白格堰塞湖影响下叶巴滩水电站施工导流动态规划研究

彭 峥, 孔 科, 周 顺 文, 张 有 山

(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 引 言

中国目前在建大中型水电站大都位于高山峡谷地区,河道两岸滑坡、泥石流等地质灾害频发,当滑坡体堵塞河道形成堰塞湖,溃决洪水流量常远超天然洪水,将给下游带来巨大危害。周兴波[1]等分析了两次白格堰塞湖的形成过程,在分析堰塞湖成因和堰塞体特征基础上反演论证了应急抢险关键技术方案与工程措施;陈祖煜[2]等对白格滑坡残留体再次堵江的溃坝洪水进行了模拟,并指出叶巴滩水电站坝前库容对下游防洪安全具有明显作用;鄢勇[3]研究了白格堰塞湖溃决对下游梯级电站的影响,分析提出了有效应对措施;周招[4]等通过野外模型试验研究了不同断面形式下的引流槽溃决洪水特点,并提出了防护措施以延缓溃决、削减洪峰;李松培[5]分析了梨园水电站在白格堰塞湖事件中应急处置的重难点和对策成效,并提出了宝贵建议。

对下游在建水电工程而言,电站尚未建成投产,未形成完善的防灾调度能力,电站施工常遭受到更为严重的破坏和影响,工程施工导流风险增大。面临不可预知的突发灾害,在考虑上游堰塞湖的影响下,对水电站施工导流规划进行动态调整,以适应建设条件的不利变化,降低工程损失,保证在建工程顺利建设实施。

1 工程概况

叶巴滩水电站位于四川白玉县与西藏贡觉县交界的金沙江干流降曲河口以下约350 m河段上,是金沙江上游规划13级开发方案中的第7级,上游为波罗水电站,下游为拉哇水电站。电站坝址控制流域面积为173 484 km2,工程的开发任务为发电,采用坝式开发,正常蓄水位2 889.00 m,相应库容10.80亿m3,调节库容5.37亿m3,具有不完全年调节能力;电站装机容量2 240 MW,多年平均年发电量为102.05亿kW·h。电站枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物及引水发电建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程2 894.00 m,最大坝高217.0 m;泄洪消能建筑物由坝身泄洪表孔、深孔、水垫塘及二道坝组成;引水发电建筑物位于河道右岸,采用首部式地下厂房、长尾水的布置方案。叶巴滩水电站枢纽及导流工程平面布置见图1。

图1 叶巴滩水电站枢纽及导流工程平面布置

该工程采用隧洞导流方案,初期导流在左右岸各布置了一条12 m×14 m导流洞,由上下游全年土石围堰挡水,基坑全年施工。按照工程建设进度计划,原定于2018年11月份导流洞过流并大江截流,形成主体基坑,随即开始大坝边坡及基坑主体工程施工。导流工程是电站施工的关键工序,大江截流是工程建设的关键节点,直接影响到主体工程的顺利开工以及电站投产发电时间,经济效益和社会意义十分重大。

2 白格堰塞湖灾害影响

(1)堰塞湖溃决洪水直接破坏水电站。

2018年10月11日和11月3日,位于在建叶巴滩水电站上游的金沙江右岸白格滑坡体先后两次失稳,滑坡体堵塞河道均形成了巨大的堰塞湖。其中“10·11”堰塞湖库容2.5亿m3,堰塞体自然溃决,溃口处最大洪水流量约11 000 m3/s,叶巴滩坝址最大洪水流量约7 770 m3/s;“11·3”堰塞湖库容7.75亿m3,实施人工干预后堰塞体溃决,溃口处最大洪水流量约33 900 m3/s,叶巴滩坝址最大洪水流量约28 300 m3/s。堰塞湖溃决洪水远超天然洪水,对在建叶巴滩水电站工程造成了巨大损坏,已投运低线交通道路被冲毁,在建的导流洞工程被破坏,致使原定2018年11月下旬大江截流无法按期实现。堰塞湖溃决洪水直接破坏情况,导流洞进口工程受灾情况见图2,导流洞洞身工程受灾情况见图3,低线交通受灾情况见图4。

