布西碾壓混凝土拱壩設計

□楊均芳(貴州省水利投資有限責任公司黔中水利樞紐工程公司水源建管部)

1.概況

1.1 工程概況

布西水電站工程位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內，是雅礱江右岸一級小支流—鴨嘴河的“龍頭”電站。電站為ⅠⅠ等大（2）型工程，攔河大壩壩高161m，為1級建筑物，水庫總庫容為2.18億m3，電站裝機容量2.0萬kW，水庫正常蓄水位為3300.0 m，設計洪水位為3300.47 m，校核洪水位3301.13 m。設計洪水標準為100年一遇，非常運用的校核洪水標準為1000年一遇，地震基本烈度7°，大壩設防烈度8°。樞紐主要由碾壓混凝土拱壩及右岸引水發電洞和廠房等建筑物組成。

1.2 壩址地形地質條件

布西水電站壩址河谷呈基本對稱的“U”型峽谷，鴨嘴河在該壩址段基本呈東西向，河道較順直，比降約10‰，谷底寬度25～35 m，高程3161～3170 m，兩岸山體雄厚，地形陡峭，山頂與河床相對高差達300～350m。左岸邊坡上緩下陡，局部近直立；右岸上陡下緩，局部為倒坡。壩址處河床基底寬約50～55 m，上游較寬闊，下游狹窄，河床基巖面高程3155～3160m。

壩址處河床上部覆蓋層為砂卵石層和崩塌的塊石層，覆蓋層厚度為6～16m，巖性成分較雜，為強透水層。基巖為大理巖和變粉細砂巖。大理巖呈堅硬巖，整體～塊狀結構，完整性較好，無斷層通過；變粉細砂巖為層狀結構，斷層不發育，裂隙較發育。大理巖和變粉細砂巖巖石強度均較高，為堅硬巖石。

2.樞紐布置

布西壩址處河谷深切，兩岸基巖裸露，河谷形狀呈“U”型，基本對稱，河谷寬高比1:4，適合修建拱壩。依據工程規模和壩址處的地形地質條件，并結合考慮工程施工條件及建筑材料等具體情況，布西壩址樞紐由碾壓混凝土拱壩和引水發電系統組成。樞紐布置見圖1。

碾壓混凝土拱壩采用三圓心雙曲中厚拱壩，壩頂高程3302.00 m，壩高161m。壩頂中間部位設泄流表孔，徑向布置，基本順應河道主流方向。表孔溢流采用單孔，孔寬8m，堰頂高程3295.00 m設計洪水下泄流量193 m3/s，校核洪水下泄流量228m3/s。為保證壩的安全，在遇到壩體出現險情的情況下，以便放空水庫，對大壩進行加固處理，在壩體下部設置放空底。放空底孔緊靠泄流表孔的左側徑向布置，進、出口高程3190.00m，孔底水平，進口尺寸2.5m×3.0m。正常蓄水位時最大泄流量245 m3/s，可在2周內放空水庫。

圖1 布西壩址樞紐布置圖

3.壩體設計

3.1 體型設計

布西碾壓混凝土拱壩采用三圓心雙曲中厚拱壩。壩頂高程3302.0m，壩基最低點高程為3141.00 m，最大壩高161.00m，壩頂寬6 m，壩底寬33 m，壩體厚高比0.228，壩頂長度262 m，弧高比1.63。壩體3157.00m高程以下至大壩基礎3141.0m為16 m厚的混凝土墊座，墊座順河向長度48m。

3.2 筑壩材料

布西壩址天然混凝土骨料區有鴨嘴河料場和布西橋料場，天然混凝土骨料質量較差。人工骨料選于布西壩址下游兩岸壩頂高程以上的大理巖，人工骨料各項指標滿足規范要求，可作為碾壓混凝土拱壩筑壩材料。

碾壓混凝土拱壩粉煤灰和水泥用量大，工程所在地距離水泥供應地—西昌市較遠，運送難度相對不大；距離粉煤灰供應地—西昌市（或攀鋼）較遠，運送難度相對較大。但整體來講，修建碾壓混凝土拱壩是可行的，是經濟的。

根據國內工程成功經驗，拱壩碾壓混凝土壩體材料采用R90C20三級配碾壓混凝土；壩體上游防滲層采用R90C20二級配富膠凝碾壓混凝土，在靠近上游壩面0.5m寬度范圍內采用變態混凝土；壩體基礎墊座和大壩與兩岸坡巖體連接處墊座采用C20常態混凝土；泄流表孔、放空底孔、壩頂防浪墻及上部結構采用C25常態混凝土。

3.3 溫度控制

碾壓混凝土拱壩控制混凝土澆筑溫度不高于18℃。布西壩址區月平均氣溫最低月為1月（-2.2℃），月平均氣溫最高月為7月（13.6℃），因此碾壓混凝土可全年澆筑。當日平均氣溫高于25℃時，可采取地垅取料，倉面噴霧，混凝土運輸車加蓋防曬棚等綜合措施來保證其澆筑溫度不超過澆筑溫度；當日平均氣溫低于3℃時，應采取延長拆模時間，表面鋪蓋保溫材料等措施。

