4　坝型选择中的重大风险规避

4.1　前苏联托克托古尔水电站的坝型变更及风险规避

托克托古尔水电站,位于前苏联吉尔吉斯加盟共和国(现吉尔吉斯共和国)纳伦河上,装机1200MW,正常蓄水位900m,库容195亿m3,为灌溉和发电综合利用的工程。

坝址位于“V”形峡谷中,场地地震烈度Ⅸ度,地震动峰值加速度a＝0.45g。两岸山体高出河面1500～1800m,岸坡65°～75°。坝基岩体为大理石化灰岩,抗压强度93～100MPa。受构造应力与自重应力作用,在河谷下切后,峡谷两岸岩体应力重分布,形成了复杂应力场。坝址地质构造最突出的特点是：两岸和河床岩体中卸荷裂隙广泛分布,顺河向发育,切割岩体深度达10～100m,最大缝宽达2.5m,充填岩屑和砂壤—黏壤土,与断层、层面裂隙、缓倾裂隙等组合,构成两岸不稳定体,方量约1000万m3,强卸荷的高边坡开挖及其稳定是大坝建设中的重大风险。

设计阶段曾对堆石坝、重力坝、重力拱坝、薄拱坝等方案进行过比较,最终采用重力拱坝。原设计重力拱坝坝高227m,坝顶长352m,弧高比1.55,厚高比0.46。

开工后,坝肩开挖十分困难,由于岸坡陡峻,卸荷裂隙十分发育,不稳定岩体众多,往往挖1m3,塌方4m3,出现了挖不胜挖的局面,施工无法进行,只能停工,重新征集设计方案。

莫斯科水工建筑物设计院以非常规的重力坝方案中标。该方案充分考虑具体地形地质条件,考虑到河床坝基岩体的变形模量和抗剪参数均显著高于两岸坝肩岩体的特点,将坝体分为7个坝段。其中,河床中央的坝块最大,平面上呈梯形,上游面窄,下游面宽,稳定性最高；左右侧各3个坝段,其横缝向下游扩散,同时坝轴线略向下游起拱。在上游水荷载作用下,边坡坝段可以向中央坝段传力,并把主要荷载传至河谷底部较好的岩体上,提升了重力坝整体稳定性。同时,针对坝址区卸荷裂隙及高边坡等特点,大坝坝肩尽量不予开挖,仅清除浮石,深层固结灌浆,充填大裂隙及破碎带,自卸汽车上坝,通仓浇筑,最终建成了215m高的重力坝(图2.4-1和图2.4-2)。

图2.4-1　托克托古尔水电站平面布置示意图

1—表孔泄水道；2—深孔泄水道；3—进水口；4—运输隧洞；5—电站厂房(双排机)；6—进厂交通洞；7—闸门库；8—左岸导流洞

4.2　后河水库坝型变化与后期处理

如果对工程重大风险未予重视,未予规避,开工后常会形成极为严重的被动局面,甚至被迫修改方案或做复杂的处理。

后河水库位于山西省垣曲县允西河上游,工程任务以灌溉为主,兼顾人畜饮水,结合发电。设计灌溉面积7.5万亩,渠道电站装机2000kW,正常蓄水位690m,总库容1375.03万m3,为中型水利工程。该工程由拦河大坝和左岸灌溉洞、灌溉渠道及渠道电站组成。浆砌石重力拱坝坝高73.3m,坝顶宽7m,上游坝坡1:0.1,下游坝坡1:0.65,弧高比1.83。该工程1967年设计,1970年开工,1971年停工,1978年再度开工,1980年停工,至1980年仅完成5m左右坝体,砌筑量4.24万m3。1996年作为小浪底移民补偿工程续建,2003年完工。

图2.4-2　托克托古尔大坝表孔溢流坝剖面

后河水库为典型峡谷型水库,库岸岩石裸露,坝基岩体为震旦系杏仁状安山岩,岩性较脆,场地地震基本烈度Ⅶ度。受多次构造作用,岩体内发育有较多断裂,且每隔3～8m有一喷发间歇面。每隔30～70m有一道大的间歇面,其中坝基附近的4#间歇面产状NE75°～80°,倾NNW,倾角6°～9°,倾上游偏右岸；该间歇面连通性好,夹泥层厚3～5cm,摩擦系数f＝0.37,黏结力C＝0.1MPa。两岸发育着深大冲沟,其中由下游f11断层形成的1#冲沟和由f9断层形成的2#冲沟几乎连成一体,紧靠右坝肩,冲沟很深,直接威胁坝肩稳定。

允西河自南西185°流入坝址,以南西238°流出坝址,坝址位于允西河弯道的顶部,右岸为凸岸,左岸为凹岸,两岸地形陡峻,左岸坡80°～85°,右岸坡70°左右,左右岸地形地质条件不对称。受三向风化及冲沟影响,右坝肩岩体强风化带深30m左右,再加上4组陡倾裂隙切割,右岸抗力体单薄,高程670m、680m、690m含风化层山体厚度分别仅45m、35m、30m,左右坝肩抗滑稳定问题突出。

设计期间曾数次邀请专家咨询。根据坝址具体地形地质条件,专家认为,坝址处地形狭窄,弧高比1.83,玄武岩裸露,从地形看似乎具备修建拱坝条件,但左右岸地形地质条件不对称,陡倾断裂发育,4#间歇面缓倾夹泥,力学参数较低,且左右岸冲沟发育,抗力体单薄,上述结构面组合构成不稳定体,不利坝肩稳定,后河坝址不宜建拱坝,建议对重力坝和土坝进行比选。

设计采纳了专家意见,经审查,批准建设直线形重力坝。开工后不久,领导提出：为充分利用狭谷的地形,发挥拱作用,将重力坝轴线由直线改为等圆心等中心角的半径为118.5m、中心角为34.05°的圆弧,即改为拱形重力坝。

1998年续建中发现,将直线形重力坝改为拱形重力坝后,左右坝肩将承担拱的推力,实际已成为重力拱坝,且由于左右坝肩岩体单薄,抗力体小,结构面不利组合,特别是4#间歇面力学参数较低,左右坝肩岩体不能满足抗滑稳定要求(表2.4-1)。

表2.4-1　左右坝肩抗滑稳定安全系数

经比较决定,在4#间歇面及653m高程附近沿L22、L32、L33设宽4m、高3.5m城门洞形混凝土抗剪洞,其中右岸抗剪洞分三排呈“王”字形布置,长260m,左岸抗剪洞分两排呈“工”字形布置,长220m,混凝土抗剪洞分别承担22%～50%推力,使左右坝肩抗滑安全系数提高到4.0；考虑到右岸冲沟发育,切割较深,根据有限元计算成果,为确保右坝肩的变形稳定,决定用混凝土回填1#冲沟；为有效发挥右岸1#冲沟回填混凝土作用,又在回填混凝土增设16根长21～35m、100～150t级预应力锚索。

由于坝型选择的失误及后期处理,工期由3年延长至6年8个月,投资增加26%,造成极为被动的局面。