桂江巴江口水電站二期過水圍堰設(shè)計(jì)

1、桂江巴江口水電站二期過水土石圍堰設(shè)計(jì)周萬文（廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院廣西南寧530023）摘要：本文根據(jù)桂江巴江口水電站二期施工導(dǎo)流的實(shí)際，大江截流的二期過水土石圍堰設(shè)計(jì)采用了多種技術(shù)措施，確保過水土石圍堰安全，為同類工程設(shè)計(jì)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞：巴江口水電站過水土石圍堰設(shè)計(jì)1.工程概況桂江巴江口水電站是桂江干流綜合利用規(guī)劃（平樂以下河段）6個梯級中的第一個梯級，是一座以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)及其他的綜合利用工程。壩址位于桂江中游平樂縣巴江村上游1.5km處，壩址以上集雨面積12621km2，多年平均流量417m3/s，多年平均徑流量131.5億m3。水庫正常蓄水位97.6m，總庫容2.1

2、63億m3；電站裝機(jī)容量3×30MW，多年平均發(fā)電量427.57GW.h；船閘設(shè)計(jì)一次通過能力2×100噸，設(shè)計(jì)年過壩貨運(yùn)量80萬噸。樞紐總體布置方案沿壩軸線從左到右的布置依次為：左岸接頭重力壩長93m；船閘上閘首長24m；河床式電站廠房長80m；溢流壩長169.4m；右岸接頭重力壩長58.6m。樞紐布置沿壩軸線全長425m。溢流壩為混凝土實(shí)體重力式，堰型采用WES堰型，堰頂高程81.6m，壩頂高程為104.6m，最大堰高18.6m，最大壩高44.6m。壩址段河道較平直，河谷為寬闊的U型河谷，兩岸地形略顯不對稱，左岸坡度較緩，約為25°30°；右岸的岸坡

3、較陡，約為45°左右。壩址處枯水期河床寬約275m，河床正中有一處寬約4086 m、長約400 m的大沙洲，沙洲枯水期露出水面約3.5 m4.5m，將桂江分隔成左右河道，左河道河床底高程約70.0m，右河道河床底高程約66.5m，主河道在右側(cè)。壩軸線從大沙洲中部通過。工程于2003年8月開工建設(shè)，分二期施工，一期施工的左岸3孔溢流壩、廠房、船閘及左岸接頭重力壩，利用右側(cè)主河槽導(dǎo)流和通航；二期施工右岸6孔溢流壩及右岸接頭重力壩，利用一期建好的三孔溢流壩導(dǎo)流。2005年12月底利用二期圍堰擋水，電站第一臺機(jī)組和船閘投入運(yùn)行，2006年6月底三臺機(jī)組全部投入運(yùn)行。2二期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及導(dǎo)流時(shí)段確

4、定2.1導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)確定巴江口水電站屬等工程，臨時(shí)性建筑物相應(yīng)定為4級，土石結(jié)構(gòu)的4級臨時(shí)性導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為P5%10%。二期工程只有6孔溢流壩及右岸混凝土接頭壩，混凝土總量約10萬m3,導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)采用規(guī)范規(guī)定的下限，即采用枯水期P10%洪水作為本工程二期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)采用全年P(guān)10%洪水作為圍堰度汛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。壩址斷面各施工時(shí)段各頻率洪水見表211。表2-1-1 各施工時(shí)段各頻率洪水流量表流量(m3/s)頻率(%)時(shí)段 5102050全 年12700109009150652010月次年3月392034402240156010月次年2月2830225017609562.2導(dǎo)流時(shí)段確

5、定根據(jù)桂江洪水來得早的特點(diǎn)，導(dǎo)流時(shí)段的選擇比較了兩個方案?！胺桨?”：枯水期10月次年3月P10%的洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪水流量為3440m3/s；“方案2”：枯水期10月次年2月P10%的洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪水流量為2250m3/s。經(jīng)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行綜合分析比較后，選擇10月次年2月作為二期導(dǎo)流時(shí)段。3二期上游過水土石圍堰設(shè)計(jì)3.1圍堰型式選擇二期上游圍堰進(jìn)行了過水土石圍堰和不過水土石圍堰兩個方案比較。（1）圍堰施工及對工期影響：不過水圍堰施工簡單，圍堰本身施工工期相對較短，牽扯的施工資源較少，利于前期集中力量搶二期主體工程施工；過水圍堰增加了護(hù)面結(jié)構(gòu)，施工相對復(fù)雜，圍堰本身施工工期相對較長，

