某“U”型围堰修复设计方案研究

2020-09-23 07:17李建会石太军

水电站设计 2020年3期

李建会，石太军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

某土石围堰为一座航电枢纽工程的二期二段导流围堰，堰高21.2～17.2 m，长约1 km，平面布置呈“U”型与右岸岸坡形成封闭施工场地，围护右岸船闸干地施工。围堰挡水时段为2018年6月至2019年10月，使用期限2年。

2018年5月下旬，因外围二期一段围堰遭遇超标洪水，河道内水位达到325.5 m，而此时二期二段围堰下游横向段长约60 m堰体填筑高程及防渗土工膜铺设顶高程仅为325 m，不能抵御该水位洪水，导致该段堰体满堰垮塌、基坑充水。围堰遭遇超标洪水后面貌如图1所示。

图1 二段围堰遭遇超标洪水后面貌

1 围堰布置及结构

二期二段围堰平面呈“U”型，上游横向围堰直线段长约150 m，右端与上游右侧岸坡相接；上游横向围堰与纵向围堰衔接圆弧段长度55 m、角度63.25°；纵向围堰段长度436 m，顺河向布置；纵向围堰与下游横向围堰衔接圆弧段长度54 m、角度61.72°；下游围堰直线段长度为248 m，右端与下游右侧岸坡相接。

围堰基础高程为312～316 m，正常挡水位330.7 m，堰顶高程333.2 m，堰顶宽8 m，迎水侧坡比1：1.75，背水侧坡比1：1.5，在322 m高程设一级2 m宽马道。

二段围堰采用土石围堰结构型式，为降低工程投资，减少开挖料倒运，围堰施工时多采用开挖料直接用于填筑：对于河床砂卵砾石层和弱风化石英砂岩、细砂岩开挖料，因其物理力学性能较好，可作为堰壳填筑料；砂卵石开挖料中级配良好和粒径符合要求，作为堰体过渡料和反滤料；泥岩强度低、易崩解风化，待其完全风化后作为防渗土料；强风化、弱风化泥岩和泥质砂岩开挖料物理力学性能较差，仅用于堰体内部防渗体两侧区域填筑料；迎水面堰面防冲结构采用块石防冲护坡，厚度1 m，转弯裹头段及流速较大区域厚度为2 m；围堰迎水面坡脚设置防掏槽，嵌入地面砂卵石层以下3 m，底宽2 m。围堰典型断面结构如图2所示。

2 围堰修复设计

灾后对二期二段围堰进行排查，发现下列问题：上游横向围堰转弯部位明显渗漏，上游转弯段丁坝位置防冲块石部分被冲走；纵向围堰闸墩部位明显渗漏，闸墩上下游侧约50 m范围防冲大块石被冲走；下游横向围堰转弯部位被冲毁，下游横向围堰与船闸下游右导墙衔接部位明显渗漏。据此确定二段围堰修复工作主要为：进行围堰冲毁段填筑恢复、围堰渗漏段防渗加固、围堰迎水面防冲保护加强。

图2 二段围堰典型断面示意

2.1 冲毁段恢复设计

围堰冲毁段位于下游横向围堰段与纵向围堰转弯衔接部位，长约60 m。拟定冲毁段恢复围堰外轮廓断面尺寸与原设计相同。由于围堰下部须采用水下填筑，且堰基下部有一定厚度的砂卵石层，复合土工膜防渗已不具备施工条件，因此防渗结构采用高喷防渗墙[1]。高喷防渗墙设计挡水高度20 m，按墙体允许渗透比降(J=60)计算，墙体厚度采用40 cm设计。

