阴坪水电站首部枢纽闸坝设计

2013-12-17王菊梅

水电站设计 2013年3期

关键词：闸坝水坝河床

王菊梅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

阴坪水电站位于四川省平武县境内的涪江一级支流火溪河上，是火溪河水电梯级开发的最后一级，为引水式开发。水库正常蓄水位为1 248.00m，相应库容为112.6万m3，电站装机容量为100MW，为单一发电工程，无其它综合利用要求。

电站枢纽工程为三等，主要水工建筑物按3级设计，地震设防烈度为7度，地震基岩峰值加速度为0.1g。

首部枢纽建筑物由左至右分别为左岸挡水坝、2孔泄洪闸、1孔冲沙闸、右岸挡水坝及其上游侧的取水口闸，坝顶高程1 249.50m，闸坝最大高度为35.0m。据勘探资料揭示，河床覆盖层深厚，最深约106.77m，结构层次复杂，存在软弱下卧层。软弱层主要以砂、砂壤土为主，承载力、压缩模量及抗剪强度均较低，且在7度地震时有液化的可能。经方案比较闸坝基础采用振冲碎石桩进行处理，通过振冲及填料挤压置换形成复合地基，以提高地基的承载力、抗剪强度和抗变形能力，防止其发生液化。

2 首部枢纽工程地质情况

阴坪闸址河段为不对称的“U”型河谷，两岸临河坡高80～100m，最高可达300余m，呈较典型的横向谷。基岩主要出露于两岸谷坡，左岸出露于1 240.00m高程以上，右岸出露于1 220.00～1 290.00m高程以上。岩性为灰白色二云母石英片岩，坚硬、性脆，呈中—厚层状结构，局部薄层状结构，片状构造，黑云母定向排列，片理极发育。

闸址覆盖层厚度变化较大，为28.1～106.77m，左侧坡脚约为28.1m，左岸阶地为47.75～106.77m，现代河床一带为30.2～83.14m。河床覆盖层主要由砂卵砾石、砂及壤土组成，按成分和粒度的差异自上而下可分为8层，分别为

⑧层：褐黄色粉砂质壤土层，厚0～5.92m，碎、砾石主要为二云母石英片岩，土为浅黄色壤土，可见大量植物根系。

⑦层：含漂砂卵砾石层，厚2.83～8.25m，平均厚5.2m，闸区分布连续且厚度变化较小。该层结构较松散，漂(块)卵砾石主要为二云母石英片岩、花岗岩、变质砂岩等，漂(块)石粒径20～30cm，卵石粒径5～8cm、砾石粒径0.5～1cm，圆～次圆状；砂为灰褐色中细砂。

⑥层：深灰色粉砂质壤土层，厚0～8.78m，最小埋深3.15m。分布于闸轴线以上及以下约70m范围内，从上游到下游逐渐变薄，护坦末端处尖灭；由河床至左岸缓坡厚度逐渐增大。呈深灰色，结构较紧密，含水量较高，呈软塑～流塑状，含有机质，可搓成直径2～3mm的土条，偶见碎石包含物，风干后呈灰白色，较坚硬。根据地质判断当遭受设计地震烈度影响时该层为可液化层。

⑤层：砂层，厚2.37～20.16m，最小埋深4.9m，分布较连续，河床附近较厚，向岸坡方向变薄，上游较厚达18.83～20.16m，下游变薄仅2.37m。该层主要为灰褐—黄褐色粉细砂—中粗砂，二者界限不明显，以粉细砂夹中粗砂透镜体更常见。至护坦下游及下游围堰渐变为中粗砂。该层结构较松散，见3～5cm碎石包含物，成分为二云母石英片岩。根据地质判断当遭受设计地震烈度影响时该层为可液化层。

④层：深灰色粉砂质壤土层，层厚0～8.52m，最小埋深9.1m。从闸轴线上游约25m至护坦末端及现代河床至公路一带该层厚4.89～8.52m；上游围堰河床部位，该层变薄，厚3.40～3.83m；到下游围堰河床部位该层尖灭。该层结构较紧密，多呈硬塑状，见5～20cm柱状岩心，失水后出现裂纹，风干后呈灰白色，坚硬，可搓成直径3～4mm的土条。局部夹粉细砂，偶见3～5cm及20～30cm碎、块石包含物，成分为二云母石英片岩，含有机质。

③层：块碎石土层，分布较连续，层厚0～8.47m，块、碎石成分为二云母石英片岩，块石粒径40～60cm；碎石粒径3～10cm，多呈棱角状，部分呈次圆状；砾石粒径1～2cm，次棱角状；土为砂土。

②层：深灰色粉砂质壤土层，层厚0～18.0m，总体变化规律为：从上游到下游逐渐变厚、从左岸至河床逐渐变薄，闸轴线河床部位层厚4.68m，而下游围堰河床部位层厚达18.0m，左岸斜坡处层厚一般8.51～16.09m，河床处层厚一般4.68～15.11m，且局部缺失。该层结构紧密，多呈硬塑状，见5～25cm柱状岩心，失水后出现裂纹，风干后呈灰白色，坚硬。偶见含粒径27～35cm块石及3～10cm碎石，块、碎石成分为二云母石英片岩。

