摘要：為了進一步研究膠凝砂礫石圍堰在雅礱江某水電站應用的可行性，綜合考慮該水電站樞紐區(qū)地形地質條件、工程布置、施工特點等因素，通過綜合經濟技術分析，對初擬廠房基坑全年圍堰的土石圍堰和膠凝砂礫石圍堰方案進行了比選；通過計算分析，進一步優(yōu)選了膠凝砂礫石圍堰上下游坡比。結果表明：與土石圍堰相比，膠凝砂礫石圍堰在料源獲取、施工條件、工程占地和工程投資等方面具有一定優(yōu)勢，優(yōu)選斷面可滿足設計要求。研究成果可為類似工程的設計提供借鑒。

關鍵詞：廠房基坑； 圍堰; 堰基防滲； 膠凝砂礫石; 雅礱江

中圖法分類號：TV551.3 文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.04.014 文章編號：1006-0081（2025）04-0071-06

0 引 言

膠凝砂礫石筑壩（CSG）技術是在碾壓混凝土筑壩基礎上發(fā)展而來的一種新型筑壩技術。膠凝砂礫石壩作為一種新壩型，具有占地面積小、就地取材、膠材用量較少、施工進度快等諸多優(yōu)勢。

膠凝砂礫石筑壩技術是1970年在美國加利福尼亞州召開的“混凝土快速施工會議”上首次提出的［1］。1992年日本Nagashi-ma上游圍堰第一次應用CSG技術。希臘、土耳其、日本、菲律賓、多米尼加、法國等相繼修建了幾十座膠凝砂礫石壩，其中土耳其的兩座大壩——Cindere 壩和Oyuk 壩，壩高已經超過了100 m［2］。脫凝砂礫石壩在國內永久工程中應用實例不多，永久性工程有山西的守口堡壩（壩高61.6 m）［3］和福建西音水庫大壩（壩高52.0 m）［4］。中國CSG技術在臨時圍堰工程中應用較多［5-10］，其中功果橋水電站二期下游圍堰高56.0 m，上游坡比1∶0.4，下游坡比1∶0.7；大華橋水電站上游圍堰高57.0 m，上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.6；洪口水電站上游圍堰高35.5 m，上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.75。功果橋水電站二期下游圍堰和大華橋水電站上游圍堰是國內已建成的兩座CSG圍堰成功實例。目前，CSG技術尚未在雅礱江流域水電開發(fā)中得到應用，CSG筑壩技術理念先進、造價低廉、環(huán)境友好、施工方便，推廣應用CSG筑壩技術對該技術在雅礱江流域開發(fā)乃至水電行業(yè)中的應用有重要意義。

雅礱江流域某水電站廠房全年基坑上、下游圍堰前期設計均采用土石圍堰。土石圍堰上、下游坡比均為1∶1.75，底寬大，與一期導流明渠銜接段較長。本文結合樞紐工程和分期導流建筑物布置，通過綜合經濟技術比較和計算分析，推薦全年基坑上、下游圍堰采用膠凝砂礫石圍堰型式，圍堰上游坡比1∶0.3，下游坡比1∶0.6。該工程所用的膠凝砂礫石圍堰綜合坡比為國內最低，且是CSG技術首次應用于雅礱江流域，研究成果可為類似工程建設提供參考。

1 工程概況

該電站是雅礱江中游梯級開發(fā)的第2級電站。壩址控制集水面積6.59萬km2，壩址處多年平均流量677 m3/s，多年平均徑流量213.50億m3。水庫正常蓄水位2 605.00 m，死水位2 598.00 m，正常蓄水位以下庫容約0.41億m3，調節(jié)庫容1 913萬m3，具有日調節(jié)性能。電站裝機容量300 MW，廠內安裝3臺軸流式水輪發(fā)電機組，單機容量100 MW，單機引用流量540 m3/s。