综合高喷防渗墙施工、水下抛填、不同填筑料之间的反滤、过渡要求，对冲毁段恢复堰体结构进行如下分区：

(1)截流戗堤采用石渣、砂卵砾石水下抛填，为便于高喷防渗墙施工，粒径不宜大于20 cm。

(2)戗堤两侧培厚部分，采用质地坚硬、不易水解风化的石渣或砂卵砾石抛填。

(3)戗堤以上高喷防渗轴线两侧2 m范围内，采用砂卵砾石填筑，为便于高喷防渗墙施工，粒径不宜大于20 cm，分层碾压填筑，碾压层厚80 cm左右。

(4)戗堤以上堰体采用质地坚硬、不易水解风化的石渣砂卵砾石填筑料，分层碾压填筑，碾压层厚80 cm左右；

(5)堰体砂卵石料与防冲大块石之间部分，为过渡料区，采用级配连续的砂卵砾石填筑，厚度不小于50 cm；

(6)高喷施工平台以上防渗体，采用黏土填筑，黏土伸入高喷防渗墙顶以下50 cm，顶宽1 m，底宽2 m；

(7)黏土防渗体两侧反滤层，采用级配砂卵砾石填筑，厚度50 cm。

二段围堰冲毁段恢复典型段面结构见图3。

2.2 渗漏段防渗加固设计

渗漏段分严重渗漏段、零星渗漏点、无明显渗漏段。由于前期采用点对点控制性灌浆防渗补强功效低，且无法保证下一个汛期围堰的安全，实现合同工期风险较大，最终确定对未采用高喷防渗墙区域进行封闭式高喷防渗墙补强。高喷防渗墙布置在迎水侧距离围堰轴线3 m处，墙体厚度不小于40 cm，墙体底部深入基岩50 cm。二段围堰渗漏段防渗加固典型断面如图4所示。

图3 二段围堰冲毁段恢复典型段面(单位：m)

图4 二段围堰渗漏段防渗加固典型断面(单位：m)

2.3 堰坡防冲保护加固设计

汛期河道洪水流速较大且围堰存在回流区，水流条件差，淘刷问题突出，为避免围堰结构进一步被冲刷，有必要对迎水侧防冲护坡进行加固，具体如下：

(1)冲毁段恢复堰体迎水面采用大块石防护：水下抛填的大块石护坡底层1 m厚、粒径30～50 cm；水下抛填的大块石护坡表层1 m厚部分及坡脚防冲部分，粒径不小于30 cm，中值粒径不小于50 cm；戗堤高程以上的大块石护坡厚1 m，粒径不小于50 cm。

(2)围堰回流区及冲刷严重区域堰坡迎水侧布置厚度1(水上)～2 m(水下)的大块石护坡，块石粒径不小于50 cm。

(3)围堰其他部位根据现场实际冲淘情况恢复大块石护脚及护坡，大块石中值粒径不小于50 cm；大块石材料不足时，可采用格宾石笼或混凝土块替代，单个格宾石笼或混凝土块体体积不小于0.25 m3。

3 围堰稳定性复核

围堰基础主要为厚度1.0～8.6 m的冲洪积层卵石层，透水性强。为确保堰体在现状条件下、基坑降水过程中、修复后正常使用过程中以及遭遇超标洪水外水位到达堰顶极端条件下的稳定安全，对堰体不同结构现状工况、基坑降水工况、正常使用工况、外水位到达堰顶极端工况进行了稳定复核，并对可能存在的问题提出防护措施。

3.1 计算标准、工况及参数

工程导流建筑物级别分为4级。根据《水利水电工程围堰设计规范》要求，堰坡及覆盖层地基的抗滑稳定，宜按单一安全系数刚体极限平衡法计算；抗滑稳定采用瑞典圆弧法时，4级土石围堰的边坡稳定安全系数应不小于1.05。在基坑降水情况下，为保证边坡稳定，整体及较大规模块体稳定最小安全系数应不小于1。

稳定安全复核计算各工况水位见表1，选用的计算参数见表2。

3.2 典型剖面计算成果

采用中国水利水电科学研究院开发的Stab程序对围堰典型部位的不同工况进行了稳定复核计算，结果见表3，滑动部位及块体规模见图5～10。

表1 围堰稳定计算各工况参数

表2 修复设计计算选用参数

表3 各工况计算成果

根据计算结果在现状工况、正常工况、极端工况下，围堰渗漏段及恢复段结构体形处于基本稳定状态(冲毁段现状工况背水侧坡处于极限稳定状态)；在降水工况下，围堰渗漏段及恢复段结构体形背水侧坡322 m高程以下均有滑动失稳的风险，因此，降水前对围堰背水侧坡322 m高程以下进行抛石压坡并压实，顶部322 m高程抛石厚度为50 cm(水平顶宽约90 cm)，坡比1:1.75(冲毁段段1：1.85)；降水过程中控制基坑降水速率不超过1 m/d(初期两天降水速率控制在0.5 m/d)；背水面堰面322 m以上部分采用厚度为50 cm块石护坡进行防护处理。