①层：含漂砂卵砾石层，分布于河谷底部，该层厚度变化较大，厚0～55.21m。向左岸变薄，河床中局部缺失。漂石粒径30～50cm，成分为二云母石英片岩、花岗岩等；卵石粒径5～15cm及2～3cm；砾石成分同卵石，粒径0.5～1.5cm，圆～次圆状；砂为灰黄色中细砂。

闸址基础各类土体的允许承载力试验值及物理力学性能建议指标见表1、2、3，闸基第⑤、⑥层地震液化综合判别见表4。

表1 细粒土层标贯试验成果汇总

表2 粗粒土层超重型动力触探试验成果汇总

表3 闸区覆盖层物理力学参数建议值(原状土)

表4 闸基第⑤、⑥层地震液化综合判别

3 闸、坝设计

首部枢纽建筑物由左至右分别为左岸挡水坝、2孔泄洪闸、1孔冲沙闸、右岸挡水坝及其上游侧的取水口闸，坝顶高程为1 249.50m，闸坝最大高为35.0m。

左、右岸挡水坝段均为混凝土重力坝，左岸挡水坝段共长119.5m，最大坝高29.5m(齿槽处为34m)，分为7个坝段。紧邻泄洪闸的坝段为冲沙闸和泄洪闸平板检修门储门槽坝段，坝顶宽12.0m，其余挡水坝段坝顶宽为8.0m。右岸挡水坝段位于冲沙闸右侧、取水口下游，坝段长约22.1m，最大坝高33.5m。

为保证泄洪、冲沙顺畅，泄洪闸和冲沙闸尽量布置在主河道上。根据闸址的地形条件及枢纽建筑物泄洪能力和冲沙的要求，并考虑冲排水库沉积的淤沙需要，结合泄洪计算成果，确定主河床布置2孔泄洪闸、1孔冲沙闸。2孔泄洪闸和冲沙闸共同组成1个闸室段，闸室长50.0m，宽30.95m，最大闸高35.0m。为了减小闸门挡水高度，泄洪闸、冲沙闸设置胸墙。泄洪闸孔口尺寸为6.0m×10.0m(宽×高)，冲沙闸孔口尺寸为3.0m×10.0m(宽×高)。闸室段底板前段20.0m高程为1 220.50m，后段30.0m以纵坡i=0.15与护坦在高程1 216.00m相接。为减轻闸室的磨损，在泄洪闸、冲沙闸工作闸门前的底板和闸墩1.2m高范围采用钢板衬护，工作闸门后底板表层40cm及闸墩1.2m高度范围均采用C40HF抗冲耐磨混凝土保护。

闸室上游设25.0m长钢筋混凝土铺盖，厚度为3.0m，上下游侧设防冲齿槽。闸室下游设斜坡式护坦，护坦总长50.0m，纵坡i=0.02。为减轻磨损，铺盖和护坦表面均采用厚30cm的C40HF抗冲磨混凝土。护坦后设钢筋混凝土海漫，长35.0m，厚1.0m，下游防冲齿槽深4.0m。

根据地质资料，闸坝基础均为覆盖层，河床部位基础防渗采用1.0m厚悬挂式防渗墙，深入具有相对不透水的②层，墙底高程1 178.00m。两岸坝肩为卸荷带，透水性强，地下水位低于正常蓄水位且比较平缓，渗漏比较严重，对卸荷岩体进行帷幕灌浆处理。左岸灌浆平洞深入山体，穿过左坝肩的古河道水平长度15.0m；右岸灌浆平洞深入山体水平长度20.0m，帷幕底高程低于地下水位1.0m左右。

4 闸、坝稳定及基底应力计算

根据(SL 265-2001)《水闸设计规范》规定进行各组合工况下闸、坝的稳定及基底应力计算。泄洪、冲沙闸闸室段作为整体按不对称结构进行闸室稳定及基底应力计算；各挡水坝段分别进行稳定及基底应力计算。计算主要成果见表5。

从表5可见：

(1) 泄洪冲砂闸及挡水坝各坝段沿建基面的稳定安全系数满足(SL 265-2001)《水闸设计规范》要求，但安全富裕度不大。

(2) 根据规范规定：中等坚实土基上闸室基底应力不均匀系数(最大值与最小值之比)应满足规范规定的允许值(基本组合为2.00，特殊组合为2.50，地震区可适当增大)；平均基底应力不大于地基允许承载力；最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。由于地基结构层次复杂，存在软弱下卧层，需验算经振冲处理后下卧各层的承载力。

