溧陽抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩關鍵技術研究

寧永升

（1.水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省蘇南地區溧陽市境內，電站裝機容量1500 MW，為一等大 （1）型工程。樞紐主要建筑物有上水庫大壩、輸水系統、發電廠房及下水庫大壩等。上水庫正常蓄水位291 m，死水位254 m，總庫容1422.9萬m3。上水庫主壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩高165 m(壩軸線處)，上游壩坡坡比1∶1.4，下游綜合壩坡坡比1∶1.45。

工程主體工程于2011年4月開工建設。目前，上水庫主壩已填筑至263 m高程，累計完成土石方填筑1360萬m3，完成填筑總量的90%。

2 上水庫主壩工程特點

（1）壩址地形復雜，大壩及庫盆建基面縱向為17°斜坡，壩軸線方向為 “W”地形，大壩不均勻沉降變形突出。壩體變形控制是工程關鍵技術之一。

（2）壩高165 m，大壩填筑量1550萬m3，在國內目前開工建設的抽水蓄能電站中，壩最高，填筑量最大，壩料全部利用建筑物開挖料。土石方挖填動態平衡規劃是本工程設計難點。

（3）壩址區地震基本烈度為Ⅶ度，設計烈度Ⅷ度。應重視大壩抗震分析研究和抗震措施設計。

（4）大壩填筑料全部利用工程建筑物開挖料，主要采用下水庫開挖料、上水庫開挖料和輸水發電系統的洞挖料。料源復雜，如何合理利用開挖料特別是軟巖料筑壩，在提高經濟效益的同時，取得環保效益，需要對大壩分區以及各區的填筑標準進行研究。

（5）上水庫庫底采用土工膜水平防滲，土工膜與排水廊道、連接板等混凝土建筑物防滲接頭復雜，類似可借鑒的經驗少，庫底土工膜防滲技術是工程關鍵技術之一。

針對以上工程特點和高面板堆石壩建設現狀，對溧陽抽水蓄能電站面板堆石壩關鍵技術進行了研究。

3 壩料特性研究

大壩填筑料全部利用工程建筑物開挖料，填筑石料巖性不均一，部分區域填有強風化料、蝕變巖等軟巖。在施工階段對筑壩材料進行室內試驗和現場生產性爆破試驗與現場碾壓試驗。

3.1 堆石料工程特性試驗研究

下水庫開挖凝灰巖、安山巖、花崗斑巖等筑壩材料特性變幅大、均勻性較差且伴有蝕變帶 （軟巖）。開展筑壩材料的室內常規三軸試驗，以及上水庫面板壩在發電和抽水循環工況下應力變形特性的試驗研究。通過對堆石料的力學參數進行反演研究，減小縮尺效應，求取合理的模型計算參數，進一步驗證大壩變形與應力計算結果，為設計優化提供依據。

三軸試驗結果顯示，墊層區、過渡區、主堆石區、增模區、干燥區料的強度參數φ分別為40.0°、39.5°、37.5°～38.0°、38.1°、37.0°～37.9°，鄧肯模型參數值分別為 943.3、937.2、672.3～828.3、938.6、583.8～797.2。試驗各區筑壩料總體上符合面板堆石壩從上游到下游模量逐級遞減的設計原則，其應力應變曲線具有非線性、壓硬性和彈塑性等一般規律，摩爾圓強度包絡線較好，各區筑壩材料的應力應變關系曲線基本符合鄧肯-張模型曲線。

3.2 堆石料現場爆破和碾壓試驗研究

通過對工程建筑物開挖料源各種巖性的石料進行現場生產性爆破試驗與現場碾壓試驗，尋求墊層料、過渡料、主次堆石料等各分區合理的級配曲線和爆破參數。以分形理論為研究手段，對影響堆石料壓實特性的主要要素進行量化分析，選取顆粒級配的粒度分維作為研究堆石料結構參數的指標，利用現場相同壓實條件下的干密度參數對其顆粒級配進行評價，通過調整爆破方案來優化筑壩堆石料的顆粒級配。

現場爆破試驗表明:由于巖石節理與隱節理非常發育，在低裝藥松動爆破條件下，爆破后的巖石整體較破碎，粒徑400 mm以上顆粒極少。為此，在試驗中根據地質條件的差異對爆破孔間排距以及炸藥單耗進行了調整，但粒徑并未因此發生變化，爆破料級配不能滿足原設計要求，最終設計根據爆破試驗對各分區級配進行了優化。

現場碾壓試驗表明:上下水庫堆石料的沉降收斂特性符合一般規律，8遍、10遍沉降曲線開始收斂；碾壓破碎率比較大，上水庫為15%～25%，下水庫為10%～20%。通過對比不同鋪厚、灑水量、碾壓遍數情況下碾壓效果，優選碾壓參數。

3.3 設計優化及調整

結合溧陽大壩填筑壩料的實際情況，研究提出并優化各分區的施工填筑標準，使得不同分區堆石的密實程度相互協調且符合規范要求，以便控制大壩總體變形在合理范圍，同時確保大壩各分區的變形協調，為大壩防滲體系的運行安全提供保障。