6、牽扯的施工資源相對較多，對前期集中力量搶主體工程施工有一定影響。（2）對初期發(fā)電和通航的影響：兩個方案上游圍堰完施工成后，均可以利用二期圍堰擋水發(fā)電和通航。但不過水圍堰汛期圍堰被洪水沖毀后難以恢復(fù)，初期發(fā)電和通航被迫停止，直到二期6孔溢流壩閘門安裝調(diào)試好后才能恢復(fù)通航和發(fā)電，需要再次斷航和停發(fā)電約4個月。而過水圍堰汛期仍可以利用圍堰擋水發(fā)電和通航，二期工程施工期間，對初期發(fā)電和通航?jīng)]有影響。（3）二期基坑施工風(fēng)險(xiǎn)分析：若在二期導(dǎo)流時(shí)段內(nèi)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，不過水圍堰被洪水沖毀后恢復(fù)難度大，甚至可能需要進(jìn)行二次截流；二期基坑恢復(fù)施工所需時(shí)間長，代價(jià)大。而過水圍堰洪水退后對圍堰進(jìn)行必要的檢查、修補(bǔ)后即

7、可恢復(fù)基坑施工，恢復(fù)施工較容易，大大降低了二期基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)。（4）臨時(shí)淹沒：不過水圍堰汛期被洪水沖毀，上游水位雍高降低，基本上不產(chǎn)生臨時(shí)淹沒。（5）綜合經(jīng)濟(jì)比較兩方案經(jīng)濟(jì)比較成果見表221。表221 經(jīng)濟(jì)比較成果表項(xiàng)目名稱過水圍堰不過水圍堰備 注1、二期圍堰土建工程費(fèi)用（萬元）8305502、施工期斷航補(bǔ)償費(fèi)（萬元）300700斷航補(bǔ)償費(fèi)按100萬元/月計(jì)算3、臨時(shí)淹沒賠償費(fèi)用60004、施工期發(fā)電效益（萬元）3740840電價(jià)按0.22元/kW·h計(jì)算從上表比較結(jié)果可見，過水圍堰比不過水圍堰多280萬元圍堰工程費(fèi)用，多600萬元臨時(shí)淹沒賠償費(fèi)用。但過水圍堰比不過水圍堰減少了斷航賠

8、償費(fèi)用400萬元，增加了初期發(fā)電效益2900萬元；扣除圍堰工程增加投資和可能增加的臨時(shí)淹沒賠償費(fèi)用外，過水圍堰圍堰施工期擋水發(fā)電、通航仍可獲利約2420萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)綜合分析比較，二期上游橫向圍堰型式選擇土石過水圍堰結(jié)構(gòu)型式。3.2二期上游橫向圍堰布置二期上游橫向圍堰按能滿足下基坑道路和二期基坑內(nèi)施工布置的要求進(jìn)行布置，上游橫向圍軸線在壩上0104.00m樁號處與上游混凝土縱向圍堰相交，交角85°，圍堰軸線長度約144.2m。二期圍堰布置見圖321。圖3213.3過水堰頂高程確定根據(jù)選定的導(dǎo)流時(shí)段和導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，二期導(dǎo)流水力計(jì)算成果和水工模型試驗(yàn)成果見表331。表331 二期導(dǎo)流

9、水力計(jì)算及水工模型試驗(yàn)成果表導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)二期備 注導(dǎo)流時(shí)段重現(xiàn)期(年)流量(m3/s)上游水位(m)下游水位(m)10月至次年2月10225090.7075.02計(jì)算成果10月至次年2月10225090.2575.02水工模型試驗(yàn)成果過流方式左3孔溢流壩如果按滿足二期圍堰導(dǎo)流期間擋水要求確定過水圍堰頂高程，二期上游過水土石圍堰高度達(dá)25m左右，度汛時(shí)二期上游過水土石圍堰上下游水位差達(dá)9m 左右。不但圍堰工程量大，且圍堰過水保護(hù)困難，圍堰安全度汛風(fēng)險(xiǎn)很大，施工期臨時(shí)淹沒也較大。在總體導(dǎo)流方案比較時(shí)已經(jīng)考慮到上述各種因素，為配合解決二期施工通航問題，一期工程已建好的船閘上閘首門檻高程從91m降低到87