表5 闸、坝沿建基面抗滑稳定安全系数及基底应力计算成果

注： 7号挡水坝段为基岩岸坡接头坝段。

5 闸坝基础处理设计

根据首部枢纽布置图，各建筑物建基面除闸坝段齿槽局部直接位于⑥层上外，其余各建基面均在⑦层上，第⑦层的天然地基承载力为0.4～0.5MPa，但第⑦层平均厚度仅5.2m，建基面以下厚度不足5m，第⑦层以下的第⑥、第⑤层分别为深灰色粉砂质壤土和砂层，属软弱下卧层，天然承载力很低，根据闸坝稳定及基底应力计算成果，闸坝地基不满足建筑物承载要求(见表5)，且地质判断第⑤、⑥层为液化土层，需对其进行基础处理，以提高地基的允许承载力及抗液化能力。经综合比较采用振冲碎石桩对闸坝地基进行加固处理。

基础振冲碎石桩的设计根据(DL/T5214-2005)《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》，并结合本工程地基层次复杂，软弱下卧层天然承载力、抗变形能力及抗剪强度较低且可能液化，而基础长期处于水下，挡水高度又较大，最大闸坝高度达35.0m的特点，确定振冲碎石桩的范围，包括泄洪冲砂闸段、取水口闸、各挡水坝段、铺盖、护坦边墙的地基，并考虑一定的护桩范围。振冲碎石桩按等边三角形布置，设计桩径为1.0m，泄洪、冲砂闸及上游护桩范围、取水口、右岸挡水坝段及左岸1～3号挡水坝基础桩间距为1.5m，左岸4～5号挡水坝、铺盖上游侧、挡水坝段及泄洪冲砂闸段下游护桩，护坦边墙基础桩间距为2.0m， 6号挡水坝基础不作处理。通过软弱下卧层的承载力验算，闸室基础以下桩长为23.0m，挡水坝段局部最大深度为26.0m。

基础振冲碎石桩处理范围见图1。

6 复合地基承载力验算

软弱层地基承载力较低，需验算其强度，要求作用在顶面处的附加应力及自重应力之和不超过此层修正后的承载力，即

pz+pcz≤faz

式中pz——软弱下卧层顶面处的附加应力标准

值，kPa；

pcz——软弱下卧层顶面处的自重应力标准值，kPa；

faz——软弱下卧层顶面处的经深度修正后地基承载力特征值，kPa。

紧急切断阀与普通开关阀的主要功能区别在于紧急切断阀在发生事故时仍能执行动作且响应快速，因此在选型时对于紧急切断阀的配置要求更高。笔者在设计过程中除了依据SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》[5]，还重点参考了《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》(中国石化建[2011]518号文)，该规定对于紧急切断阀的技术性能、阀门材质、执行机构选型、检验与测试等都做了比较详细的规定。

修正后地基承载力特征值计算公式：

faz=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.5)

图1 基础振冲碎石桩平面布置

式中faz——修正后地基承载力特征值，kPa；

fak——地基承载力特征值，kPa；

γ——基础以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

b——基础底面宽度，m；当基础底宽小于3m时按3m考虑，大于6m时按6m考虑；

γm——基础以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；

d——基础埋置深度，m；

ηb，ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数。

对于矩形基础，附加应力pz采用下式计算：

式中p0——基底平均应力标准值，kPa；

b——矩形基础底边宽度，m；

l——矩形基础底边长度，m；

θ——地基压力扩散角，(°)；

对于Z<0.25b，不考虑压力扩散角作用，取θ=0。

地基承载力验算成果见表6。

表6 闸、坝地基软弱下卧层承载能力验算成果

从表6可见：对比振冲试验初步成果，当采用桩间距1.5m时，经振冲桩处理后复合地基承载力可满足要求，闸基以下23.0m(第④层内)承载力满足要求，不需处理，振冲桩应深入闸基以下23.0m。以此确定其它各坝段的振冲桩间距及深度。

7 振冲桩复合地基承载力计算公式

振冲桩复合地基承载力计算如下式：

式中fspk——复合地基的承载力标准值，kPa；

fsk——桩间土承载力标准值，kPa；

m——面积置换率；

fpk——桩体单位截面积承载力特征值，kPa；

d——桩的直径，m；

de——等效影响圆的直径，对于等边三角形布置de=1.05s，s为桩的间距，m。

根据现场振冲碎石桩试验成果：采用振冲碎石桩进行地基处理后，形成的复合地基承载力标准值、压缩模量及抗剪指标均有所提高。剪切波初判间距1.5m和2.0m振冲区⑥、⑤层均不液化，标贯试验复判⑥层可能液化、⑤层不液化。碎石桩排水减压作用，液化可能性较小。振冲处理后复合地基参数见表7。

表7 闸址区⑥、⑤层振冲后复合地基物理力学参数建议值

8 首部枢纽三维渗透稳定计算

地基采用振冲碎石桩加固处理后，地基承载力和抗变形能力提高，但地基的渗透性能也有所改变，为了解闸坝基础渗透稳定情况，采用三维有限元渗流程序对闸坝基础防渗进行计算。在河床部位防渗墙穿过透水较强的第③层，深入相对不透水层第②层至1 178.00m高程，与岸坡深入基岩的防渗帷幕相接，在闸坝基础经过振冲处理后，第⑥、第⑤层地基渗透系数变大，经三维渗流计算分析，闸坝基础渗透稳定。