何善国

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 工程概况

先锋水利枢纽工程始建于1966年,原工程名称为左江先锋水轮泵站。

该枢纽位于广西崇左市江州区太平镇境内、左江上游牛仔滩河段,距上一梯级左江水利枢纽4.6km,离崇左市区 16km。坝址以上集雨面积26282km2,多年平均流量566m3/s。水库正常水位92.3m,正常库容492万m3,总库容3931万m3,泵站设计灌溉面积7万亩,1971年建成并发挥灌溉效益,1975年最大灌溉面积1.9363万亩,后来随沿江提水电灌站工程的建成,该水轮泵站灌溉面积随之减小,现在实灌面积仅0.45万亩。

1977年及1990年改建时在左岸拆去部分水轮泵改建成左岸牛仔滩水电厂,安装8×200kW水轮发电机组;2002年工程改建时拆去右岸一部分水轮泵改建成先锋水电厂,安装2×8800kW水轮发电机组,枢纽建筑物按30年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。

2 工程地形地质条件及原建时坝基处理情况

坝区右河床地面高程86.2m～89m,中部河床及左河床地面高程82.3m～86m,因河流转弯,主河道自右折向左,左岸电厂尾水附近为一深潭,深潭最深位置高程达78m。大坝右岸船闸段基岩为霏细斑岩,其余坝段基岩为凝熔灰岩,基岩覆盖层为砂卵石,最大厚度5.7m。坝基基岩较完整,承载力较高,抗冲性能好,满足低坝建设要求,但砂卵石层耐冲能力较差。

工程原建时大坝分为左岸水轮泵站、河中溢流坝、右岸水轮泵站、右岸船闸等坝段,除了船闸坝段外,其余坝段坝顶高程与库正常水位92.3m齐平,大坝全长268m,横断面坝底宽度15.6m,最大坝高约11.6m。工程原建时右岸船闸坝段基础已置于霏细斑岩弱风化层上,中部坝段置于凝熔灰岩弱风化层上,左岸坝段局部坝段因基岩埋深较大、砂卵石层较厚且透水性较强造成下挖施工困难,故该坝段未清挖到基岩而置于砂卵石层上,也没有对砂卵石层进行防渗帷幕或固结灌浆处理。

2002年改建进行地质勘察时发现该坝段下游坝脚被水流淘空,但未发现坝体面部有沉降及开裂现象。历次改建时,除了在改建部位拆去一部分水轮泵坝段建成电厂厂房和大坝面层用混凝土加固外,均未对原大坝进行过基础加固处理。

3 大坝局部坝段基础淘空情况及成因分析

3.1 局部坝段基础淘空情况

先锋水利枢纽工程2002年改建后,其枢纽建筑物除了原有溢流坝段、水轮泵坝段、左岸电站厂房、右岸船闸外,增加了右岸电站厂房及其厂房前引水建筑物。

枢纽工程布置为低水头河床径流式,原设计溢流坝坝型为橡胶坝,其底座为混凝土,坝后不设消能设施,于1969年试用,当年汛期橡胶坝被洪水冲坏后坝型改为自由溢流的折线型溢流坝,底座上部的橡胶坝体改为浆砌石结构,但修改后的溢流坝下游坝面不设挑流坎、坝后也无消能设施;水轮泵站坝段坝顶高程与库正常水位92.3m齐平,实际上也是自由溢流坝段,坝后也不设消能设施。

1993年以前,枢纽工程未进行过整体水工模型试验研究,坝后水流流态及冲刷情况不明。

水轮泵站工程于1971年建成,运用后的13年里未曾进行过大坝水下检查,直到1984年和1987年分别进行水下检查时,发现左河槽坝段坝后基脚有冲淘坑,虽提出了处理方案但未实施。

2007年汛期期末进行水下检查,发现左岸坝段基础局段被淘空,但未对淘空部位及淘空范围进行具体测量;2008年5月10日专业潜水员对大坝及其基础进行水下全面勘测,经测量知坝基局段被淘空位置在拦河坝左岸水轮泵站3号机座以右,沿坝轴线淘空长27.4m,横向由下游往上游方向最大淘空水平距离13.5m,最大淘深4.2m,经钎探得知最深淘空底部离基岩面约1.42m,但该坝段并没有失稳,坝体表面也无沉降及开裂现象。

