大渡河枕头坝一级水电站纵向土石子围堰防渗方案研究

【摘 要】枕头坝一级水电站纵向土石子围堰基础覆盖层深厚，最厚处达60多m，以卵砾石为主，属强透水层，围堰保护基坑开挖深度较深，防渗方式可靠与否对工程安全至关重要。本工程通过技术经济比选最终确定纵向土石子围堰的防渗方案，为相关工程提供了借鉴。

【关键词】枕头坝一级水电站；围堰；防渗；研究

0 工程概况

枕头坝一级水电站为大渡河干流规划的第十九个梯级，位于大渡河中下游乐山市金口河区的核桃坪河段上，上游距离深溪沟电站25km，下游距离枕头坝二级电站4.1km。坝址处控制流域面积73057km2，多年平均流量1360m3/s。

电站为二等大（2）型工程，采用堤坝式开发，装机容量720MW（4×180MW），多年平均发电量32.90亿kW・h，正常蓄水位624m，水库总库容0.469亿m3。工程开发任务为发电，兼顾下游用水。枢纽由左岸非溢流坝段、河床厂房坝段、排污闸与泄洪闸坝段及右岸非溢流坝段组成，最大坝高86.5m。

1 自然条件

1.1 水文气象

坝址河段属四川盆地亚热带湿润气候区，河谷地区四季明显，年平均气温一般为13～18℃，最低气温-5℃，最高气温多发生在七八月，年蒸发量达1200～1600mm，年平均相对湿度70%，多年平均年降水量1000mm。主汛期为6～9月，年最大流量多出现在六七月。大渡河洪水是在上游融雪基础上加中下游暴雨洪水组成，常形成多峰洪水，洪水过程肥胖，涨落变幅小、底水高、持续时间长。

1.2 地形地质

本工程坝址为一较宽缓的“V”形谷，枯水期河面高程589～590m，河水面宽70～130m，水深7～9m。河谷两岸坡度总体上具有左陡右缓之势。坝址两岸出露基岩主要为前震旦系烂包坪组（Pt2l）玄武岩，坝址河床段覆盖层深厚，最厚处达60多m，河床覆盖层物质组成自上而下总体分为2～4层，均以卵砾石或碎块石为主，属强透水层，局部段分布有砂夹细砾层，偶尔见有草绿色、灰色中粗砂或细砂层。

2 施工导流规划

本工程采用明渠分期导流方式，一期由左岸河床泄流，围右岸进行导流明渠及纵向混凝土围堰施工；二期由右岸导流明渠导流，围左岸进行左岸挡水坝段、厂房坝段、排漂闸坝段和2孔泄洪闸坝段施工；三期由2孔泄洪闸导流，围右岸进行剩余3孔泄洪闸坝段施工。

一期导流主要由预留岩埂和纵向土石子围堰挡水，设计洪水标准选择全年10年一遇，相应流量为Q10%=6080m3/s，导流明渠进口处的河床水位为599.04m，坝轴线处的河床水位为598.16m。

一期纵向围堰总长为1064.30m，由预留岩埂及土石子围堰组成，从导流明渠进口至坝轴线上游（坝纵0-063.20m桩号）均可通过预留岩埂挡水，预留岩埂顶高程为600.0m，长380m，坝轴线上游（坝纵0-063.20m桩号）至下游导流明渠出口位置需修建纵向土石子围堰挡水，土石子围堰顶高程599.00m，长684.30m，顶宽6m，迎水面坡度1：1.0，背水面坡度1：1.5，迎水面采用铅丝笼+喷20cm厚混凝土保护，喷混凝土内设置φ50排水孔，间排距3×3m，梅花型布置，仰角10°。为防止水流淘刷堰脚，在围堰迎水面堰脚设置2.0m深的齿槽，齿槽采用C10混凝土浇筑形成。

