高寒高海拔地区某高堆石坝填筑方案比选

王丹妮

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

某高混凝土面板堆石坝为黄河干流龙羊峡以上、海拔3 000.00 m以下河段水电规划的第1个梯级水电站，坝体填筑总量为3 779.44万m3，最大坝高257.5 m，电站装机容量2 600 MW，4台650 MW的水轮发电机组。工程为Ⅰ等大(1)型工程，是黄河龙羊峡以上河段装机容量最大的电站。工程地处高寒地区，高海拔缺氧对施工效率影响较大，施工条件相对较差。冬季寒冷、持续时间长，夏季凉爽、历时较短，冬季持续5个月的负温条件对控制关键工期的大坝填筑影响较大，坝体填筑需每年冬季停工2个月，工程填筑量约3 000多万m3，工程施工总工期10余年。

2 坝体填筑时段划分和填筑方案初拟

2.1 填筑时段划分

根据导流规划，将大坝填筑时段划分为初期、中期、后期3个时段。

(1) 填筑初期： 从大坝填筑开始，至坝体填筑高程到达围堰顶部高程的时段为大坝填筑初期。大坝主要施工项目为坝基开挖、趾板混凝土浇筑、灌浆及上游围堰以下高程的坝体填筑工作。

(2) 填筑中期：根据汛前坝体填筑形象及坝体拦蓄库容不同，大坝填筑中期划分为3个时段，坝体临时度汛洪水设计标准分别采用100年一遇、200年一遇和300年一遇。主要完成大坝2 996.50 m高程以下坝体填筑及一、二期面板混凝土浇筑的施工。

(3) 填筑后期：从导流洞下闸蓄水开始，至泄洪建筑物具备设计泄流能力。主要进行三期面板混凝土浇筑、灌浆施工、坝顶剩余项目施工。

2.2 填筑方案初拟

按照坝体初期填筑高程及坝体度汛形象要求，根据大坝填筑累积数据(见表1)，除上游压坡体、盖重区和下游堆碴区内的反滤层及排水体外的填筑总量为3 283.48万m3，以此为基础，拟定了3个坝体填筑方案。

表1 填筑累积数据表

(1) 方案1(大坝填筑64个月)

1) 填筑初期

第3年11月底主河床截流后进入初期导流时段，初期导流时段为第3年12月至第6年9月底，此时段也是大坝填筑初期。按照时段主要施工项目类型及坝体填筑上升高度，大坝填筑初期分为两大时段：第1时段为第3年12月至第4年9月，大坝主要施工项目为坝基开挖；第2时段为大坝填筑至坝体临时断面挡水度汛高程，即第4年10月至第6年9月，大坝主要施工项目为趾板混凝土浇筑、灌浆、大坝3C区以上各区填筑、泄洪消能区开挖。大坝填筑初期导流标准选用30年洪水重现期，相应导流设计流量为3 830 m3/s，由上下游围堰挡水，导流洞泄流。

2) 填筑中期

第6年9月底，坝体填筑至2 824.00 m高程，坝体填筑高程已超过上游围堰顶高程(2 823.25 m)，此时坝体临时填筑断面拦蓄库容为1.47亿m3。随后工程进入中期导流时段，直至第10年12月初导流隧洞进口闸门下闸。大坝填筑中期为第6年10月初到第10年11月底，期间度汛由坝体临时断面挡水，河道来水由导流洞下泄。

第7年汛前坝体将填筑至2 850.00 m，坝体填筑临时断面相应拦蓄库容为3.5亿m3，根据DL/T5397-2007《水电工程施工组织设计规范》中“坝体施工期临时度汛洪水设计标准，堆石坝拦蓄库容(10.0～1.0)亿m3时，施工期临时度汛洪水设计标准为重现期200～100年”，第7年汛期坝体临时度汛洪水设计标准采用100年一遇，相应设计流量为4 690 m3/s。

第8年汛前坝体填筑至2 886.00 m，并且完成一期面板(坝底～2 860.0 m)的施工，坝体填筑临时断面相应拦蓄库容为8.60亿m3，大于1亿m3，而小于10亿m3。第8年汛期坝体临时度汛洪水设计标准采用200年一遇，相应设计流量为5 140 m3/s。

第9年汛前坝体平均填筑至2 925.00 m高程，坝体临时填筑断面相应拦洪库容为17.76亿m3，大于10亿m3，第9年汛期坝体临时度汛洪水设计标准采用200年一遇，相应设计流量为5 140 m3/s。

第10年汛前坝体平均填筑至2 965.00 m高程，并且完成二期面板(2 860.00～2 945.00 m)施工，坝体临时填筑断面相应拦洪库容为32.42亿m3，大于10亿m3。第10年汛期坝体临时度汛洪水设计标准采用300年一遇，相应设计流量为5 390 m3/s。第10年9月底，坝体填筑至三期面板顶高程2 996.50 m。

3) 填筑后期

第10年12月初左岸低导流洞下闸，坝体填筑至坝顶高程3 001.50 m，进入大坝后期施工。后期导流时段主要进行三期面板混凝土浇筑、灌浆施工、坝顶填筑、防浪墙及路面混凝土浇筑、左岸低导流洞封堵与2号尾水洞改建、左岸旋流导流洞封堵、后续机组安装。第11年汛期枢纽泄洪建筑物完建，度汛正常运用洪水标准选择为重现期500年，相应流量为5 720 m3/s，坝体度汛非常洪水标准选择为重现期1 000年，相应流量为6 150 m3/s。

