基于深厚粉细砂层地质特点的兴隆水利枢纽工程设计

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江、天门市境内，上距丹江口枢纽378.3 km，下距河口273.7 km，是南水北调中线汉江中下游四项治理工程之一，同时也是汉江中下游水资源综合开发利用的一项重要工程，是汉江梯级开发的最下一级。枢纽有壅高水位以保证汉江两岸农田灌溉引水、增加航深、改善航道条件的作用，工程开发任务以灌溉和航运为主，兼顾发电。

兴隆枢纽为Ⅰ等工程，由泄水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸行洪滩地及连接交通桥等主要建筑物组成。泄水闸、电站厂房为Ⅰ级建筑物，船闸级别为III级，其中上闸首为Ⅰ级建筑物，闸室和下闸首为Ⅱ级建筑物。枢纽正常蓄水位36.2 m，相应库容2.73亿m3，规划灌溉面积21.84万hm2，规划航道等级为Ⅲ级，电站装机容量40MW。枢纽设计、校核洪水流量为该河段最大安全泄量19 400 m3/s，其洪水重现期约为100年。

工程于2009年2月正式开工，2013年年初泄水闸、船闸等主体建筑物基本完成，同年4月下闸蓄水和船闸通航，2014年6月最后一台机组投产发电。

一、覆盖层深厚，粉细砂层结构松散、分布广、厚度大

兴隆枢纽坝址区覆盖层深厚，总厚度约50～70 m，按岩性及其组成可概括为三层：上部以黏性土为主，中部以粉细砂为主，下部为砂砾（卵）石层。上部黏性土主要分布于左岸、右岸高漫滩部位，厚度分别为6～9 m和13～24 m。中部以粉细砂和含泥粉细砂为主，分布特征为：河床与左岸低漫滩部位外露，厚度13～26 m；右岸高漫滩部位粉细砂厚度相对较小，约5～15 m。砂砾（卵）石层位于粉细砂层以下，厚度20～36 m，埋深一般在30 m以上。

泄水闸、船闸和电站厂房的建基面均为粉细砂层，各建筑物的过流面也位于粉细砂层。粉细砂层结构松散、分布广、厚度大，引起的主要问题是：承载能力低，地基沉降量大；粉细砂粒径小，抗冲流速小，抗冲刷能力低；允许渗透比降值小，极易发生渗透变形；地基透水性强，施工期间截渗和降水问题突出；粉细砂黏粒含量少，饱和砂土存在震动液化问题。

二、独具特色的“一体两翼”式枢纽总体布置顺应河势，两岸滩地参与行洪

枢纽所在的兴隆河段，上起多宝湾弯道，下至苗家场弯道，中间为长约5 km的顺直段，河段全长约23 km，平面形态呈反“S”状。结合河段已建灌溉引水闸进口位置、航运条件、建筑物布置等条件，坝轴线选择在中间顺直河段的略偏上游处，闸坝址处两岸汉江大堤之间河道总宽度约2 800 m，河床呈复式断面，正常蓄水位36.2 m，对应河槽宽约700 m，主河槽位于河道偏右侧；主河槽左侧为低～高漫滩，宽约1 400 m，滩地高程35～38 m；主河槽右侧为宽约700 m的高漫滩，滩地高程约36～38 m。

兴隆河段河床演变特点：在进口多宝湾弯道段，主流一直贴左岸，河势较稳定；中间顺直段洲滩变化较频繁，主流左右摆动，但近年河势趋于稳定；出口苗家场弯道段，受上游来水来沙条件和河势变化影响，主流有撇弯切滩和复凹的变化，弯道河势变化相对较大。由于兴隆河道曲折蜿蜒，河床粉细砂粒径小，抗冲能力低，河势稳定性较差，如何减小枢纽布置对河势的影响、保持枢纽运用后的河势稳定是枢纽总体布置的关键问题。