該水電站樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電建筑物、消能防沖建筑物、魚道組成。廠房為河床式，布置在河床左側，廠房擋水壩段最大壩高68.80 m；泄水建筑物為3孔泄洪閘，布置在河床右側，泄洪閘壩高38 m，泄水建筑物下游布置消力池；導流明渠布置在河床右側，與3孔泄洪閘結合；魚道布置在左岸，長約1.41 km。壩址區(qū)基巖巖性為砂板巖，工程場地地震基本烈度為Ⅵ度。

該水電站采用枯期隧洞導流和汛期分期攔斷河床導流。一期枯期采用的土石圍堰使用時段為第一年11月至第二年5月；一汛和二汛全年圍堰的任務是保護河床式廠房施工，全年圍堰的保護對象為2級建筑物，并采用全年施工方式，擋水時段為第二年6月至第三年10月，全年圍堰采用膠凝砂礫石圍堰。根據規(guī)范，一汛導流建筑物級別為4級，相應的混凝土、漿砌石類導流建筑物洪水設計標準取上限值為10 a重現期，相應流量為Q=4 240 m3/s?？紤]上游水庫調蓄作用，綜合評估上游電站的電量損失及該電站的導流工程投資，選取上游水庫削峰流量1 200 m3/s，相應的一汛、二汛導流標準對應的洪水峰值流量由4 240 m3/s控泄至3 040 m3/s。

2 廠房全年基坑圍堰設計條件

2.1 導流程序及設計水位

根據施工進度安排和選定導流標準，第一年1月至第一年10月完成導流洞施工，第一年10月下旬進行主河床截流，一期枯期圍堰施工。至第二年5月，完成基坑開挖、三孔泄洪閘及上游明渠土建和門槽埋件施工、廠房基坑全年上下游圍堰施工。第二年5月底前拆除一期枯期圍堰。第二年6～10月，由3孔泄洪閘和枯期導流洞聯合泄流，廠房壩段全年施工。廠房基坑全年圍堰擋水高程為2 592.71 m。上游圍堰建基面最低高程為2 561.50 m，圍堰最大堰高33.5 m。

2.2 工程地質

廠房基坑上游全年圍堰位于壩軸線上游120.93 m處，左岸堰肩為廠房基坑邊坡，右岸堰肩與導流明渠左導墻銜接（圖1）。圍堰基礎地基為弱風化、弱卸荷的T3lh2（5）層板巖、T3lh2（6）層變質砂巖，弱—中等透水及含（漂）砂卵礫石河床覆蓋層，軸線位置覆蓋層厚度約1～3 m，為強透水層。地基承載和抗變形能力滿足設計要求，但需進行防滲處理。

3 圍堰型式比較與選擇

3.1 堰型擬定

該水電站樞紐建筑物基坑開挖區(qū)面積約2.5萬m2。河床地層為砂卵石，其中，地質現場鑒定卵石粒徑為6～8 cm，含量約50%～60%；圓礫粒徑為0.5～2.0 cm，含量約10%～20%；充填中細砂。該層結構較松散，呈圓狀—次圓狀，平均厚度約1～2 m。母巖成分以變質砂巖和板巖為主，下伏弱風化砂質板巖。該處砂礫石儲量約3萬～4萬m3，質量和儲量滿足設計需要，從天然建筑材料及地質情況來看，有條件修建膠凝砂礫石圍堰。

根據地勘成果，樞紐區(qū)基巖石為T3lh3（1）層弱下風化——微新、弱卸荷粉砂質板巖，巖石中等堅硬，河床覆蓋層為砂卵礫石，厚1.1～5.6 m，局部凹槽最大厚度12.35 m，可作為土石圍堰的填筑材料。同時，根據全年基坑圍堰施工時段填筑材料的挖填平衡分析，儲量滿足設計需要，因此，全年基坑圍堰可采用土石圍堰型式。綜上，從地形地質條件、填筑材料等方面考慮，擬定膠凝砂礫石圍堰和土石圍堰兩種堰型進行比選分析。