(2) 方案2(大坝填筑74个月)

填筑初期同方案1，填筑中期比方案1推迟1 a，至第11年9月底坝体填筑至三期面板顶高程2 996.50 m。填筑后期顺延至第12年。

(3) 方案3(大坝填筑60个月)

填筑初期比方案1的开工时间推迟至第5年2月，工期缩短4个月，中期和后期完全相同。

3 施工进度及施工强度分析

3.1 方案1

方案1填筑工期64个月，填筑强度最大为63.78 m3/月，月平均上升高度最大值为7.65 m。各时段填筑强度和月升高详见图1和表2。

3.2 方案2

方案2填筑工期74个月，填筑强度最大为63.78 m3/月，月平均上升高度最大值为5.77 m。方案2填筑初期，填筑高程2 860.00 m以下，填筑时段、填筑强度、月平均上升高度均与方案1相同。填筑中期比方案1延长1 a。各时段填筑强度和月升高详见图2和表3。

3.3 方案3

方案3填筑工期60个月，填筑强度最大为63.78 m3/月，月平均上升高度最大值为8.10 m。方案3填筑中期和后期同方案1。各时段填筑强度和月升高详见图3和表4。

图1 方案1坝体填筑形象进度图 单位：m

图2 方案2坝体填筑形象进度图 单位：m

填筑时段起始填筑高程/m终止填筑高程/m层间填筑量/104m3累计填筑量/104m3填筑工期/月填筑总强度/(104m3·月-1)月平均升高/m第4年8月～第5年6月2744.002794.00322.43322.43935.835.56第5年7月～第6年9月2794.002824.00614.82937.261347.292.31～6.15第6年10月～第7年9月2824.002860.00637.791575.051063.783.60第7年10月～第8年6月2860.002886.00433.332008.37761.901.43～3.71第8年7月～第9年9月2886.002945.00749.012757.381357.622.62～5.77第9年10月～第10年9月2945.002996.50521.773279.151052.185.15～7.65第11年8月～第11年9月2996.503001.504.323283.4822.162.50

表3 方案2大坝填筑规划表(填筑74个月)

表4 方案3大坝填筑规划表(填筑60个月)

4 坝体填筑方案比选

根据收集、整理的目前中国已建土石坝施工资料(见表5)。中国修建的公伯峡、洪家渡、三板溪、水布垭、天生桥一级等水电工程月上升高度为4.81～8.83 m/月，高峰月强度为(43.34～72)万m3/月。

表5 中国已建土石坝施工资料表

从施工强度方面考虑，3个方案的最大填筑强度(63.78万m3/月，且相同)和大坝月平均上升高度均在国内已建土石坝施工统计资料范围之内，大坝填筑工期的可靠度高。3个方案在理论上都是可行的，填筑最大强度均为63.78万m3/月，工程应配备与最大强度相配套的相同的开采、加工、运输相应的机械和设备。

方案1，各填筑时段强度比较均衡，从填筑初期填筑强度仅为35.83万m3/月和47.29万m3/月，填筑中期第3时段，填筑至一期面板顶高程2 860.00 m时填筑强度达最大值63.78万m3/月，第4时段填筑强度为61.90万m3/月，第5时段填筑强度为57.62万m3/月，第6时段填筑强度为52.18万m3/月。填筑中期从第6年10月至第10年9月，共40个月，强度比较均匀，且已填筑至大坝防浪墙顶高程，共完成三期面板顶高程2 996.50 m以下的坝体填筑，充分利用最大填筑强度63.78万m3/月相配套的开采、加工、运输相应的机械和设备。大坝月上升高度最大值为7.65 m，与统计的中国已建土石坝施工统计值4.81～8.83 m相比，方案1填筑的月上升高度属中等偏上水平。且方案1大坝填筑时长为64个月，工期合理，经济可行。

方案2，填筑强度除最大强度为63.78万m3/月外，其他各填筑时段的强度约为40万m3/月左右，特别在填筑至2 860.00 m以上高程，填筑强度很平均，仅为40.14～43.48万m3/月，整个大坝填筑强度上不去。且填筑最大强度发生在第3个填筑时段，填筑工期仅10个月，对工程配备的与最大填筑强度63.78万m3/月相配套的开采、加工、运输相应的机械和设备不能充分利用。大坝月上升高度最大值仅5.77 m，与统计的中国已建土石坝施工统计值4.81～8.83 m相比，方案2填筑的月上升高度属偏低水平。但方案2大坝填筑时长为74个月，工期在3个方案中最长，工程造价高，不经济。

方案3与方案1的区别在于填筑开始时间为第5年2 月，比前两个方案都推迟了4个月，工期最短，但填筑初期的第1时段从坝基填筑至2 784.50 m高程，坝基仓面大，填筑材料分区多，工艺复杂，而填筑工期仅5个月，月上升高度8.10 m，工期紧张，其实现的可靠度低。

5 结 语

根据本工程施工特点和可研报告编制规程及水电水利工程施工组织设计规范的要求，考虑该水电站为高海拔地区高混凝土面板堆石坝，尤其是填筑工程量及填筑强度巨大，因此本文对该大坝坝体的填筑强度、填筑方案及其可行性进行了深入细致的研究分析，方案1施工的均衡性、与后序项目的衔接和施工进度的可靠程度上占优，可确保关键施工项目的施工技术、施工质量及其施工进度的可行性、合理性。