3.2 成因分析

主管部门得知大坝险情后及时组织有关单位工程管理及技术人员到现场召开会议,对大坝进行调查,查阅相关资料,并就大坝淘空情况及应急加固处理措施进行分析讨论。本作者认为左河槽坝段坝基局部被淘空有如下主要原因。

(1)原建时勘察设计深度不足,局部坝段坝基处理不当

调查时知,先锋水利枢纽工程是在文化大革命期间建设的,原建时属 “三边”工程,当年工程设计时可能只做地表踏勘而没有进行具体地质钻探工作,检查工程档案文件时找不到大坝施工地质编录资料,说明原工程勘察设计深度不足和当时施工技术管理缺位。

当年工程施工时,没有专业施工队伍参加施工,是发动和组织群众施工的,因施工技术条件的限制,左岸坝段部分坝基岩埋深较大、砂卵石层较厚且透水性较强造成下挖施工困难,基础没有清基至凝熔灰岩基岩,坝体混凝土底板置于砂卵石层上,坝体完工后没有对该段坝基砂卵石层进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆处理。

正是当时设计与施工对该坝段地基处理不当,如今才造成了坝基局部淘空险情。

(2)原建坝后无消能工程,水力设计存在缺陷

溢流坝坝型原设计为橡胶坝,坝后无消能工程,橡胶坝袋被洪水冲坏后改变坝型时,其溢流坝面为折线型坝面,溢流坝下游坝面没有增设曲面挑流坎或坝后消力池。水轮泵站坝段坝顶高程与溢流坝相同,实际上也是自由溢流坝段,坝后也不设消能工程。

本工程为低水头河床径流式,左江年来水量较大,建成运用以来拦河坝经常过洪泄流,因自由溢流且过坝流量及水深不同,坝后各种水流流态都有可能发生,由于坝后不设消能工程,当过坝水深和下游水深较小时,过坝水流水舌会直接冲淘坝脚,或当下游水位较高时水舌可能潜入底部产生底部强烈回流而淘刷坝脚。因左岸坝段坝基置于砂卵石层上,坝踵又无防冲护坝趾墙,加上原溢流坝水力设计存在严重缺陷,经长期的水力冲淘作用,致使下游坝脚及基础逐渐被冲刷淘空。

1993年该工程拟进行扩建并完成工程初步设计,同年6月广西大学土木系受委托作了工程整体水工模型试验研究[1],分别做了原工程方案和扩建方案的试验。原工程方案的试验研究成果表明,左岸牛仔滩水电厂与左岸水轮泵坝段交接处,坝后水流紊动较为激烈,在该坝段下游附近早已形成的一大冲坑可能与这种激烈水流紊动有关。改扩建工程方案的试验研究成果表明,当下泄流量为3000m3/s时,坝后50m以内的河中部左侧区出现流向大坝偏左岸方向的回流流态,下泄流量为7760m3/s时,坝后25m内被淘空坝段范围内出现流向大坝偏左岸方向的回流流态,说明左岸坝段局部坝基被冲刷淘空的成因与这类回流有关。

(3)对早期发现大坝淘空险情重视不够,未及时加固处理

早在1984年和1987年水下检查时已发现左岸坝段坝后基脚被淘空,未实施坝脚基加固保护处理,2007年汛末水下检查发现左岸坝段基础局段被淘空,但延迟到2008年5月才研究应急加固处理措施,说明运行单位对早期发现大坝淘空险情重视不够,对其可能造成的危害认识不足,因而未及时采取加固处理以控制或防止坝基淘空范围扩大,若在较早些时候及时处理,则工程处理经济代价就小得多。

