夏建军，高富产

(陕西省水利厅，陕西 西安 710004)



左溪水电站建设相关问题探讨

夏建军，高富产

(陕西省水利厅，陕西 西安 710004)

摘要：针对左溪水电站施工过程中存在第5坝段卵石夹层及断层、进水口高程选取过低、无放空设施等问题，结合工程地质条件，采取帷幕灌浆加固、抬高进水口高程、利用导流洞及施工交通运输洞增设排沙放空设施等处理措施，确保工程安全可靠、节能经济建设。

关键词：左溪水电站；卵石夹层；进水口；放空设施

由于水利水电工程施工建设通常在山川河流上进行，受地形、地质、水文、气象等因素的影响非常大[1]。加上一些工程施工进度紧，前期地质勘察工作不全面，库区及坝址许多地质问题存在勘测资料数据不完善、分析结论不科学等问题，在后续施工中才被不断揭示，施工现场实际条件与设计间存在较多不匹配问题，对施工安全、投资、质量、进度带来严重的影响。水利工程通常采取增设垂直防渗墙、充填灌浆、帷幕灌浆等坝基防渗补强、坝体防渗坝面保护、泄洪设施加固扩建等加固处理措施，改善工程施工建设和运营安全状况[2-7]。左溪水电站在施工建设过程中，发现第5坝段坝基与坝体右岸岸坡中一些地质问题，与设计方案存在不匹配。结合工程特性和坝基、坝体、坝肩应力及抗滑稳定分析结果，通过设计方案的调整和现场加固处理，除险加固达到预期良好效果，确保工程安全优质的施工建设。

1　工程概况

左溪水电站位于西乡县左溪乡境内的牧马河支流峡河上，距西乡县城35 km，为混合式水电站，装机容量4 800 kW，设计年发电量1 865 万kW·h。大坝为小型工程，坝型为混凝土双曲拱坝，拱圈线型为混合线型，最大坝高69 m，厚高比0.12。采用坝顶自由溢流，挑流消能方案。地震设防6度。水库正常蓄水位655.10 m，死水位630.5 m，死库容74.1×104m3，调节库容318.9×104m3。设计洪水位658.2 m，校核洪水位659.8 m，水库总库容538×104m3。坝址处30 a一遇设计、200 a一遇校核洪峰流量分别为898 m3/s、1 372 m3/s。坝址年输沙总量为6.50×104t，其中推移质为1.08×104t[8]。

2　左溪水电站主要地质问题

2.1库区地质

水库位于灰岩分布地区，右侧为单薄山梁和深沟。工程前期库盆可溶性岩层的边界较模糊，即缺乏相对不透水地层的分布范围和库区渗漏的相关论证。同时，缺乏系统的风化带、卸荷带、透水性分带等数据，对岩溶发育程度、坝基和坝肩渗漏、右岸邻谷渗漏、下游冲刷区等分析不完善[9]。对库区3个滑坡体的物质成分、距离、体积及稳定性和风险性分析不全面。

2.2坝址地质

工程两岸及坝基均坐落在三叠系中上统石灰岩中，坝址河谷断面为不对称V形。左岸边坡较缓，两岸基岩裸露，由硅质灰岩组成，无明显岩溶现象[10]。岩层产状倾向下游偏右岸，倾角40度左右。断裂构造主要为层间错动和陡倾角裂隙，施工中在河床右侧发现有深槽，后推断为一条顺河断层。左岸坝肩处在强风化岩石上。

右岸边坡坡角近70°，620 m高程以下近直立，右坝肩卸荷裂隙发育，存在不利裂隙组合。右岸紧贴坝下游面，在高程620 m以下有一条宽约1.5 m横河向垂直裂隙密集带，其下游局部范围内，发育一组倾向河床偏下游陡倾裂隙，对右坝肩稳定不利。

3　工程存在的主要技术问题

3.1第5坝段浇筑在沙卵石层上

拱坝河床段设计建基面高程591.00 m。当第5坝段坝基开挖至591.0 m高程时，发现河床中间存在一深槽，槽宽约19 m，砂卵石填充物。当开挖至587.5 m高程，槽宽缩小至7.5 m。由于上下游围堰离基坑较近，且围堰的防渗措施不够充分，继续开挖十分困难。结合工程现场实际情况，在591.0 m高程以下满槽回填混凝土(在591.0 m高程以上立模浇筑混凝土)。加强灌浆布置及推测断层，如图1和图2所示。