图2 导流洞进口工程受灾情况

图3 导流洞洞身工程受灾情况

图4 低线交通受灾情况

(2)残留堰塞滑坡体持续威胁水电站。

洪灾过后,白格堰塞滑坡体未得到彻底处置,河床仍然残留大量堰塞堆积体;河道两岸岸坡仍有大规模滑坡危险体,经初步评估,滑坡后(侧)缘残留体总方量约340万m3,其中处于蠕滑阶段的开裂破坏危险体约230万m3,存在随时加速滑动失稳垮塌的风险;处于蠕动变形阶段的开裂变形危险体110万m3,存在进一步变形蠕滑的可能。一旦边坡开裂破坏危险体失稳下滑,可能会再次堵江形成较大规模的堰塞湖,溃决洪水对在建的叶巴滩水电站大坝造成新的破坏。河床残留堰塞堆积体现场图见图5,河道两岸滑坡危险体分布情况见图6。

图5 河床残留堰塞堆积体现场图

图6 河道两岸滑坡危险体分布情况

3 考虑堰塞湖洪灾影响下叶巴滩水电站导流动态规划研究

3.1 导流方案动态调整

受到堰塞洪灾影响,左右岸导流洞不能按原计划如期过流,截流时间预计将推迟至2019年3月底,原设计土石全年围堰无法在2019年汛前施工完成,且在建工程、施工交通以及场地设备均受到损坏,施工外部环境和内部条件均发生较大变化,导流方案需根据实际状况、结合项目建设需要进行动态调整。

导流方案动态调整主要考虑到下述原则:①为应对白格堰塞湖再次滑坡堰塞风险,从根本上提高金沙江流域防灾减灾能力方面考虑,需加快叶巴滩工程建设;②导流程序的调整应确保在现有条件下,大坝主体工程边坡与基坑开挖尽早实施,以挽回电站的受灾工期损失;③应有效控制初期导流期间再次堰塞溃决洪水对基坑及下游的破坏风险。

基于上述原则,导流方案调整总体思路为:将初期导流细分为两个阶段,第一阶段是2019年3月—2021年4月,为坝肩开挖期,大坝上下游采用土石过水围堰挡水(拦渣),进行常年水位以上坝肩开挖;第二阶段是2021年5月—2024年4月,为基坑开挖和混凝土浇筑期,由大坝上下游由主体围堰挡水度汛,进行基坑开挖和大坝混凝土浇筑。调整后初期导流程序表见表1。

表1 调整后初期导流程序表

调整后的导流方案有利于大坝边坡按期开挖,减少白格堰塞湖两次滑坡堰塞对电站主体工程施工的影响;即便在坝肩开挖期间再次遭遇溃堰洪水,过水围堰不会再发生溃决,不会额外增加下游的洪水灾害和损失。

3.2 主体围堰结构方案调整研究

初期导流第一阶段由土石过水围堰挡水,进行大坝边坡开挖施工;第二阶段仍采用全年主体不过水围堰挡水围护基坑。根据大坝工程施工进度初步分析,2021年4月开始大坝基坑开挖,2021—2023年汛期需要主体围堰挡水度汛。为提高该工程建设期的抗灾能力,并考虑尽量减轻下游灾害,笔者分别研究了“碾压混凝土上游主体围堰”方案和“土石围堰”方案,并进行了综合对比。

(1)“碾压混凝土围堰”方案

上游碾压混凝土围堰建筑物级别为4级,设计标准为10年重现期洪水,相应流量为Qp=5%=5 050 m3/s,围堰上游水位为2 756.50 m,考虑波浪爬高和安全超高后,确定围堰顶高程为2 758.00 m,建基面高程为2 688.00 m,最大堰高70.00 m。堰顶考虑交通要求,围堰顶宽8.00 m,堰顶轴线长135.00 m。

上游混凝土围堰施工:根据现场情况初步安排在2019年汛后枯水期进行上游土石过水围堰防渗墙施工;2020年汛后开始混凝土围堰基坑开挖和混凝土浇筑,并在2021年汛前完工,具备挡水度汛条件。上游碾压混凝土围堰结构断面见图7。

