范明杰
(中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100020)
阿根廷圣克鲁斯Néstor Kirchner水电站(以下简称NK)位于阿根廷巴塔哥尼亚平原圣克鲁斯省中南部的圣克鲁斯河上，圣克鲁斯河发源于阿根廷湖东岸，自西向东穿过圣克鲁斯省注入大西洋，流域面积29 686 km2。大坝坝址距首都布宜诺斯艾利斯约2 000 km，NK电站的主要任务是发电，电站厂房为坝后式，最高运行水位176.5 m，最高洪水位为179.3 m，水库库容为58亿m3，安装5台立式混流机组，总装机容量为950 MW，多年平均发电量约为3167 GW·h。
在NK电站两岸边坡开挖的过程中，由于存在一个前期地勘未发现的古滑坡体，左、右岸分别发生了滑坡，新的设计变更方案分别在两岸以压重回填代替原设计方案的开挖，来稳固两岸边坡，同时将混凝土重力坝段向河床移动约60m；
大坝轴线向上游弯曲，避开两岸的滑坡体。工程主要建筑物包括面板堆石坝、左岸电站坝段及坝后式厂房、左岸溢流坝段、左岸挡水坝段、鱼道、开关站、工程区永久交通道路及运行村等。
在混凝土重力坝段向河床移动约60 m的方案提出以及新方案的补充地勘实施后，发现混凝土重力坝段下岩层主要以凝灰岩、凝灰质砂岩等软岩为主，且在73-75、82-84以及92高程存在近水平的黏性土层、古土壤层等软弱层，大坝存在抗滑稳定不足的问题。溢洪道坝段断面图如图1所示。
图1 溢洪道坝段断面图
国内传统的通过碾压混凝土增加大坝自重从而增加大坝抗滑稳定的设计，存在混凝土方量大、资源投入高且采购施工周期长等问题。为节省项目工程成本，降低资源投入，同时保证大坝的安全，项目部及项目参与各方通过一系列的研究与论证，最终决定通过混凝土坝段下的基础加固来解决承载力和抗滑稳定不足的问题。
坝址区河谷宽阔，河床宽约1 300 m，主河道位于右岸，河水高程为117.5，两岸分布有阶地，其中右岸阶地较左岸发育，岸坡坡度亦较左岸稍陡。坝址区基岩地层为第三系蒙莱昂-圣克鲁斯沉积岩，岩性主要由凝灰质泥岩、凝灰质砂岩、凝灰岩及透镜状黑砂岩等组成，各岩性层理交错，具有渐变性。在坝址区未见基岩地层露头，被现代沉积层和现代火山喷发物质覆盖，形成较高的覆盖层岸坡。自上而下分为：95～100高程的凝灰质泥岩；
92～94高程约5 cm厚的黏土层；
在80～90高程厚度不一的透镜状黑砂岩中，存在一个可变性较强的古土壤层，位于82～84高程；
在70～80高程的泥质砂岩中，同样在73～75高程也存在一个可变性较强的古土壤层；
65～70高程被命名为5月25日的地层，为含有牡蛎化石的黑砂岩。混凝土坝段下地质情况分布图如图2所示。
图2 混凝土坝段下地质情况分布图
3.1 深齿槽方案
深齿槽基础加固方案将会在靠近图1齿槽的下游执行13个达到70高程的探井，将会完全穿过73、84、92高程上的软弱层。该方案由7个直径25 m的圆形和6个长轴30 m、短轴20 m的椭圆形的探井组成，分为两期进行施工：一期将优先施工圆形探井，圆形探井由41根直径80 cm、间距1.3 m的锚桩组成，辅以15 cm的喷射混凝土和钢筋混凝土腰梁进行支护，最后是开挖出渣以及大体积混凝土施工；
二期的椭圆形探井作为圆形探井的连接部分，施工方式同理。
3.2 中深齿槽方案
中深齿槽加固方案将会从齿槽的87高程向下游进行扩大开挖，其深度将会达到81高程，将会穿过84、92高程上的软弱层，最深处齿槽的宽度为9 m，形成的高边坡将采用喷锚支护的方式进行加固，以防止边坡不稳带来的安全隐患。由于圣克鲁斯流域地层的水平应力和垂直应力的比值普遍较大，所以该方案在齿槽下游部位将采用大量的固结灌浆对基础进行加固，以防止混凝土坝段开挖时产生膨胀或隆起。