（1）大壩分區調整。①增加185 m高程以下增模區和265.8 m高程以上頂部增模區；②次堆區（干燥區）由210 m高程降低至200 m；③過渡區后增加10 m寬排水區。

（2）對各分區的施工填筑標準調整:①根據現場爆破試驗調整級配曲線的上下包絡線范圍；②調整各分區填筑參數，包括干密度、孔隙率、滲透系數、P5和P0.075含量等；③根據料源實際情況，蝕變帶附近的爆破開挖料全部剔除存在困難，因此允許摻混不超過8%的的蝕變巖。

4 施工期大壩變形控制研究

4.1 建立正分析模型，預測大壩應力與變形

建立以Boltzmann繼效理論為基礎的增量型流變模型，研究土石壩變應力作用下的流變規律。進行室內增量路徑的三軸流變試驗，研究提出適合于溧陽筑壩堆石料流變特性的本構模型與參數。施工階段，基于大壩填筑參數和施工進度建立正分析增量模型，進一步進行大壩靜動力有限元計算分析，預測施工期大壩的應力及變形，以便采取相應措施控制大壩不均勻變形。

施工仿真分析結果表明:壩體的變形和應力分布較為復雜；與已建200 m級面板壩實測資料比較，大壩預測變形相對較大，最大沉降為壩高的1.2%～1.4%；面板的撓度為38.3～46.6 cm，相對于面板的長度而言偏大；面板接縫變形相對較大，但最大值基本在設計容許范圍內；連接板無論變形還是應力均較大，計算的最大拉應力已超過2 MPa。

4.2 基于大壩原型監測資料動態反演分析的反饋設計研究

結合大壩實際填筑施工進度，采用適應于面板壩原型資料驗證的增量流變模型，進行大壩施工全過程的動態反演研究，在及時復核大壩實際填筑質量的同時，優化大壩設計填筑方案，指導施工。

計算結果表明:大壩的變形與應力計算結果略小于采用室內流變試驗參數計算值，但變形穩定的時間延長。目前大壩已填筑至263 m高程，壩高達133 m，施工期最大沉降為66.1 cm。

4.3 壩體變形控制措施研究

根據施工期大壩的變形與應力三維有限元分析和監測資料，提出大壩變形控制措施:

（1）改善壩基地形條件。上水庫主壩壩基為兩溝一山脊 “W”地形，且溝和山脊均約17°傾向下游，對壩的穩定和壩體不均勻變形很不利。對壩基地形進行改造的措施包括:①對中部山梁凸起部位進行削坡開挖，形成185m高程平臺，減少壩體在平行壩軸線方向的不均勻沉降。②結合壩基開挖，對中部山梁陡峻基巖坡面進行臺階開挖，在170 m高程形成10 m寬平臺，減少堆石體沿基巖面的下滑力。

（2）185 m高程以下設置增模區。在壩體185 m高程以下、排水區以上部分設置增模區，減少“W”地形和斜坡地形對壩體不均勻變形的影響。采用下水庫庫盆開挖的弱風化～新鮮石料填筑，堆石的最大粒徑600 mm，粒徑小于5 mm的含量控制在不大于20%，小于0.075 mm粒徑含量不大于5%。壓實層厚0.6 m，設計干密度不小于2.18 g/cm3，孔隙率不大于18%。

（3）合理安排預留沉降周期，盡量減少壩體后期沉降。大壩面板必須在壩體填筑完成經過至少6個月的沉降且沉降速率不大于5 mm/月后才能施工。

（4）根據大壩施工期監測成果，調整大壩與庫底預留沉降超高。根據大壩三維有限元計算成果，主壩壩頂和庫底回填區預留沉降超高0～1 m，施工階段根據大壩施工期監測成果，調整大壩與庫底預留沉降超高。

（5）加強兩岸部位施工質量控制和關鍵部位設計。在大壩的兩壩肩部位，由于壩軸線彎曲，導致面板縫的變形較大，壩體動應力也較大。建議加強該部位堆石的施工質量控制，適當增加墊層區的寬度，同時對面板止水結構進行仔細設計，確保大壩運行安全。

5 強震區庫盆動水壓力研究

5.1 堆石料的動力變形特性研究

進行與原型大壩遭遇實際地震相似加載方式的動力三軸試驗，研究堆石體試樣的振動硬化現象，尋求其非線性、滯后性和殘余變形的規律，研究適應大壩堆石體的合理動力本構模型與計算參數，使得面板壩的非線性動力計算具有更為客觀的科學依據。

5.2 強震區抽水蓄能電站的庫盆動水壓力與大壩動力反應研究

考慮庫水可壓縮性和表面波的影響，研究庫盆內水體的自振特性。考慮庫底回填石渣地基、庫岸巖質邊坡能量反射與吸收，研究地震時是否可能發生共振使得動水壓力急劇增大的現象；研究面板壩動水壓力的規律，建立動水壓力數值計算的方法。計算大壩的地震加速度反應、動位移、動應力、震后永久變形以及壩坡動力穩定性，研究動水壓力對抽水蓄能電站面板壩動力反應的影響。