4 应急处理措施

由前述知,大坝坝后基脚及坝基局段被淘空已存在多年,不垮坝的主要原因,一方面是大坝底部设有2m～3m厚混凝土底板,上部为浆砌石结构,坝体为一刚性整体,抗剪抗压强度均较大,坝体高度及自重较小,其自重产生的断面底部拉应力小坝体材料允许拉应力;另一方面是坝下地基局部虽然被淘空,但坝体下部结构 (混凝土底板)把上部荷载往两边传递,加上水浮力的作用减轻坝体重量,使大坝暂时处于稳定状态。大坝坝基水平宽度不足16m,坝基厚仅剩下2.1m,大坝地基处于被击穿的极度危险状态,若不采取加固工程措施,上游水位抬高或过坝泄流形成较大振动时,均极可能造成坝体断裂而垮坝。而一旦垮坝,将对当地社会政治及经济造成极为不良的影响,因此该工程的险情引起了当地政府和项目业主的高度重视,防汛部门及时开展了应急抢险的各项准备工作,设计部门负责研究及提出应急加固设计方案。

4.1 非工程措施

在应急加固处理前采取了以下应急非工程措施:

①尽可能降低坝前水位运行,要求降到90.0m高程,减小大坝上游水压力;②加强监测和巡查,观测大坝是否有裂缝或变位,水面是否有异常如冒泡、浑浊等;③每天零报告,运行管理部门每天向防汛部门报告险情,无论有无险情均要报告,直到险情解除为止;④工程所在地的水利部门配合业主,编制垮坝应急预案,并向上、下游可能受到影响的单位及群众宣传,做好应急疏散准备,并加强与气象部门和上游梯级电站的沟通,了解气象情况和控制上游电站闸坝下泄流量;⑤业主要划出大坝危险警示范围,树立警示标志,并轮班值班巡查,禁止船只、人员等靠近危险区。

4.2 工程措施

(1)应急加固设计方案

鉴于大坝坝体无裂缝,只是基础局部被淘空,因而只对基础淘空部位进行回填加固处理。清挖基坑时,靠近下游坝脚位置要清挖至基岩面,基础设触岩齿墙,齿墙底宽6m,用混凝土回填填满被淘空坝基部位,在回填的混凝土体顶部预埋灌浆导管,待混凝土凝固后,通过灌浆导管用高标号水泥浆灌注充填回填混凝土与旧坝体之间缝隙。若采用水下施工方案,则回填材料用C30水下混凝土,若用围堰施工方案则用常规混凝土。

(2)应急施工方案

根据该工程的现状及现场施工条件,有两种施工方案供选择,一是水下施工方案,二是围堰施工方案。

围堰施工方案的优点是回填混凝土为常规施工技术,施工质量易控制,基础触岩齿墙易清挖至基岩。缺点是当时已经进入洪水期,围堰的设计标准高,工程量大,加上围堰取土场地及临时施工道路场地征用,临时工程投资大,基坑抽水前,为防因无水浮托力的作用而使基础淘空坝段断裂溃坝,需在中部设两个支墩 (结构材料可用钢结构),而支墩清基也需在水下进行,这个方案所需要的施工时间过长,失去了应急抢险的意义和宝贵时间,因此按常规围堰的施工方法不可行。

水下施工方案的优点是不用围堰,节省时间,工程投资较少;缺点是水下施工技术有一定难度,尤其是水下清挖和混凝土施工质量要求较高,也难掌控。综合分析本工程的实际情况,采用水下砼施工方案是可行的。

为了避免水下施工可能对旧坝体造成破坏,建议采用分段施工,即先施工淘空部位的中间段,待中间段混凝土回填施工至旧坝体形成支撑后再进行其余两段的施工。为了加快水下混凝土的凝固,拌和混凝土时可添加速凝剂等外加剂。

5 结语

溢流坝坝后坝脚地基或坝基局部淘空是拦河大坝常见的险情现象之一,其成因是多方面的,如坝基软基和断层挤压破碎带处理不当,大坝基础下游侧不设护坝脚入岩齿墙,坝后不设消能工或消能工形式选用不当及设计缺陷。我国20世纪60至70年代建成的拦河坝工程不少,至今已运行了数十年,为了消除大坝安全隐患,建议地方主管对本地管理的已建成运行多年而未进行安全检查的一些拦河坝工程安排大坝水下检查和设计复核。

先锋水利枢纽工程坝基局部淘空应急加固处理后运行正常,其工程应急处理经验值得类似拦河坝工程借鉴。

1 广西大学.《崇左县先锋水利枢纽扩建工程整体水工模型试验报告》[R].南宁:广西大学,1993年6月.