3 纵向土石子围堰防渗方案研究

3.1 灌浆试验

由于纵向土石子围堰基础覆盖层深厚且组成复杂，使用年限达2年，为了确保围堰的防渗效果，现场进行了围堰的灌浆试验，具体试验成果如下：

（1）控制性灌浆试验是比较成功的：最大试验深度55m，接近实际施工最大防渗深度；防渗效果较好，单排孔孔距1.0m和双排孔孔距1.5m时，K值均可达到

（2）高喷灌浆试验造孔只能达到40m深度，孔距0.6m和1.0m的双排孔，防渗效果不理想，有30%的孔段K值为10-3cm/s量级。

（3）改良性高喷灌浆试验深度仅为20m，防渗效果也不理想，50%孔段K值为10-3cm/s量级，不宜采用作为比选方案。

3.2 防渗方案拟定

根据灌浆试验成果，纵向土石子围堰采用双排控制性灌浆孔防渗，能基本满足工程要求，但对粉砂层效果较差。混凝土防渗墙是覆盖层地基防渗的主要措施之一，且应用广泛，防渗效果好，可靠性高，成功经验多。

堰体防渗施工平台防洪标准选择全年5年一遇洪水，相应流量为5530m3/s，对应水位为596.27m，取防渗施工平台高程为597.00m。纵向土石子围堰597.00m高程以上均采用粘土心墙防渗， 597.00m高程以下部位的防渗方式拟对控制性灌浆、混凝土防渗墙、控制性灌浆与混凝土防渗墙相结合三种防渗方案进行比选。

3.3 防渗方案设计

（1）方案一：双排控制性灌浆方案

控制性灌浆方案考虑采用双排孔布置，孔距1.5m，排距0.8m，分Ⅰ、Ⅱ序进行，防渗灌浆孔入岩1.0m，防渗灌浆采用孔口封闭、孔内循环、自上而下分段灌浆法进行施工，Ⅰ序孔灌浆压力2.0MPa，Ⅱ序孔灌浆压力2.5MPa；灌浆孔开孔孔径为91mm，终孔孔径应不小于56mm。

控制性灌浆单排防渗面积为31796m2，单排孔轴线长度695m，平均孔深45.75m，采用地质钻机钻孔，控制性灌浆单台套设备钻灌平均速度为5.5m/d。拟投入60台套钻灌设备，则防渗灌浆施工总工期约为155d。

（2）方案二：混凝土防渗墙方案

混凝土防渗墙深入基岩1.0m，最大防渗深度为63m，防渗墙承受的最大水头为33.5m，根据防渗墙破坏时的水力坡降确定混凝土防渗墙墙体厚度为0.8m。一期、二期槽段长度均为6.8m，主孔孔径为0.8m，副孔长度为1.2m。

混凝土防渗墙采用“钻劈法”成槽施工，单台冲击钻机平均工效为3.5m/d。混凝土防渗墙防渗面积为31796m2，轴线长度为695m，平均孔深45.75m，共350个孔，116个槽段，其中Ⅰ期槽58个，Ⅱ期槽58个，平均工效为3.5m/d*台，拟投入58台冲击钻机，则混凝土防渗墙施工总工期约为115d。

（3）方案三：混合（双排控制性灌浆+混凝土防渗墙）防渗方案

由于控制性灌浆对粉砂层防渗效果较差，为了弥补不足同时又考虑经济性，故考虑将双排控制性灌浆与混凝土防渗墙相组合的方案。本工程除纵向子围堰上游端（0+006.00～0+168.00m桩号段）及下游端（0+630.80～0+701.66m桩号段）粉砂、细砂层分布较少，防渗深度在42m以内外，中间段（0+168.00～0+630.80m桩号段）的地层中从上到下分布了三层较连续的粉砂、细砂层，且该段防渗深度均在42m以上，局部达到64.3m，由于控制性灌浆在粉砂、细砂层中的可灌性较差，而混凝土防渗墙在此类地层中能达到很好的防渗效果。故根据地层及覆盖层深度不同的部位，在纵向子围堰0+006.00～0+168.00m桩号段及0+630.80～0+701.66m桩号段采用双排控制性灌浆防渗，0+168.00～0+630.80m桩号段采用混凝土防渗墙防渗。