3.2 膠凝砂礫石圍堰

（1） 膠凝砂礫石技術。

膠凝砂礫石主要采用膠凝材料（如水泥、瀝青等）和砂礫石等按一定配合比拌和而成，其中，膠凝材料起著黏結和強化作用，骨料粒徑最大可為150～200 mm甚至更高，骨料范圍較碾壓混凝土更廣，膠凝材料用量更低，圍堰具有一定的強度和耐久性。堰體可以設計成各種型式，如重力式、薄壁式等，以滿足不同的工程需求，具有較高的安全性和穩(wěn)定性。施工工藝較復雜，對施工隊伍的專業(yè)技術要求較高，結構形式穩(wěn)定，工程效果和使用壽命較長，能夠有效防止水流侵蝕和破壞。

（2） 堰體和堰基防滲。

廠房基坑上游全年圍堰推薦采用膠凝砂礫石圍堰擋水，堰體上游設1 m厚變態(tài)膠凝砂礫石進行防滲。圍堰基巖為弱風化、弱卸荷的T3lh2（5）層板巖、T3lh2（6）層變質砂巖，透水性較強，需采用帷幕灌漿進行防滲處理。綜合考慮基巖滲透性和基坑排水壓力，帷幕灌漿深度為深入基巖20.0 m，孔間距1.5 m。為減少堰肩繞滲，左岸堰肩進行帷幕灌漿，灌漿最大造孔深度20.0 m，孔間距1.5 m，圍堰堰基和左堰肩布置2排固結灌漿，間距2.0 m，深度5.0 m。

（3） 堰體結構設計。

廠房基坑上游全年圍堰采用重力式膠凝砂礫石圍堰。堰頂寬5.0 m，堰頂軸線長120.07 m，圍堰右堰肩與導流明渠銜接處最大底寬為34.0 m，堰體內部為C4 膠凝砂礫石結構。圍堰基礎置于基巖上，與基巖接觸面設0.5 m厚C9015常態(tài)混凝土墊層；堰體上游垂直段高4.0 m，斜坡段坡比為1∶0.3，上游面層設1.0 m厚C4變態(tài)膠凝砂礫石；下游為1.8 m×3.0 m（寬×高）的臺階，面層設1.0 m厚C4 變態(tài)膠凝砂礫石；圍堰考慮后期作為攔沙坎，因此，在2 583.50 m高程設1.0 m C4變態(tài)膠凝砂礫石防沖。全年圍堰在一期河床枯期圍堰的保護下干地施工。

（4） 圍堰拆除。

根據施工總進度安排，第四年3月下旬，將廠房基坑上游全年圍堰拆除至2 583.50 m高程。

3.3 土石圍堰

（1） 堰體和堰基防滲。

廠房基坑上游全年圍堰可在一期枯期圍堰保護下進行干地施工，圍堰擋水水頭不高，為節(jié)約土地資源、減少征地移民、降低工程投資，同時考慮到復合土工膜防滲技術應用較多且相對成熟，廠房基坑上游全年圍堰推薦采用復合土工膜（350 g/0.8 mm HDPE/350 g）心墻防滲。廠房基坑上游全年圍堰基巖采用帷幕灌漿進行防滲處理，灌漿深度和間距同膠凝砂礫石圍堰。

（2） 堰體結構設計。

廠房基坑上游全年圍堰采用土石圍堰結構形式。堰頂寬8.0 m，堰頂軸線長120.07 m，堰頂布置厚30.0 cm的泥結石土路面，圍堰右堰肩與導流明渠銜接處最大底寬為135.0 m。全年圍堰在一期河床枯期圍堰的保護下干地施工。堰體迎水面與背水面坡比均為1∶1.75，迎水面采用0.70 m厚的干砌石護坡；堰體采用復合土工膜（350 g/0.8 mm HDPE/350 g）心墻防滲，最大防滲高度33.5 m；心墻部位開挖至基巖，通過混凝土蓋板與基礎帷幕灌漿相連。土工膜兩側分別填筑頂寬1.0 m 的墊層料及頂寬3.0 m寬的過渡料，填筑坡比均為1∶0.5，外側采用堆石料填筑。迎水面采用0.7 m 厚的干砌石保護。