3.2坝肩拱座抗滑稳定问题

坝体右岸岸坡陡峭，基岩完整性较好，但右拱圈与右坝肩基岩的交角较小，且拱端嵌入深度不足。拱端中心线下游坝肩混凝土体并未进入弱风化线，仍属强风化或表层卸荷岩体。经复核，右坝肩顶拱附近及右坝肩620 m高程以下均不满足《混凝土拱坝设计规范》[11](SL282-2003)规定的安全系数3.0要求。右坝肩边坡陡峻，垂直灌浆帷幕的水平封闭深度较浅，右岸坝肩渗径较短，而岩体裂隙(特别是倾向岸内的裂隙)较发育，蓄水后坝后边坡内可能有较高水压力。右岸紧贴坝下游面，在高程620 m以下有一条宽约1.5 m横河向垂直裂隙密集带，渗流将恶化坝肩受力条件，对右岸拱座抗滑稳定不利。

图1坝块推测断层加强灌浆布置

图2河床断面及推测断层

经核算，左坝肩拱座抗滑稳定安全系数满足规范要求。但在2010年，坝左岸下游岩体遭受洪水冲刷破坏严重，对坝基左侧岩体抗滑稳定极其不利。

3.3挑流水舌影响左岸岸坡稳定及坝后交通

坝址处存在顺河断层且岩层缓倾向下游，原设计的坝顶溢洪道挑流水舌的落点位置偏向左岸，且左岸为顺向坡，稳定由层面控制，可能造成左岸岸坡下部的严重冲刷，影响到左岸岸坡稳定。坝后交通沿左岸布置，泄流冲刷也将影响交通[12]。

3.4无放空设施

该工程先天不足，虽然库容不大，但坝高已接近高坝，下游还有两个较大的集镇，一旦失事后果不堪设想。同时坝址位于石灰岩地区，水库右岸邻谷距离很小，邻谷渗漏的危险性较大，但工程针对库区渗漏问题所做的前期工作十分有限，水库蓄水后一旦发现库区渗漏现象，无法放空时将很难进行有效的防渗处理。

3.5发电进水口高程偏低

发电洞进水口底板高程612.00 m，612.0 m以下库容仅6万m3,一年多时间内将被泥沙淤积，且无任何冲沙及放空设施，进水口存在淤堵及泥沙进入机组的可能，对工程安全运行不利。

4　技术处理措施

4.1第5坝段基础处理

4.1.1灌浆及检测

该问题暴露出后，建设及施工单位在坝体浇筑到600.00 m高程，对砂卵石进行了第1次固结灌浆，浇筑到609.50 m时进行了第2次固结灌浆。灌浆压力3 MPa，两次共灌注水泥600 t。

灌浆后，对施工质量进行现场检测。共布设5个检测孔，除4#检测孔透水率61.09 Lu外，其余均小于3 Lu。经对4#孔进行加密补灌后，复测透水率达到设计要求。波速测试及岩芯力学实验结果，基本满足设计要求。检测报告认为卵石层胶结体芯样变形模量最大值为60.2 GPa，最小值为5.5 GPa，平均值为18.9 GPa，建议值为5.5 GPa。

4.1.2第5坝段基础对坝体应力分析

为了论证河床坝段局部坝基低变模对坝体应力的影响，将第5坝段坝基E0分别设定为15 GPa(一般坝段的取值)、5.5 GPa(检测单位提供的建议值)和0.5 GPa(取很小值)。采用中国水利水电科学研究院结构材料研究所编制的拱坝多拱梁混合法应力分析程序—《拱坝体形优化程序ADASO》电算程序计算。计算工况分为基本荷载组合和特殊荷载组合[13]。典型工况下坝体应力受第5坝段坝基变模影响的分析结果，如表1所示。

从表1可看出，坝体应力对坝基变模E0不敏感，取最小E0=0.5 GPa时，坝体应力均在规范允许范围内。可见，第5坝段基础的砂卵石层在经过高压灌浆处理之后，坝体应力条件能够满足设计规范要求。但由于该拱坝很薄，坝基最宽11 m，正常蓄水位情况下渗透比降超过6，且灌浆等处理措施对断层的针对性不强。要求后期要加强观测，出现问题及时处理，确保坝基变形和渗透安全。