10、m。因此，二期上游過水土石圍堰頂高程，按滿足施工期船閘上閘首門檻最低通航水深（1.5m）的要求確定為88.5m，二期導(dǎo)流期間在過水堰頂上加高度為3.5m的自潰式子堰擋水。3.4過水土石圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.4.1圍堰斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二期上游過水土石圍堰在截流戧堤的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉氣防滲處理、加高培厚和加設(shè)過水護(hù)面結(jié)構(gòu)形成。圍堰堰體分成五個區(qū)：截流戧堤頂高程76m，頂寬15m，預(yù)進(jìn)占段用土料填筑，龍口段用渣料、塊石、鋼筋石籠填筑；粘土防滲層位于圍堰斷面上游側(cè)，用粘土料填筑；反濾層位于上游側(cè)粘土防滲體與下游側(cè)堰體之間，起保護(hù)防滲體作用，用砂礫料填筑；石渣料填筑區(qū)位于反濾層下游側(cè)，主要是除截流戧堤外的圍堰背水面堰

11、體，采用壩基開挖渣料填筑；過水護(hù)面層上游堰坡（坡比為1：3）高程85.5m以下橫堰與混凝土縱堰接頭處30m范圍采用鋼筋石籠護(hù)坡，其余地段采用拋塊石護(hù)坡；高程85.5m以上的上游堰坡、堰頂及下游堰坡（坡比為1：2）采用厚0.7m混凝土面板護(hù)坡，下游坡腳設(shè)混凝土鎮(zhèn)墩防護(hù)。過水土石圍堰堰頂高程88.5m，堰頂寬15m，二期導(dǎo)流期間過水圍堰頂上設(shè)高度為3.5m的自潰式子堰擋水，子堰堰頂高程92m，堰頂寬2.5m。圍堰最大斷面高度25.5m（其中自潰式子堰高3.5m，過水土石圍堰高22m）。圍堰斷面結(jié)構(gòu)參見圖341。圖3413.4.2土石圍堰過水保護(hù)設(shè)計(jì)中采用的主要技術(shù)措施3.4.2.1自潰式子堰在過水

12、堰頂上設(shè)堰頂寬2.5m，堰高3.5m，采用粘土麻袋填筑的自潰式子堰擋水。汛期圍堰過水后自潰式子堰被洪水沖毀，由過水圍堰承擔(dān)擋水通航和發(fā)電的任務(wù)。通過采取過水堰頂上加自潰式子堰措施，在滿足汛期擋水通航和發(fā)電前提下，適當(dāng)降低二期上游過水土石圍堰汛期泄洪時(shí)上下游水位差，降低圍堰過水保護(hù)的難度，減少可能產(chǎn)生的施工臨時(shí)淹沒。3.4.2.2加強(qiáng)圍堰與右岸坡接頭保護(hù)在圍堰與右岸坡接頭處的保護(hù)措施主要有：混凝土面板與岸坡接頭處設(shè)0.5m深的混凝土齒墻，防止淘涮破壞；（2）右岸坡過水范圍內(nèi)的坡面采用噴錨措施防護(hù)，即先布設(shè)20短錨桿（長2m），然后掛6鋼筋網(wǎng)、噴厚10cm的C20混凝土防護(hù)，防護(hù)范圍為度汛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

13、洪水相應(yīng)水位加安全超高。（3）在沿圍堰軸線長度方向設(shè)一道寬8m平臺及長20m、坡比為1：10的斜坡段與右岸坡連接（見圖342所示），將靠近右岸坡處的堰頂逐步抬高，以減少圍堰過水時(shí)岸坡流速和沖涮能量，防止圍堰接頭處岸坡受沖刷破壞。圖3423.4.2.3縱、橫堰接頭處采用土工膜軟接頭連接過水土石圍堰與混凝土縱堰接頭為剛?cè)峤雍喜?，由于土石圍堰施工時(shí)與混凝土縱堰接頭處碾壓困難，該部位是防滲的薄弱環(huán)節(jié)。一般可采用的是在混凝土縱堰的接頭部設(shè)刺墻，插入土石圍堰的防滲體中，或者將接頭部位防滲體的斷面加大，保證有足夠的滲徑等措施防護(hù)。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，在縱、橫堰接頭處采用土工膜軟接頭連接，土工膜規(guī)格為100