结合天然状况下左、右高漫滩在中大洪水时参与行洪的特点，在研究后采取了“一体两翼”式枢纽总体布置，泄水闸等建筑物为“一体”，布置在主河槽和低漫滩；“两翼”为左、右高漫滩，分别局部修整加高到37 m和38 m，在正常蓄水位时挡水。在常态下和小洪水时通过电站过流和泄水闸控泄，维持上游为正常蓄水位36.2 m；中、大洪水时（8 500 m3/s流量以上），“两翼”参与行洪，既尽可能地维持了原有河势条件，又分担了泄水闸过流，减轻对粉细砂河床的冲刷，节省泄水闸工程量。下泄5年一遇流量11 700 m3/s时，泄水闸过流的百分比为88.5%，左岸高漫滩为9.7%，右岸高漫滩为1.8%；下泄设计和校核流量19 400 m3/s时，相应的百分比为73.1%，9.7%和1.8%。

其他建筑物的布置：电站厂房紧邻布置在泄水闸右侧，船闸与电站间距为80 m，布置在电站右侧滩地上，两者间为挡水段。左、右高漫滩段上空设有交通桥，分别连接泄水闸与左岸堤防、船闸与右岸堤防。坝轴线上建筑物自左至右依次为：左岸高漫滩段交通桥（长858.5 m），泄水闸段（泄水闸56孔，左右各设一门库，总长991 m），电站厂房段（长112 m），挡水坝段（长80 m），船闸段（长47 m），右岸高漫滩段交通桥（长741.5 m），坝轴线全长2 830 m。

三、围堰为深厚透水地基，基坑面积大，开挖至粉细砂层，围堰内外水头差超过30 m，渗控要求高、难度大

兴隆枢纽施工采用明渠导流方案，明渠布置在河床左侧高漫滩上，一期在土石围堰保护下进行泄水闸、船闸、电站厂房等主要建筑物施工。围堰由三部分组成，上游横向围堰长1 724.5 m，下游横向围堰长2 351.1 m，左侧纵向围堰长700 m，与右岸汉江大堤合围的基坑面积145万m2。堰顶高程上游围堰为42.5 m，下游围堰为42.0 m，左侧纵向围堰顶高程42.5～42.0 m，堰顶宽度均为10 m。

土石围堰下覆盖层厚度超过50 m，其中粉细砂层、砂砾石层具中等～强透水性。主要建筑物建基面高程在10～27 m之间，均位于粉细砂层中，最大开挖深度超过28 m，一般开挖深度也在2～20 m之间，围堰内外水头差超过30 m。粉细砂允许渗透比降小，粉细砂层在基坑开挖及形成干地施工条件过程中，减少基坑渗流量和维持渗透稳定问题突出，渗控要求高、难度大。研究过的渗控方案有：

水平防渗方案：纵向围堰全截断式防渗墙（即防渗墙底嵌入岩石）、横向围堰水平黏土铺盖防渗、基坑设降水井方案。

悬挂截渗方案：纵向围堰全截断式防渗墙、横向围堰悬挂式防渗墙、基坑设降水井方案。

全截渗方案：纵向围堰和上下游横向围堰均为全截断式防渗墙。

圈式全截渗方案：在右岸高漫滩上增加一道纵向围堰，与上下游横向围堰与左侧纵向围堰组成一圈封闭的基坑，防渗型式采用基础全截断式，防渗墙上接复合土工膜心墙型式。

通过三维渗流计算，分析了不同渗控措施的成效，主要结论为：

一是对于深厚透水地基，悬挂式防渗墙的渗控作用有限；延长水平渗径不易达到有效的渗控效果。采用全封闭垂直防渗，则渗漏量大大减小，对基坑渗透稳定较有利。

二是仅设置悬挂式防渗墙或一定长度的水平铺盖防渗，在厂房、船闸等深基坑开挖后，渗流量将明显增大。基坑底的垂直和水平比降也大于粉细砂的允许比降，会产生渗透破坏问题，必须采取一定的降水措施。

三是全截渗方案在汉江右岸高漫滩处未设置防渗墙，受端部绕渗作用影响，对厂房和船闸基坑有不利的影响，基坑底垂直和水平比降也大于粉细砂的允许比降，会产生渗透破坏问题，也必须采取一定的降水措施。