4.1.3第5坝段基础对拱座抗滑稳定分析

将第5坝段坝基变模E0仍分别设定为15 GPa、5.5 GPa和0.5 GPa，用刚体极限平衡法(抗剪断公式)分析了典型工况下拱座抗滑稳定受第5坝段坝基变模影响。力系由程序ADASO提供，共计算三种工况，即两种基本组合和一种特殊组合。分析结果如表2所示。

表1　左溪水电站坝体应力分析结果　单位：MPa

注：E0-坝基变形模量，E01=15 GPa,E02=5.5 GPa,E03=0.5 GPa。

表2　右坝肩抗滑稳定分析结果

注：E0-基底变形模量，E01=15 GPa,E02=5.5 GPa,E03=0.5 GPa;括号内数字为底裂面高程，m。

各种工况下，左坝肩抗滑安全系数均符合规范要求，右坝肩存在部分高程安全系数不符合规范要求。但安全系数对E0不敏感，三种E0情况下，安全系数变化不大。这样计算结果的主要原因是由于拱坝超静定结构的整体效应较强，河床坝段因局部坝基软弱而无法承担的荷载可很好地转移给相邻坝段、并传至两岸坝肩，而因所转移的荷载数量不大，对坝肩稳定的影响并不显著。

4.2坝体体型调整及拱座抗滑稳定分析

4.2.1拱坝体型调整

由于右坝肩抗滑稳定安全系数不符合规范要求，发现这些问题时右坝肩最高坝段已浇筑至623.5 m，通过上部体型调整使之满足抗滑稳定需要。拱坝体型调整方案，详见图3所示。

从623.5 m高程开始至坝顶高程，加大原设计拱圈曲线的曲率半径，使拱端位置向上游方向移动，直到满足坝肩稳定要求为止。调整后使中心角略有减小，拱圈与基岩交角略有增大，对提高坝肩稳定的效果较好。但由于623.5 m高程以下不能同步调整，影响了坝体体型的光滑性，调整的余地受到一定限制。经对调整后的拱坝进行拱座抗滑稳定分析，力系由程序ADASO提供，共计算三种工况，即两种基本组合和一种特殊组合[14],分析结果如表3所示。

图3拱坝体型调整方案(单位：m)

表3　体型调整后右坝肩抗滑稳定分析结果

注：Z为底裂面高程，Z1=591.00 m,Z2=600.00 m,Z3=660.00 m。

表3表明：右坝肩肩抗滑稳定安全系数均符合规范要求。

4.2.2右坝肩加固

右岸坝后620 m高程以下边坡陡立，紧贴坝后有一条垂直的裂隙密集带，其中有水渗出，未见明显软化泥质物。该密集带下游有一组倾向岸外偏下游的裂隙，这些岩体自身稳定性裕度不大，却属于坝肩抗力岩体范围之内，提供抗滑力。右坝肩下游抗滑岩体分布范围较小，坝肩开挖又造成了部分岩体脱落，蓄水后岸坡内可能有较高水压力，若陡立边坡有局部岩体脱落，立即会使右坝肩安全系数降低。因此在右坝肩做贴坡混凝土挡墙加系统锚杆和排水孔处理，进一步加固右坝肩。挡墙采用C20混凝土，厚度2 m，顶部高程635.00 m，底部高程594.00 m，顺水流方向长度15 m。挡墙与山体通过φ25@3000锚杆及φ10@150表面钢筋网连接。排水孔按3 m间距梅花型布置，孔深6 m，孔口采用反滤土工布包裹。同时在左、右坝肩两个坝段，加强帷幕灌浆，尽量减少绕坝渗流。

4.3溢洪道中心线调整

为减少泄流水舌对左岸岸坡及交通的影响，将溢洪道沿拱圈中心线整体向右岸移动5 m，此外，左右侧导墙在拱圈径向方向的基础上，再向下游河流中心线偏转6°，调整方案如图4所示。

导墙偏转后溢流水舌的向心集中程度更显著，经设计单位对下游冲刷安全进行了复核，符合规范要求[15]。

4.4进水口高程调整

为减少进水口被泥沙淤积的危害，确保后期安全运行，将导流洞改建为泄洪冲沙/放空洞。对进水口改建进行技术经济比较，最终决定将进水口底板高程抬高至625.00 m高程，通过龙抬头与原隧洞连接。

