水电站扩机工程尾水围堰设计和拆除施工

　　摘    要：　文章以津巴布韦卡里巴南岸扩机工程尾水围堰设计和拆除施工为例，使用“全生命周期设计”思想统筹实施，在围堰设计、施工、运用和拆除的全过程进行优化，以有利于围堰拆除为目标，对围堰结构形式和位置调整，以及拆除施工分区和分期的不断优化，产生了良好的效益。

　　关键词 :     围堰;拆除;设计;施工;优化;

　　1 、概述

　　津巴布韦卡里巴南岸扩机工程位于赞比西河中游的卡里巴电站，在原有电站的基础上新建一套独立的引水发电系统，增加2台150MW混流式发电机组。项目尾水围堰主要功能是为尾水出口基坑开挖、尾水塔混凝土浇筑及金属结构安装创造干地施工条件。

　　工程尾水出口在现有机组尾水出口下游200m处，尾水围堰为土石填筑围堰，采用高压旋喷防渗墙，轴线长166.97m, 高喷灌浆最大深度9.53m, 最小深度1.97m, 防渗墙工程量1164m。尾水渠道设计过流量为376m3/s, 与外侧河道夹角约45°,纵断面前段为1∶2的斜坡(EL375m～EL380m),后段为平坡，横断面为倒梯形(边坡坡比1∶0.5)。尾水渠道开挖深度10m、底宽39.6m、长度约为75m(顺河向约100m),横河向围堰断面面积约250m2,总体开挖方量约1.8万m3。尾水围堰不能拆除到设计高程，可能导致发电机组出力不能满足合同要求，因此围堰拆除是施工难点和施工质量控制点。

　　尾水围堰位于主河道边缘，部分围堰开挖已延伸到主河道内，因尾水流速较快，达4～6m/s, 无法保证传统漂浮设备的稳定。可拆卸式施工平台搭设效率低，安全隐患多。

　　2 、围堰设计

　　2.1、 工程地质情况

　　尾水围堰基础表层为1～3m厚的块石堆积，呈次磨圆状，结构松散，块径一般为30～50cm, 部分超过1m, 并夹杂少量混凝土块，块石成分以黑云母片麻岩为主，少量石英岩，下伏基岩为黑云母片麻岩，作为围堰基础地质条件良好。

　　2.2、 围堰设计标准

　　尾水出口施工工期较宽松，水库泄洪历时较短而且频率较低，即使施工期间泄洪一次也不会影响项目总工期，经综合比选尾水围堰采用堰顶可过水的土石围堰，至少可降低设计堰顶高程4m, 大大减小了设计断面尺寸[2]。

　　尾水围堰挡水水位取正常应用条件下最高可能尾水水位，即现有南北两岸电站全部机组满负荷发电时流量为2271.2m3/s, 对应的尾水水位EL389.6m, 考虑波浪爬高和安全超高，设计堰顶高程为EL390.6m。

　　2.3、 设计优化

　　2.3.1、 位置

　　原设计尾水围堰位于主河道内，修筑难度较大，防护风险也较大，将尾水塔向山体后移10m, 优化后尾水围堰将建在现有河水位以上河岸部位，降低了施工难度和度汛的风险。

　　2.3.2 、围堰型式

　　河道底部为大孤石和基岩，无法应用钢板桩围堰方案，只能采用传统的土石围堰方案[5]。原设计尾水围堰下部采用混凝土和土石复合型式，上部采用浆砌石挡墙型式，优化后尾水围堰采用开挖料换填块石，高压旋喷墙防渗，顶部和边坡用钢筋笼和薄层混凝土防冲刷，降低了施工难度和成本。

