779 m時,壩后量水堰開始出現(xiàn)小量滲水,約1.9 L/s,后迅速增大,但兩岸邊坡未發(fā)現(xiàn)滲水點,滲水未發(fā)現(xiàn)渾濁和顆粒物。從滲流量監(jiān)測成果來看:2015年1月8日—2015年4月27日一期蓄水期間,最大滲流量146 L/s(4月22日,庫水位2 795.57 m);二期蓄水后,壩后量水堰測得的最大滲水量711 L/s(12月7日,庫水位2 850.05 m)。滲流量與庫水位密切相關,隨著水位抬高,滲流量迅速增加。與同類型工程相比,卡基娃壩后量水堰觀測數(shù)據偏大。
為探明滲漏部位和滲漏途徑,工程采用偽隨機流場法對壩前進行物探測試,根據滲漏區(qū)色譜圖,結合宏觀地質條件及現(xiàn)場實際情況,分析主要滲漏原因如下:
(1)導流洞可能存在內水外滲問題,漏水位置可能是導流洞施工支洞堵頭、閘門及基覆界線漏水,后導流洞永久堵頭出現(xiàn)滲水,對原因進行了佐證;
(2)與放空洞生態(tài)放水有關,可能存在內水外滲問題;
(3)左岸趾板基礎存在滲漏,結合高程2 800 m以上帷幕,檢查發(fā)現(xiàn)孔壓水試驗成果合格率偏低,物探鉆孔電視和聲波測試成果顯示,推測趾板基礎淺表部局部存在缺陷。
2016年庫水位降至死水位后,對大壩面板、止水水上部分進行檢查,發(fā)現(xiàn)大壩高程2 802 m以上右岸周邊縫附近面板混凝土存在淺層擠壓破壞。
根據以上檢測成果,對防滲系統(tǒng)主要采取了以下補強措施。
(1)對面板周邊縫附近的擠壓破壞處理要求如下:將修補范圍內松散的混凝土鑿除,對混凝土基礎表面進行處理;面板未鑿穿處植錨筋,原有的面板表層鋼筋應盡量保留,表層再增設一層鋼筋網,將面板鑿穿處上下層鋼筋采用豎向拉筋進行連接,形成鋼筋網,將面板未鑿穿處新增表層鋼筋網與錨筋焊為一體;用與原面板同配比的C30混凝土修補面板結構;修復周邊縫底部破損的銅止水,恢復原設計的周邊縫表層止水結構,在面板新老混凝土縫頂作表層止水。
(2)左岸趾板高程2 800 m以上檢查孔壓水試驗成果表明,趾板基礎淺表部透水性較強,為增強大壩防滲系統(tǒng)的防滲性,減少大壩的滲流量,在左岸趾板高程2 800~2 835 m位置增設淺層加強帷幕灌漿,灌漿孔共4排,孔深入基巖10~15 m。
(3)為防止水庫正常運行時,放空洞龍?zhí)ь^段及下游導流洞利用段出現(xiàn)較大外水壓力,在永久堵頭段增設了阻水帷幕,并對阻水帷幕前放空洞龍?zhí)ь^洞段進行了補強固結灌漿。
從監(jiān)測成果來看,水庫蓄水以來,大壩變形較為協(xié)調,壩體無明顯不均勻沉降,監(jiān)測數(shù)值連續(xù),沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象,壩體變形速率較小。目前,實際觀測到的大壩最大沉降值為1.17 m,約為最大壩高171 m的0.68%,沉降變形在設計控制范圍內。面板接縫變形監(jiān)測表明,實測值整體較小,且小于設計值,面板與墊層料之間脫空位移實測值整體也較小,面板與墊層接觸總體較好。防滲系統(tǒng)補強后壩體、壩基滲流穩(wěn)定,量水堰滲流量較處理前逐年減小,目前實測最大滲流量為290 L/s,約為壩址處多年平均年徑流量101 m3/s的0.29%,對電站的經濟效益影響較小。位于左右岸灌漿平洞帷幕下游的繞滲孔水位與庫水位相關性較大,在庫水位高于2 840 m以后,水位上升較明顯,初步判斷有庫水位繞滲現(xiàn)象。右岸繞滲較左岸明顯,但上升或下降幅度小于庫水位變幅。
三維滲流反演計算成果表明,壩體的滲透流量所占比例很小,壩基和兩岸繞滲所占比例較大,水庫滲流量絕大部分是由壩基和兩岸繞滲滲漏造成的;死水位以下防滲帷幕局部存在缺陷時,僅局部缺陷處小范圍內的浸潤面有變化,對壩體大部分范圍以及兩岸壩肩滲流場影響很??;正常蓄水位工況的大壩壩體、壩基、防滲結構滲透坡降均小于材料的允許滲透坡降,大壩不會發(fā)生滲透破壞,不影響大壩滲流安全。經水庫蓄水以來的巡視檢查,在高水位運行情況下未發(fā)現(xiàn)下游坡面滲水存在、量水堰未發(fā)現(xiàn)滲水混濁現(xiàn)象,故大壩和壩基覆蓋層處于滲透穩(wěn)定安全狀態(tài)。
卡基娃水電站自2015年蓄水運行以來,已經歷了6個汛期的檢驗,從大壩變形、大壩滲流、面板接縫變形等監(jiān)測數(shù)據表明,大壩的目前運行狀態(tài)正常、穩(wěn)定。根據現(xiàn)有監(jiān)測資料以及計算分析成果,現(xiàn)有滲流量條件下對大壩安全沒有影響,大壩的整體安全是有保證的。為確保大壩長期運行安全,后期運行應加強對大壩的滲流和變形監(jiān)測。