5.3 強震區抽水蓄能電站大壩的極限抗震能力與安全評價研究

對溧陽抽水蓄能電站大壩極限抗震能力進行研究，為采取有效抗震措施、減小高土石壩的抗震風險提供依據。

5.4 抗震工程措施研究

根據抗震研究成果，提出如下壩抗震措施:

（1）地震時面板的動應力與壩高密切相關，上水庫大壩高度大于150 m，地震反應中高震型參與作用強烈，壩的上部地震加速度放大效應顯著，壩體上部變形增大，壩頂部的 “鞭鞘”效應使得面板上部高應力區，在壩高的3/4～4/5附近面板應力最大，在高應力區范圍，面板加強配筋，提高面板雙向配筋率0.1%，以限制裂縫的擴展。265.8～284.5 m高程處設置增模區，在不明顯增加堆石顆粒破碎的前提下，適當提高堆石體的填筑標準，提高壩頂抗震能力。

（2）為提高壩體抗震性能，壩頂防浪墻采成U形。

（3）下游壩坡采用預制混凝土網格梁護坡，提高壩坡抗震能力。

（4）為防止高水位時遭遇地震造成破壞，接縫采用能適應較大變形并具有自愈能力的止水結構。針對溧陽抽水蓄能電站工程上水庫大壩特點，垂直縫盡量多地按照張性縫設計。在受壓的面板區域選擇幾條垂直縫，在縫內填塞有一定強度可壓縮的填充板，可以吸收部分地震中產生的能量，以保證受壓區面板不產生擠壓破壞。

（5）對于墊層，要求具有較好的透水能力，以保證地震時所產生的孔隙水壓力迅速消散。

（6）在地震區修建混凝土面板堆石壩時，應適當放寬壩頂寬度。類比其他強震區工程，溧陽抽水蓄能電站上水庫大壩壩頂寬定為10.0 m，均具有較好的抗震性能。

6 面板防裂措施和連接板結構形式研究

6.1 混凝土面板和連接板抗裂驗算方法研究

考慮鋼筋混凝土的塑性特性，利用子結構原理，進行面板和連接板的開裂計算與分析。高壩面板的變形較大，將面板由目前的偏心受壓的彈性結構處理為承受較大彎曲變形的彈塑性結構，同時進行變形非線性問題研究。

6.2 混凝土面板防裂措施研究

通過混凝土配合比及其性能試驗明確大壩面板設計強度，抗滲、抗凍等設計參數，提出滿足溧陽工程要求的設計配合比。

通過研究面板厚度及分縫寬度，面板配筋率和鋼筋直徑，綜合溫差，混凝土熱膨脹系數等面板抗裂性能影響因素，提出如下面板抗裂措施:

（1）摻聚丙烯纖維混凝土，摻量0.9 kg/m3，提高面板混凝土抗裂能力。

（2）摻加引氣劑、減水劑，降低混凝土水灰比。（3）受壓區面板周邊距縫1 m范圍內設抗擠壓鋼筋，壓性縫內設橡膠板。

6.3 連接板結構形式研究

溧陽工程上水庫采用庫底采用土工膜水平防滲，面板壩趾板 （連接板）不是坐落在基巖上，而是在堆石體上，堆石體最大厚度達70 m，且順軸線向為“W”形，連接板基礎存在不均勻變形。為減少基礎不均勻變形對連接板影響，采用以下措施:

（1）在大壩堆石體填筑完成后澆筑連接板，以便有效減小水庫蓄水時周邊縫連接板的變形和應力。

（2）連接板盡量少設置結構縫或不設結構縫。

（3）連接板配雙層鋼筋。

（4）連接板在大壩堆石體填筑完成后澆筑，以便有效減小水庫蓄水時周邊縫連接板的變形和應力。

7 結語

根據施工階段面板壩開挖現狀、料源實際情況、壩體分區優化等，結合大壩填筑現場的原型監測資料，提出大壩的填筑質量標準，對面板壩施工期和運行期應力應變進行研究與反饋分析，對準確預測大壩的工作性態，指導大壩的運行與管理，確保大壩的安全，具有重大的現實意義。

［1］寧永升.溧陽抽水蓄能電站上水庫工程技術難點及其對策［J］.調頻調峰技術，2013（1）:4-6.

［2］寧永升，胡育林，胡旺興，等.溧陽抽水蓄能電站樞紐布置設計［J］.水力發電，2013，39（3）:29-31.

［3］陳洪來，寧永升，常姍姍，等.溧陽抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩設計及優化［J］.水力發電，2013，39（3）:32-34.

［4］陳寧，祁舵，寧永升.溧陽抽水蓄能電站工程解決建設難點的舉措［J］.水力發電，2013，39（3）:1-5.