（3） 圍堰拆除。

根據施工總進度安排，第四年3月下旬廠房基坑上游全年圍堰拆除至2 577 m高程，與廠房進口攔沙坎頂高程一致。

3.4 堰型比選

膠凝砂礫石圍堰和土石圍堰特性比較見表1。

① 從料源條件來看，膠凝砂礫石圍堰粗細骨料用料可充分利用基坑開挖料、現場拌和加工；土石圍堰石渣料可采用基坑開挖料，但墊層料、過渡料需從砂石骨料加工系統(tǒng)運至現場。② 從工程施工條件來看，膠凝砂礫石圍堰施工簡便、施工進度快，具有明顯優(yōu)勢。③ 從工程布

置來看，砂礫石圍堰方案底寬較小，較土石圍堰方案減少導流明渠40 m，且上游圍堰高程2 583.50 m以下可作為廠房進口攔沙坎，做到永臨結合。④ 從工程投資來

看，膠凝砂礫石圍堰方案總投資較土石圍堰方案減少2 972萬元，投資較小。通過料源條件、施工特點、工程布置和工程投資等方面的綜合分析比較，膠凝砂礫石圍堰方案優(yōu)勢明顯，因此，廠房基坑全年圍堰選擇膠凝砂礫石圍堰型式。

4 圍堰結構設計

4.1 穩(wěn)定及應力分析計算

圍堰抗滑穩(wěn)定采用單一安全系數法進行計算，圍堰堰基面抗滑穩(wěn)定安全系數按抗剪斷強度公式計算。

堰體抗滑穩(wěn)定計算公式如下：

式中：K′為按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數；

f′為抗剪斷摩擦系數；c′為抗剪斷黏聚力，kPa；A為堰基面或堰體層面積，m2;∑W，∑P分別為作用于計算截面以上堰體荷載對滑動平面的法向、切向分力值，kN。

堰基截面的垂直應力按式（2）計算：

式中：σy為上、下游面的垂直正應力；∑M為壩基面上所有垂直力對截面形心軸的力矩之和，kN·m；∑Mx為壩踵或壩趾對壩基面形心軸的力矩之和，kN·m；J為壩基面對形心軸的慣性矩，m4。

在圍堰斷面選擇過程中，對上、下游不同坡比條件下的應力和安全系數進行了重點分析計算。擬定上游壩坡1∶0.3，下游壩坡按1∶0.40，1∶0.50，1∶0.60，1∶0.75 等4種斷面進行計算分析，計算成果見表2。

根據表2計算結果分析，下游壩坡在小于1∶0.4時，上游壩踵出現拉應力；隨著下游壩坡變緩，壩體內應力均為正應力。SL 678-2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》規(guī)定了上游壩坡宜緩于1∶0.30，下游壩坡宜緩于1∶0.50。根據統(tǒng)計［7］，中國目前已建成或在建的多座膠凝砂礫石工程設計壩坡綜合坡比為1.05～1.20，其中洪口水電站上游圍堰高35.5 m，上游坡比1∶0.30，下游坡比1∶0.75，綜合坡比1.05最低。國內膠凝砂礫石工程實施情況見表3。國外工程中，有老撾南歐江五級水電縱向圍堰高30 m，上游坡比1∶0.35，下游坡比1∶0.55，綜合坡比0.90。

通過計算分析，并結合國內外類似工程經驗，考慮該工程為臨時工程，擋水工況歷時短，圍堰使用年限為1.5 a，上、下游壩坡以不出現拉應力為原則，并預留一定安全余富，設計上、下游壩坡坡比分別取1∶0.30和1∶0.60。廠房全年基坑上游膠凝砂礫圍堰橫斷面見圖2。

4.2 復核驗算

4.2.1 基本參數

根據地勘資料，圍堰計算采用的物理力學參數計算取用值見表4。

4.2.2 設計驗算

根據該工程圍堰設計的條件，廠房基坑全年圍堰在一期枯期圍堰保護下完成施工，在一汛開始正常擋水，因此，圍堰結構設計在以下設計工況下復核計算。

（1） 圍堰設計擋水工況：圍堰上游水位2 592.71 m，下游無水。

（2） 圍堰施工期完建工況：圍堰上下游均無水。

圍堰穩(wěn)定計算成果見表5，經計算復核，圍堰在設計工況下抗滑穩(wěn)定安全系數和堰體應力均滿足要求。運行工況下各層應力計算成果見表6，層間堰體強度均小于1 MPa，上游面均為正應力未出現拉應力。