图7 碾压混凝土围堰典型断面图

(2)“土石围堰”方案

上游土石围堰建筑物级别为4级,设计标准为20 a重现期洪水,相应流量为Qp=5%=5 670 m3/s,围堰上游水位为2 763.21 m,考虑波浪爬高和安全超高后,确定围堰顶高程为2 766.00 m,最大堰高约58.0 m。围堰基础防渗采用混凝土防渗墙,最大防渗深度约39.0 m;堰体采用土工膜心墙防渗,最大防渗高度约38.0 m,复合土工膜两侧采用过渡料和垫层料保护;河床基岩进行墙下帷幕灌浆,帷幕灌浆深度应深入相对不透水层(透水率<10 Lu)5.0 m,墙下帷幕采用埋管法施工,最大造孔深度约60.0 m,单排孔的孔距1.5 m;两岸堰肩采用帷幕灌浆进行防渗处理,以减少地下水流绕渗量,帷幕灌浆最大造孔深度约为63.00 m。考虑交通要求,围堰顶宽10.00 m,堰顶轴线长149.40 m。土石围堰典型断面见图8。

图8 土石围堰典型断面图

(3)比较与选择

①从施工进度来看:“混凝土围堰”方案和“土石主体围堰”方案均需要先期实施一期过水围堰,但是“土石主体围堰”方案在完成围堰混凝土防渗后就可进行围堰填筑施工,而“碾压混凝土围堰”方案在混凝土防渗墙施工完成后需要进行基坑排水、混凝土围堰基础开挖和处理,然后才能进行混凝土围堰浇筑施工。“土石主体围堰”方案工期保证性高于“碾压混凝土围堰”方案。

②从施工交通条件来看:“土石围堰”易于布置下基坑道路,“混凝土围堰”的背坡不能布置下基坑道路,基坑出渣需绕行下游围堰至渣场,运距增大,经济性差。

③从再次堰塞溃决对围堰的影响来看:根据电站风险评估及溃堰洪水专题分析研究成果,若白格滑坡残留体再次下滑堵江,无论采用“土石围堰”还是“碾压混凝土围堰”,都无法抵御堰塞体溃决的洪水,都会带来不可避免的损失。当采用土石围堰时,白格滑坡体再次发生200万m3以上方量的滑坡堰塞,可通过及时拆除围堰,避免围堰溃决后的洪水叠加影响。

④从工程投资来看:“土石围堰”对地基的要求较低,可充分利用工程开挖料,造价低廉;“混凝土围堰所需”的水泥、粉煤灰等主要建材均需外购,而该工程地理位置偏远,海拔较高,对外交通条件较差,运费高昂。经投资估算,“碾压混凝土围堰”方案较“土石围堰”方案投资增加约9 500万元。

经综合分析比较,推荐采用“土石主体围堰方”案。

4 方案实施及运行情况

白格堰塞湖事件之后,叶巴滩水电站导流洞工程于2019年3月基本完工并开始过流, 2019年3月30日大江成功截流。一期上、下游过水围堰于2019年3月31日开工,4月19日填筑到顶开始挡水度汛。2021年4月,二期主体围堰加高填筑到顶,开始挡水度汛。一期过水围堰安全运行23个月,安全度过2个汛期,期间多次汛期过水。主体围堰至今已安全运行24个月,安全度过2个汛期。大坝边坡开挖于2019年4月开始,2022年8月8日完成大坝边坡及基坑开挖施工,8月31日大坝首仓混凝土开始浇筑。一期过水围堰防冲面板见图9,一期围堰汛期过水见图10,一期围堰成功度汛见图11,主体上游围堰运行见图12。

图9 一期过水围堰防冲面板

图10 一期围堰汛期过水

图11 一期围堰成功度汛

图12 主体上游围堰运行

运行实践证明,针对白格堰塞湖洪灾对主体工程施工的影响,对施工导流方案的动态规划调整和围堰结构的分期设计,符合工程建设实际,有效降低了导流风险,为主体工程顺利施工保驾护航。

5 结 语

笔者在考虑白格堰塞湖灾害对在建叶巴滩电站施工的影响下,对电站施工导流规划进行了动态调整研究,达到了降低工程损失、提高工程防灾能力的效果。将叶巴滩电站初期导流细分为两阶段:第一阶段实施一期过水土石围堰,并在2019年3月份大江成功截流,保证了大坝边坡尽早开挖施工;第二阶段实施全年挡水围堰,保证了大坝基坑开挖及坝体浇筑施工顺利进行;经研究比较选择了经济合理的主体围堰结构型式,降低了导流风险,节约了工程投资。