4.5将交通洞改建为放空管

将在左岸坝体612.5 m高程的施工交通洞改建为放空管。放空管为2根直径1 200 mm，壁厚16 mm的钢管，通过电动蝶阀控制。水流偏转后挑流到河道中央。

5　结　论

(1)左溪水电站由于前期地质勘察工作不足，导致实际施工现场条件与设计间存在较多不匹配问题，严重影响施工进度和成本控制。应力分析及抗滑稳定分析结果表明：坝肩顶拱附近及右坝肩620 m高程以下安全性不满足设计规范要求。

图4溢洪道中心线调整方案

(2)根据现场调查及计算结果，采取帷幕灌浆加固、抬高进水口高程、利用导流洞及施工交通运输洞增设排沙放空设施等加固处理措施。经应力及经抗滑稳定复核，调整后的方案能够满足设计规范要求，确保工程安全可靠的施工建设。

参考文献：

[1]刘加华.吴俊水电站大坝基础帷幕灌浆施工分析[J].江淮水利科技,2009,(3):47-48.

[2]朱伟.泰克泽水电站大坝基础帷幕灌浆试验中的有关问题释疑[J].水利水电施工,2011,(1):54-57.

[3]杨建平,华钢.大花水水电站左岸防渗帷幕灌浆施工[J].水利水电施工,2010,(6)：41-44.

[4]姚惠芹,彭朝福.某水电站大坝帷幕灌浆试验与分析[J].西北水电,2011,(1):64-66.

[5]苏智光,郭铁柱.苏家河口水电站大坝趾板帷幕灌浆试验研究[J].云南水力发电,2010,26(6):47-50.

[6]刘华亮,管峰,程义云.大渡河长河坝黄金坪两水电站施工安全管理实践[J].人民长江,2012,43(20):102-106.

[7]黄春华,蔡迟亮.某水库溢洪道地基渗漏处理措施及效果分析[C]//水工渗流研究与应用进展——第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集.南京,2006:264-267.

[8]河海大学设计院.陕西省西乡县左溪水电站工程初步设计报告[R].南京：河海大学设计院，2012.

[9]王健,王晖,梁龙群.糯扎渡水电站大坝基础帷幕灌浆施工[J].水利水电技术,2011,42(5):24-26.

[10]万学军.清江高坝洲水电站大坝抗滑稳定分析[J].人民长江,2000,31(9):24-26，29.

[11]中华人民共和国水利部.SL282-2003.混凝土拱坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003.

[12]杨杰.多儿水电站大坝枢纽工程固结灌浆试验及成果分析[J].陕西水利,2008,(9):7-8.

[13]高春河,卜崇德,蒋得江.淤地坝放水涵洞进水口适宜高程的探讨[J].中国水土保持,2009,(10):40-41.

[14]南京水利科学研究所.陕西省西乡县左溪水库工程蓄水安全鉴定报告[R].南京：南京水利科学研究所，2014.

[15]任正兰,金蕾.高坝洲水电站大坝抗滑稳定分析[J].水力发电,2002,(3):23-24，28.

DiscussionofRelativeEngineeringandGeologicalProblemsofZuoxiHydropowerStation

XIA Jian-jun,GAO Fu-chan

(ShaanxiProvincalDepartmentofWaterResources,Xi’an,Shaanxi710004,China)

Abstract：The engineering and geological problems of the cobble layer and fault under the fifth dam block,the inappropriately low elevation of the water inlet,and the lack of reservoir escape facilities were found during the construction of Zuoxi Hydropower Station.Specific measures such as curtain grouting consolidation,increasing the elevation of water inlet,and the addition of diversion tunnels,transportation tunnels and sediment ejection facilities were adopted respectively.The result indicates that by adopting these measures the safe construction of the engineering project is ensured,as well as energy conservation and economic construction.

Keywords：Zuoxi Hydropower Station;cobble layer;water inlet;escape facilities

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.044

中图分类号：TV543.6

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0218—05

作者简介：夏建军(1973—)，男，陕西西安人，高级工程师，主要从事水电站技术管理工作。

收稿日期：2014-08-06修稿日期：2014-09-18