3.3 地下连续墙方案
地下连续墙方案将会在齿槽的下游，溢洪道和进水口坝段下布置15道垂直于大坝轴线方向的剪力墙，其中溢洪道坝段下剪力墙长度为100 m，间距15 m，进水口坝段下剪力墙长度约为75 m，间距13.5 m。其深度均为28 m，达到68高程，将会穿过73、84、92高程上的软弱层。该方案类似于防渗墙的施工方式，首先通过双轮铣对基岩进行成槽开挖，之后进行膨润土泥浆护壁、钢筋笼绑扎及吊装，最后实施混凝土浇筑。
上述3种方案实施以前，会在混凝土坝段的周边实施防止地下水渗入基坑的塑性防渗墙，以上3种方案均在塑性防渗墙的范围内进行施工，无需考虑降水和渗水问题。
4.1 抗滑稳定性
由于圣克鲁斯岩层组成较为复杂，且受冰川活动的影响较为明显，通过常规的地勘工作无法确定岩层的分布及软弱层的相关地质参数。因此抗滑稳定性的比选是按照综合内摩擦角为25°，粘聚力c值为0考虑的。本项目招标文件中要求的抗滑稳定安全系数，正常运行状态下为FS=3.0，设计最大地震FS=1.5，而美国陆军工程兵团规范(USACE)要求的抗滑稳定安全系数，正常运行状态下为FS=2.0，设计最大地震为FS=1.1。
从表1中可以看到，深齿槽方案安全系数最高，地下连续墙方案安全系数最低，3种方案均满足美国陆军工程兵团规范(USACE)的要求。而按照招标文件要求，只有深齿槽方案和地下连续墙方案满足要求。
表1 方案对比分析
4.2 施工条件
深齿槽方案的施工主要以探井施工为主，首先是锚桩、腰梁支护配合机械进行开挖，并通过带轨道的塔机进行出渣，最后是混凝土浇筑，由于探井的深度超过27 m，存在施工难度大的问题；
中深齿槽方案通过机械进行开挖，同时辅以保证边坡稳定的喷锚支护，最后是混凝土浇筑，无论是开挖还是支护，均为常规的工程技术，施工难度小；
地下连续墙方案采用类似于传统防渗墙的方式进行施工，包括槽段开挖、泥浆护壁、钢筋笼吊装、混凝土浇筑等工序，鉴于NK坝前的防渗墙已经施工，所以在当前的地质条件下，该种施工方式有成熟的方案和施工经验，施工难度较小。以目前现场具备的资源进行分析，地下连续墙方案将会比深齿槽方案节省工期6个月以上，比中深齿槽方案多1～2个月，如果增加相应的槽段开挖设备，基本可与中深齿槽方案的工期持平。
4.3 工程投资
深齿槽方案的投资构成主要包含锚桩施工、探井开挖及出渣、喷射混凝土支护及冠梁腰梁的施工、大体积混凝土的浇筑，经估算，直接投资超过3亿美金；
中深齿槽方案的投资构成主要为土方开挖、边坡支护、钢筋混凝土浇筑以及基础固结灌浆，经综合测算，直接投资为8 400万美金；
地下连续墙方案参照大坝上游防渗墙的单价对投资进行估算，直接投资为9 200万美金。
虽然3种方案在施工和技术方面均可行，但是深齿槽方案的施工难度、工程量、工期以及工程投资均远高于另外2种方案，首先被排除，而中深齿槽和地下连续墙方案的工程投资分别为8 400万美金和9 200万美金，中深齿槽方案相对地下连续墙方案节省投资800万美金，从投资角度分析中深齿槽方案相对更优。
虽然中深齿槽的方案从施工和工程投资角度更优，且安全系数也满足美国陆军工程兵团规范的要求，但是其抗滑稳定安全系数未满足招标文件的要求，如果采用该方案，则需要向阿根廷政府申请对招标文件进行变更，面临的政治和社会风险更大且不可控。地下连续墙方案无论是安全方面还是施工方面，均满足项目的各项要求，同时通过不到10%的追加投资，避免了招标文件变更等商务、法务方面存在的不可控风险。因此，推荐采用地下连续墙方案。
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