14、g/0.5/100g，埋入圍堰防滲體中5m，有2m緊貼在混凝土縱堰上，用螺桿、鋼板、螺母固定。通過采取軟接頭連接，防止過水土石圍堰與混凝土縱堰接頭處產(chǎn)生滲透破壞。3.4.2.4根據(jù)不同流速分布采用不同護(hù)面結(jié)構(gòu)（1）上游橫堰與混凝土縱堰接頭處30m范圍內(nèi)、高程85.5m以下的上游堰坡流速較大，流態(tài)混亂，該區(qū)域采用尺寸1.2m×1.0m×0.6m（長×寬×厚）鋼筋石籠防護(hù)。鋼筋石籠是一種柔性的護(hù)面結(jié)構(gòu)，更能適應(yīng)不均勻沉陷；由于鋼筋石籠的整體重量較大，同時(shí)有鋼筋籠網(wǎng)的保護(hù)，比散體塊石具有更好抗沖涮和抗回流淘刷的能力。（2）上游橫堰高程85.5m以下的其余地段上

15、游堰坡流速不大，參照國內(nèi)及我院設(shè)計(jì)的部分同類工程的成功經(jīng)驗(yàn)，采用拋塊石護(hù)坡，拋塊石平均厚度0.5m。（3）度汛時(shí)過水圍堰堰頂最大面流速達(dá)7.1m/s；下游坡最大面流速為5.24m/s，最大底流速為10.48m/s；堰腳最大面流速為4.76m/s，最大底流速為7.96m/s。在流速較大的部位，即高程 85.5m以上的上游堰坡、堰頂及下游堰坡采用0.7m厚混凝土面板護(hù)面結(jié)構(gòu)。為了防止因沉陷、溫度收縮等原因產(chǎn)生裂縫和適應(yīng)沉降變形，并使混凝土護(hù)面結(jié)構(gòu)具有一定柔性，設(shè)計(jì)將混凝土面板按尺寸為6m×5m×0.7m（長×寬×厚）進(jìn)行分塊，混凝土面板縫間嵌入瀝青木板。為了

16、保持面板具有較好的整體性，混凝土面板配置12250的鋼筋網(wǎng)。為了加強(qiáng)混凝土面板的整體性和面板之間的相互牽制作用，分縫處的鋼筋不切斷。為了減少作用于下游堰面混凝土面板的揚(yáng)壓力，下游坡面板上埋設(shè)100PVC排水管作為排水孔，孔距2m，呈梅花型布置，PVC排水管的里端用反濾土工織物包裹，起到反濾作用，保護(hù)堰體內(nèi)細(xì)顆粒不被帶走。3.4.2.5下游堰腳采取防沖措施下游堰腳處設(shè)置于基巖上的混凝土鎮(zhèn)鐓，把水流挑起，避免高速水流直接沖刷堰腳，同時(shí)對堰腳進(jìn)行防護(hù)，以防止堰腳產(chǎn)生淘空破壞。3.4.2.6預(yù)留充水缺口對基坑進(jìn)行預(yù)充水為了確保圍堰安全度汛，分別在混凝土縱堰上下游段設(shè)了充水缺口，充水缺口底部高程87.7

17、0m，寬10m，當(dāng)預(yù)報(bào)流量超過二期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)2250 m3/s時(shí)，提前扒開缺口，在圍堰開始過水前提前對基坑預(yù)充水，使基坑內(nèi)先形成水墊，避免洪水剛開始漫堰頂時(shí)直接沖刷下游堰腳。同時(shí)對基坑預(yù)充水后，降低圍堰開始過水時(shí)上下游水位差，降低下游坡面流速，有效改善圍堰剛過水時(shí)水流流態(tài)。3.4.2.7圍堰背水面填筑開挖石渣減少混凝土面板變形圍堰度汛運(yùn)行條件復(fù)雜，已建的工程中過水土石圍堰失事大部分原因是由于不均勻沉陷導(dǎo)致混凝土面板變形，以致開裂折斷，導(dǎo)致護(hù)面結(jié)構(gòu)破壞。在過水圍堰設(shè)計(jì)時(shí)，以滿足防滲要求為提前，將截流的堆石戧堤與圍堰堰體結(jié)合，在背水面采用壩基開挖石渣料填筑，并對填筑石渣料進(jìn)行分層碾壓，盡量減少下游堰坡不均勻沉陷，確保圍堰安全度汛。同時(shí)也可以充分利用開挖棄