4.基礎處理

4.1 壩基處理

大壩基礎坐落在弱風化～微風化上部的基巖上，即挖除全部的河床覆蓋層、強風化巖石和大部分弱風化巖體。考慮到開挖可能使壩基巖石松動，為了保證大壩基礎的整體完整性和承載能力，對壩基巖體進行固結灌漿處理，灌漿孔深8.0 m，孔距3.0 m，梅花形布置。

為改善拱壩壩體應力，合理利用地形條件，減輕河床深槽下部開挖和施工難度，在河床底部中間設置常態混凝土墊座，墊座厚度16m，底高程3141.0m。為保證拱壩壩肩與兩岸巖體連接的可靠性，并考慮到壩肩固結灌漿的需要，在壩肩與兩岸巖體之間設置1.0m厚的常態混凝土墊座。

對于拱壩兩壩肩范圍內的不利結構面，尤其是軟弱結構面做混凝土換填處理，并進行接觸灌漿。為提高壩基接觸面強度，防止沿基礎接觸面滲漏，并增強表層固結灌漿效果，須進行接觸灌漿。由于拱壩兩岸壩坡較陡，接觸灌漿在混凝土和巖體接觸面及基巖中開挖置換混凝土的接觸面上進行。

4.2 壩肩處理

拱壩兩拱肩巖體三組裂隙將巖體切割為楔形體，形成不利的結構面組合，對拱肩穩定不利。經計算分析，需對兩岸坡進行錨固處理，兩岸坡各設100 t級預應力錨索50根，9 m長φ32錨桿100根。

另外，由于布西壩址處兩岸坡陡峻，為了減小拱壩兩壩肩的開挖，避免形成高邊坡，在拱壩壩頂與兩岸坡相接處不進行削坡處理，設計初步考慮在壩肩開挖9 m×7 m馬蹄形隧洞，對隧洞進行噴錨。右岸隧洞可與壩肩灌漿隧洞和上壩交通道路相連接。

5.防滲及排水

5.1 防滲

壩體防滲體采用二級防滲配碾壓混凝土，該種防滲方式施工方便，干擾少，施工質量較易保證，是國家“八五”科技攻關項目最重要的研究成果之一。

壩體防滲體頂部高程為3302.0 m采用厚度2.0 m，向下逐步加寬，防滲體上游面鉛直為壩體上游面，下游面逐步加寬，在3157.00 m高程寬度為12 m。為了高壩的安全性，在死水位3235.00 m以下還采用LJP型合成高分子防水涂料作為壩體輔助防滲措施。

為壩基滲透穩定，在拱壩基礎進行帷幕灌漿。在拱壩基礎3240.0m高程以下高程防滲采用雙排孔灌漿帷幕，在河床中間段帷幕最大深度30 m，左岸岸坡段帷幕最大深度80 m，右岸岸坡段帷幕最大深度60m。帷幕灌漿孔排距1.5m，孔距2.0m。在拱壩基礎3240.0 m高程以上高程防滲采用單排孔灌漿帷幕，左、右岸岸坡段帷幕最大深度60m，灌漿孔孔距2.0 m。帷幕灌漿可通過布置在3150.0m，3195.0m，3240.0m和3280.0m高程4層的灌漿平洞和兩壩肩的灌漿平洞內進行。

5.2 排水

為及時降低壩體滲透壓力，排除滲透水流，在壩體內設排水系統。壩體排水管設在二級防滲配碾壓混凝土后，設計采用無砂混凝土排水管。排水管將壩體排水匯集到基礎灌漿及排水廊道的集水井內，用水泵將集水抽排到壩體外。

為減小壩基揚壓力，提高壩基穩定性，在灌漿帷幕后設置排水孔，排水孔孔距2.0m。在河床中間段排水孔最大孔深20 m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深50m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深40m。

6.壩體結構

根據灌漿、大壩觀測、排水及交通需要，按照簡化壩體、集中布置的原則，分別在3150m，3195m，3240m和3280m高程布置4層多功能水平廊道，在壩內設置2.0m×2.0m的方形交通豎井與各層水平廊道連同。

水平廊道設置在二級配防滲碾壓混凝土后，在壩體內3195 m，3240 m和3280 m高程，其功能為觀測、排水及交通的洞段，其斷面為2.0m×2.5m，其與壩坡灌漿平洞相連接。3150m高程和兼顧灌漿功能的洞段，其斷面為3.0 m×3.5 m。由于壩體較高，考慮在交通豎井內設電梯1部，以方便交通。

7.結語

經過精心的設計過程和嚴密的施工控制，該大壩最終體型定格為壩頂高程3302.00 m，壩頂上游側設1.0 m寬的人行道和1.2 m高的防浪墻，人行道高出壩頂20cm；壩頂下游側設1.05m高的鋼欄桿。符合相關規程規定和使用標準。