綜上所述，廠房基坑上游全年圍堰設計斷面如下：堰頂高程為2 595.00 m，堰底高程為2 561.50 m，上游圍堰最大堰高為33.5 m，堰頂軸線長120.07 m，堰頂寬5.0 m，堰體內部為C4膠凝砂礫石結構。堰體上游坡比為1∶0.30，折坡點高程2 591.00 m，下游坡比為1∶0.60。

4.3 圍堰堰體防滲設計

圍堰基礎置于基巖上，為了使基礎與巖基更好地結合，避免出現滲透薄弱面，與基巖接觸面設0.5 m厚C9015常態(tài)混凝土墊層。由于堰體碾壓層是抗滑穩(wěn)定和滲透薄弱面，因此，堰體防滲至關重要。根據類似工程經驗，圍堰采用變態(tài)膠凝砂礫石防滲，不僅可阻止上游水沿碾壓薄弱面進入壩體，而且可與堰體同步上升，施工進度快，造價相對較低?？紤]到圍堰作為廠房進口攔沙壩，堰體上、下游均設1 m厚W4C4變態(tài)膠凝砂礫石，并在2 583.50 m高程設1.0 m W4C4變態(tài)膠凝砂礫石防沖。

4.4 堰基防滲

廠房基坑上游全年圍堰基巖為弱風化、弱卸荷的T3lh2（5）層板巖、T3lh2（6）層變質砂巖，透水性較強，需采用帷幕灌漿進行防滲處理。綜合考慮基巖滲透性和基坑排水壓力，帷幕灌漿深度為深入基巖20.0 m，孔間距1.5 m。為減少堰肩繞滲，左岸堰肩進行帷幕灌漿，灌漿最大造孔深度20.0 m，孔間距1.5 m。圍堰堰基和左堰肩布置2排固結灌漿，間距2.0 m，深度5.0 m。

5 結 語

該水電站廠房基坑全年上游圍堰高33.5 m，為首次在雅礱江流域中應用膠凝砂礫石筑壩技術。工程筑壩材料因地制宜地采用砂礫石料和開挖渣料，壩坡經穩(wěn)定計算和工程類比選取，綜合坡比為國內最低。研究成果可為膠凝砂礫石筑壩技術的推廣及應用提供參考。

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（編輯：江 燾，舒忠磊）

Design of all-year cemented sand-gravel cofferdam for hydropower station powerhouse foundation pit

FENG Xijie，WANG Xiaobo，ZHOU Shunwen

（POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Ltd.，Chengdu 611130，China）

Abstract： In order to further study the feasibility of using cemented sand-gravel cofferdam in a hydropower station on the Yalong River，according to the topographic and geological conditions，engineering layout and construction characteristics of the hydropower station，the earth-rock cofferdam and cemented sand-gravel cofferdam schemes were compared for the initially proposed all-year cofferdam of the powerhouse foundation pit through a comprehensive economic and technical analysis.Through calculation analysis，the upstream and downstream slope ratio design scheme of the cemented sand-gravel cofferdam was further optimized.The results showed that compared with earth-rock cofferdam，the layout scheme of the cemented sand-gravel cofferdam has certain advantages in terms of material source acquisition，construction conditions，project land occupation，and project investment，and the selected optimal section can meet the engineering design requirements.The research result can provide a references for the design of similar projects.

Key words： powerhouse foundation pit； cofferdam； weir foundation seepage prevention； cemented sand-gravel； Yalong River

收稿日期：2024-04-20

作者簡介：馮西杰，男，工程師，主要從事水利水電工程施工組織設計研究工作。E-mail：416925344@qq.com

引用格式：馮西杰，王小波，周順文.水電站廠房基坑全年膠凝砂礫石圍堰設計［J］.水利水電快報，2025，46（4）：71-76.