四是对于水平防渗方案、悬挂截渗和全截渗方案，为使地下水水位降至建基面高程以下，必须设置对深入砂砾石层的深井进行降水，深井数量多，抽水量大，运行费用高。

五是圈式全截渗方案，可基本截断上下游来水对基坑开挖区域的流量补充，只需配合一般性降水措施将基坑内地下水疏干。

综合研究后，选择防渗效果好、可靠度高、降水运行费低的圈式全截渗方案。增加的右侧纵向围堰长814.1 m，堰顶高程39.0 m。圈式围堰内基坑面积为95万m2。

圈式围堰在高程35～36 m以下采用塑性混凝土防渗墙，墙体厚80 cm，平均深度约60 m，底部进入基岩1 m；墙顶上接复合土工膜。塑性混凝土防渗墙周长3 949.2 m，面积24万m2。兴隆工程防渗墙平均深度和成墙面积，在我国水利水电工程中名列前茅。

四、建筑物地基存在承载能力小、沉降量大、不均匀沉降和饱和砂土液化问题，采用格栅式水泥土搅拌桩处理地基工程规模为我国大型水利水电工程之最

泄水闸、船闸和电站厂房等主要建筑物的地基均为较深厚的粉细砂和含泥粉细砂层，土层结构松散，局部夹有淤泥质透镜体，地基承载力特征值为120～140 kPa。电站厂房及船闸各部位的基底应力较大；泄水闸、船闸和电站厂房的地基沉降量大；船闸上、下闸首设有人字闸门，门轴柱偏斜影响人字门的开合，对地基不均匀沉降较为敏感；电站厂房灯泡式机组也对不均匀沉降的要求较为严格，粉细砂地基上的水电站国内尚无工程先例；地震条件下以及泄水闸局部开启、电站机组运行时的振动，存在诱发饱和粉细砂液化的可能。建筑物地基存在的主要问题有：承载能力不足；沉降量大；不均匀沉降；饱和粉细砂的液化。

设计阶段经强夯法、振冲法、钻孔灌注桩和水泥土搅拌桩法等多方案比选后，初选以搅拌桩法来进行地基处理。但将搅拌桩法用于兴隆工程地基处理需解决两个关键问题：一是现有搅拌桩工程实例大多数是处理黏性软土，摩阻力较小，大面积用于处理摩阻力大的砂层能否适用，工效是否满足要求；二是为保持干地施工，圈式截渗的基坑中有一般性降水措施，地下水水位呈现漏斗形态，最大渗透坡降为0.06，在有流动地下水的地基中能否保证搅拌桩的成桩质量。通过室内和现场试验研究，证明搅拌桩是适用于处理兴隆粉细砂地基的，有流动地下水的条件下通过适当增加掺灰量能保证成桩质量。

泄水闸、船闸和电站厂房均采用搅拌桩进行地基处理。布置采用格栅式，可以约束震动时地基的剪切变形，从而提高地基抗液化能力。搅拌桩的置换率根据承载能力和格栅式布置要求综合确定，置换率泄水闸闸室为20%，船闸上闸首为50%，船闸闸室为30%，船闸下闸首为40%，电站厂房为50%，船闸和电站厂房的地基置换率高。搅拌桩桩径泄水闸为600 mm，船闸和电站厂房均为800 mm。搅拌桩桩长根据抗液化要求和控制沉降量及不均匀沉降的要求，桩长泄水闸为12 m，船闸上闸首为9.7 m，船闸闸室为10 m，船闸下闸首为8.6 m，电站厂房为6.6 m。

搅拌桩设计指标为桩体28天抗压强度值不小于2.5 MPa，渗透系数不大于i×10-6cm/s。施工单位进行了有关室内配合比试验和生产性试验，确定水泥标号为P.O 42.5，水泥掺量为18%，水灰比1∶1，浆液密度1.51 g/cm3，施工工艺为四喷四搅即两沉两升，下沉和提升最大速度不超过0.67 m/s，首次下沉和提升喷浆量为总量的60%，第二次循环为总量的40%，水泥浆压力不小于0.5 MPa。