　　2.3.3、 边坡稳定防护

　　由于尾水塔向山体后移，山体边坡开挖坡度增大，因此在尾水上部交通道路的上下两个边坡增设钢筋混凝土挡墙，确保了边坡整体的稳定，且保持总开挖工程量增加不大。

　　3、 围堰施工

　　3.1 、开挖

　　为满足围堰高压旋喷灌浆施工要求，需要把人工堆积料及抛石料换填为合适的材料，采用反铲自上而下分层开挖，覆盖层的设计开挖坡度为1∶1.25,强风化层设计开挖坡度为1∶0.5,开挖齿槽底部设计宽度为2m。

　　开挖时将开挖区表层的大块石临时储存在靠河道的岸坡处，用于围堰顶部的防护。同时沿围堰轴线修筑临时道路，作为围堰拆除时弃渣通道。

　　3.2 、围堰填筑

　　采用从下游向上游施工的顺序，首层填筑采用进占法进行施工，其后采用后退法进行施工。就地利用进口开挖料作为围堰填筑料，用15t自卸汽车运输，推土机摊铺，SR20M振动碾碾压，填筑分层厚度为40cm, 填筑压实度控制为92%。

　　3.3、 高压旋喷灌浆施工

　　根据尾水围堰防渗芯墙填筑材料和钻孔灌浆设备的技术参数，采用三管法旋喷灌浆。高喷灌浆在钻孔施工完成并经过检验合格后进行，高喷灌浆采用全孔自下而上连续作业，需中途拆卸喷射管时，搭接段应进行复喷，复喷长度不得小于0.2m。高喷灌浆过程中，应采取必要的措施保证孔内浆液上返畅通，避免造成地层劈裂或者地面抬动。灌浆因故中断后恢复施工时，应对中断孔进行复喷，搭接长度不得小于0.5m。

　　3.4 、钢筋笼和薄板混凝土

　　堰顶、内侧及靠河流侧上部采用钢筋笼防护，其中，堰顶及靠河流侧上部钢筋笼在挡墙混凝土浇筑完成后进行安装，围堰内侧钢筋笼随基坑开挖进度跟进安装。钢筋石笼尺寸为2×1×1m, 钢筋笼的底部需放置土工布。钢筋笼安装时用块石填充饱满，块石从隧洞开挖料中挑选，钢筋笼之间用铁丝绑扎连接牢固。薄板混凝土主要起到防漫顶尾水冲刷和增强钢筋笼整体性的作用[4]。

　　4 、围堰运行和度汛

　　4.1、 泄洪防汛

　　尾水围堰为过水围堰，如遇水库泄洪时，尾水水位最高将达到EL393.6m, 洪水将漫过围堰堰顶淹没尾水基坑，造成尾水基坑工作的停工和围堰的冲蚀[9]。按照卡里巴水库超大的库容，上游来水和发电泄水比较稳定，一般性规律为：每年6月份至来年1月底库水位持续上升，当坝前水位超过同期最高限制水位时就需要开闸泄洪。在施工期间的措施如下：

　　(1)施工前制定施工期间防洪度汛和水库泄洪应急预案，提前做好抗洪抢险物资准备。

　　(2)每天专人观测水库水位，并对比洪水控制曲线，根据水位的变化规律提前预判可能泄洪的时间。

　　(3)汛期与赞比西河务局保持密切联系，及时掌握泄洪时间，按照应急预案从尾水基坑撤离人员和设备。

　　(4)用抛石对围堰内侧进行防护，必要时可在泄洪前提前将基坑充水，以减少对围堰结构的冲刷破坏。

　　4.2、 汛后措施

　　水库泄洪结束后尾水水位将很快降低至正常水位，及时安排基坑排水和水毁围堰的修复，使基坑内部施工尽快恢复正常。

　　5、 围堰拆除施工

　　5.1 、初始方案

　　尾水围堰拆除分为4个区进行(如图1所示),施工步骤和方法见表1。

　　围堰开挖分三期进行，对位于围堰顶部的长臂反铲无法开挖内侧部位先进行削薄开挖，然后在围堰外侧靠河道部位接近水面高程修筑临时道路，利用水位较低时间段进行围堰外侧主河道区的开挖，最后利用长臂反铲后退法进行分区开挖。在确保能将水下钻孔爆破部分全部覆盖的情况下，尽可能的多用机械开挖拆除，减少钢管排架的使用量，提高工作效率。