控制性灌浆孔和混凝土防渗墙布置参数、施工工效同方案一和方案二。控制性灌浆单排防渗面积为6609m2，单排孔轴线长度232.86m，平均孔深28.4m，拟投入16台套钻灌设备，防渗灌浆施工工期约为120d。混凝土防渗墙防渗面积为25187m2，轴线长度为462.8m，平均孔深54.4m，共234个孔，77个槽段，其中Ⅰ期槽39个，Ⅱ期槽38个，拟投入39台冲击钻机，则混凝土防渗墙施工工期约为129d。

3.4 渗流分析计算

（1）计算工况

1）控制性灌浆方案：双排灌浆孔伸入覆盖层1/3处、2/3处和防渗灌浆至基岩3个工况；

2）混凝土防渗墙方案：防渗墙伸入覆盖层1/3处、2/3处和全封闭防渗墙3个工况；

3）控制性灌浆+混凝土防渗墙方案。

（2）计算结果

1）控制性灌浆方案

纵向子围堰控制性灌浆伸入覆盖层1/3、2/3及基岩时总渗流量分别为5541.3m3/h、4416.5m3/h、1936.6m3/h。

控制性灌浆孔伸入覆盖层1/3、2/3时防渗体下部覆盖层及出逸点附近渗透坡降在0.46以上，均大于该处覆盖层允许坡降值（0.40），渗流稳定不能满足要求。控制性灌浆孔伸入基岩时渗透坡降最大处在防渗体下部岩体，其最大值约为4.66，出逸点附近渗透坡降约为0.36，小于该处覆盖层允许坡降值（0.40），渗透稳定满足要求。

2）混凝土防渗墙方案

纵向子围堰混凝土防渗墙伸入覆盖层1/3、2/3及基岩时总渗流量分别为4875.6m3/h、3456.8m3/h、103.0m3/h。

悬挂式防渗墙伸入覆盖层1/3、2/3时防渗体下部覆盖层及出逸点附近渗透坡降在0.42以上，均大于该处覆盖层允许坡降值（0.40），渗流稳定不能满足要求。全封闭防渗墙方案渗透坡降最大处在防渗体下部岩体，其最大值约为2.19，出逸点附近渗透坡降约为0.16，小于该处覆盖层允许坡降值（0.40），渗透稳定满足要求。

3）控制性灌浆+混凝土防渗墙方案：

该方案只考虑混凝土防渗墙、控制性灌浆孔均到达基岩的工况，纵向子围堰总渗流量为463.4 m3/h，渗透稳定满足要求。

3.5 防渗方案比选

纵向土石子围堰597.00m高程以下防渗方案的投资及工期比较见表1，优缺点比较见表2。

表1 各防渗方案投资及工期比较表

表2 各防渗方案优缺点比较表

综上分析，三个方案的投资最大差值为165.20万元，占整个防渗投资的比重较小，不是控制性因素。方案三在工期和投资上介于方案一和方案二之间，该方案克服了控制性灌浆在粉砂层地层上可灌性差的缺点，既能发挥控制性灌浆单台套施工设备施工工效较高的特点，也能发挥混凝土防渗墙在深厚覆盖层地层中防渗可靠度高，实践成功经验多的优势，能达到较好的防渗效果，故推荐纵向子围堰597.00m高程以上采用粘土心墙防渗，597.00m高程以下采用混合（双排控制性灌浆+混凝土防渗墙）防渗方案。

4 结语

枕头坝一级水电站纵向土石子围堰基础覆盖层深厚，属强透水层，围堰保护基坑开挖深度较深，防渗方式可靠与否对工程安全至关重要。本文通过现场灌浆试验得出灌浆方式的适应性和工效，对不同防渗方式及深度进行渗流稳定分析，再由工期、投资及优缺点比较最终确定纵向土石子围堰的防渗方案，为相关工程提供了借鉴。