通过现场生产性试验也发现，由于粉细砂地基遇浆时自密性较强，容易产生板结，搅拌桩机在提升时阻力较大，一般链条式深搅机由于功率偏小、传动轴及连接八爪材质强度不足、提升能力有限而不能满足在粉细砂中施工，因此对设备要加以选择。泄水闸施工中选用了SPM-5Ⅲ型深搅机，对深搅设备钻头进行改进，由平面搅拌叶片改进成30°左右的倾斜叶片，并加焊了搅拌叶片，以减少在粉细砂层中的阻力。经过施工初期摸索适应后，工效大幅度提高，高峰期投入12台深搅机日进度突破3 000 m。

搅拌桩处理工程量泄水闸为35.9万m，船闸为8.0万m，电站厂房为7.4万m，搅拌桩工程量为我国大型水利水电工程之最。同时兴隆电站也是国内第一座建设在粉细砂地基上的电站。

五、河床粉细砂层厚度大，抗冲能力低，冲刷危害大，泄水闸防冲措施采用地下连续墙垂直防淘与新型柔性海漫水平防冲相结合

兴隆河床的粉细砂中值粒径仅0.09～0.18 mm，水深1 m时抗冲流速为0.20～0.25 m/s，加之粉细砂无黏性，水下休止角小，一旦出现冲刷则深度大、发展过程快、扩散范围大（水下稳定坡比约1∶8～1∶12），溯源冲刷很快直接危及泄水闸安全，采取补救措施难度大。为确保工程安全，泄水闸采取地下连续墙垂直防淘与新型柔性海漫水平防冲相结合的防冲措施。

泄水闸泄洪经过底流消能后，出消力池水流紊动仍较剧烈，底部流速大，还必须设置海漫，进一步削减剩余能量，调整流速分布，使水流接近天然流态，减轻对下游河床的冲刷。经计算和试验，确定海漫长度为70 m。按抗冲要求与作用不同，将海漫分为刚性和柔性两部分，海漫前20 m为刚性海漫，采用的是50 cm厚的常规钢筋混凝土结构，并在海漫下游端齿槽下设垂直防淘墙，墙体采用钢筋混凝土地下连续墙，墙深12 m，墙体厚度60 cm，墙顶与海漫连接，混凝土强度为C30，可阻止溯源冲刷，不危及泄水闸主体的安全。后50 m为柔性海漫。墙深、墙厚及结构配筋按承受墙后的塌陷深度确定，模型试验未考虑柔性海漫块体下土工布所起的隔离作用，以模拟可能出现的施工缺陷。

柔性海漫起始断面高程28 m，与末端防冲槽相接处高程25.5 m，布置上向下游倾斜，坡度1∶20，以逐步增加水深，缓减流速，在进一步消能的同时调整流速分布。这部分海漫应具有一定的柔性、透水性和表面粗糙性。常用的海漫型式如堆石、干砌石、格宾海漫等为散粒体，没有整体性，出现局部损坏时流态恶化易向周边扩大，可靠度不高，保证施工质量的难度大。受嵌套式护坡植草砖启发，创新设计了一种嵌套式混凝土柔性海漫。用于嵌套的块体平面设计成“H”形，单块长度和宽度都为48 cm，单个净面积0.131 4m2，腿高14.5 cm，腰高19 cm，两腿内细外粗，腿间内空则口小腔大，拼装后相邻块体能相互嵌套；此外为增加糙率及便于搬运，腰部设了两个7×10 cm开孔，腰间也内收2.5 cm拼装后形成开孔。拼装方式为，横水流方向同排中心线间距为25 cm，顺水流方向中心线间距为35.5 cm，块体间净间距2 cm。从粉细砂河床表面自下而上，柔性海漫构造依次为土工布（400 g/m2）、碎石垫层（厚度20 cm，粒 径2～4 cm）、土 工 网（CE121）和嵌套混凝土块体。拼装后面积开孔率为26%。块体厚度为25 cm，单块重量约79 kg。块体强度等级为C20，采用干硬性混凝土挤压成型，既工效高容易保证质量，又施工简便。经模型试验验证，其整体性优良，抗冲能力强，是一种高可靠度的海漫型式。

[1]张光斗，王光纶.水工建筑物[M].北京：水利电力出版社，1992.

[2]陈宝华，张世儒.水闸[M].北京：中国水利水电出版社，2003.