　　水下部位钻孔：计划搭设工作平台进行作业，钻孔平台的安装需充分考虑河水流速的影响。施工排架在场外预先按单元进行搭设，由长臂反铲吊运至预定水下钻孔区域。在水流的上游侧的不同方向安装锚固插筋，用钢丝绳连接排架单元固定在插筋上并用手拉葫芦拉紧，防止湍急的尾水影响施工排架的稳定和钻孔定位。在施工排架竖杆上向下安装钢管作为钻孔的导向杆，确保垂直钻孔准确，并通过钢管进行水下装药。

　　图1 尾水围堰拆除分区示意图

　　表1 尾水围堰拆除施工步骤和方法

　　5.2、 爆破拆除施工

　　首先按照原定计划进行围堰下游削薄，以减少水下开挖的宽度和开挖量，按计划进行了预裂爆破施工。在施工过程中发现：深夜至凌晨最高尾水水位约为EL386m, 极低水位达到EL381m, 通过向赞比西河务局求证，根据发电水量调配计划，近期将持续这种状态。于是现场对拆除分区进行了优化调整，将III区和IV进行了合并进行倒退开挖，从上游向下游沿轴线方向为7个开挖段，每段5～10m。按照“白班出渣，夜班钻爆”的施工原则，白班清理一个分段至EL385m, 夜间水位低于EL385m时，开始液压钻钻孔和人工装药，凌晨5时准时爆破，白班使用长臂反铲进行出渣，石渣清理干净后，进入下一施工段循环。

　　在进行爆破施工时，优化爆破设计以控制爆渣块度易于装车，同时要对爆破振动和水击波进行严格控制，保证临近的结构物不受破坏。

　　6、 实施效果

　　利用拆除期尾水水位周末较低的特点，将原计划的水下钻爆开挖优化为水上钻爆开挖，摒弃了施工排架的搭设方案，极大地提高了每个钻爆循环的工作效率，安全性大大提高，节省了潜水员辅助施工费用。施工进度方面，在尾水围堰预裂爆破滞后的情况下，提前2.5个月完成拆除并顺利通过业主方的验收。

　　7、 结语

　　尾水出口的优化设计从尾水塔的布置、尾水围堰的建设、运行和拆除的整个生命周期，以及滑坡体的整体稳定统筹考虑，总体降低了临时建筑物围堰的建设规模，减少了成本，策略是完全正确的。

　　尾水围堰成功的拆除得益于项目的超前总体规划，对尾水出口区域进行设计优化，减少了难度极大的高速水流下的水下爆破拆除施工。

　　将原设计尾水塔位置向山体后移，有效的避开了尾水主流对尾水围堰施工和拆除的影响，并增加了尾水围堰的结构可靠和整体稳定性，尾水围堰中轴线由河道退到了原有河岸上，由在河道中填筑围堰施工改为仅需要进行围堰防渗和顶部防冲刷施工，降低了施工难度。

　　通过对围堰爆破拆除分区的优化，充分利用了低水位时段进行水上钻爆作业，充分利用了长臂反铲的工作行程，降低了拆除施工难度，加快了拆除进度，降低了施工安全风险。

　　参考文献

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　　[3]赵廷式，韩龙.关于大坝施工导流方式及围堰洪水标准问题[J].山西水利科技, 2007(1):1-3,7.

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　　[5]黄秘昌鲤鱼江防洪闸工程钢板桩围堰设计及特点[J].广西水利水电, 2021():34-36.

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　　7]汪洋,吴新霞,尹健民,等土石围堰分期拆除过程中的边坡稳定性分析[J].长江科学院院报, 2012,29(8):93-99.

　　[8]邵敏,刘晶伟,孙中森土石围堰分期设计与施工在工程中的应用[J]城市道桥与防洪, 2019(2):127-129,16-17.