水電站鋼筋混凝土面板堆石壩設計實例剖析

洪 流

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550000)

水電站鋼筋混凝土面板堆石壩設計實例剖析

洪 流

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽550000)

以蒙江雙河口電站為例，闡述了鋼筋混凝土面板堆石壩設計中壩頂超高、壩頂寬度、防浪墻高度、壩體斷面分區、壩體防滲結構及穩定，變形計算并進行了基礎處理。

壩體輪廓;防滲結構;穩定分析;變形計算;基礎處理

1 工程概況

蒙江雙河口電站位于貴州省黔南布依族、苗族自治州羅甸縣交硯鄉蒙江干流河段上，壩址位于格凸河與漣江匯口下游約 5 km處，樞紐控制流域面積4 770 km2。

樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、右岸泄洪隧洞、左岸發電引水系統及電站廠房等建筑物組成。

鋼筋混凝土面板堆石壩壩頂長371.086 m，壩頂高程584.3 m，最大壩高99.5 m，上游壩坡1∶1.407，下右壩坡馬道與上壩施工公路相結合，設“之”字型馬道，馬道寬8 m，平均坡降 1∶1.5937。

2 壩體設計

2.1 壩頂超高

2.1.1 壩頂超高計算

實測多年平均最大風速17 m/s;最大風區長度2 km，與壩軸線夾角為50°。壩頂超高 Y計算公式為:

2.1.2 防浪墻頂高程及壩頂高程計算

計算結果見表1。

表1 面板堆石壩壩頂高程

從表1可以看出，壩頂高程的計算最大值為第一種運用條件，防浪墻頂高程為584.6 m。根據初設咨詢后水工模型試驗結果，2 000 a一遇在滿足下泄流量時的校核洪水位為582.12 m，本階段按水工模型試驗進行修正，確定防浪墻頂高程為585.00 m，壩頂高程任取為583.8 m。

2.2 壩體輪廓設計

壩體輪廓設計包括:壩頂寬度、防浪墻高度、上下游壩坡3個方面。

2.2.1 壩頂寬度

本壩為高壩，考慮施工期需滿足面板滑模安裝要求，運行期需滿足交通人行及觀測要求，本工程擬定壩頂總寬10.6 m，凈寬9.6 m。

2.2.2 防浪墻高度

為滿足防浪墻底高于正常蓄水位的要求，選定防浪墻底高程580.1 m，壩頂上、下游側設“L”型鋼筋混凝土防浪墻和擋墻，故防浪墻高選為4.9 m，相應墻底高程處壩寬12.1 m，可滿足面板混凝土滑模施工對澆筑平臺的要求［1］。

2.2.3 上下游壩坡

主堆石區來源于左岸距壩址下游1 km的T2L灰巖夾白云巖料場，因灰巖強度高，屬硬質巖，故上游壩坡設計為1∶1.407。

下游堆石區主要為料場灰巖，考慮利用溢洪道弱風化巖開挖料與料場灰巖分層填筑，綜合平均坡度1∶1.5994，下游壩坡馬道考慮與施工上壩公路相結合，設四層寬8 m，縱坡9%的“之”字形壩后公路，以解決施工及運行期的交通問題。馬道局部坡度1∶1.25，參照類似工程經驗是可行的［2］。

2.3 壩體斷面分區

壩體斷面分區包括:上游鋪蓋及蓋重區、墊層區、過渡區、主堆石區和下游堆石區5個分區。

2.3.1 上游鋪蓋及蓋重區

為封堵面板可能出現的裂縫以及周邊縫缺陷，在上游壩面535.65 m(泄洪隧洞進口引渠底板高程)以下設置土料鋪蓋區，上游坡1∶1.6，頂寬1.5 m，設計工程量為4.54萬 m3，采用壩址黃色砂質土料［3］。

在土料的下游面鋪筑0.3 m厚的粉煤灰緊貼面板與趾板。鋪蓋上游面設蓋重區，利用開挖料作為保護石渣鋪設，蓋重區頂寬4 m，上游坡1∶2。

2.3.2 墊層區

從已建或設計中的工程來看，墊層區寬度約3～5 m。墊層料一般為人工加工料，成本較高，近年來有減薄的趨勢，本工程面板后墊層取水平寬3 m，在趾板下游側設置特殊墊層區，寬度適當加寬至4 m。墊層區在趾板下游延伸0.3～0.5倍壩高的長度:河床30 m、岸坡30～40 m。

2.3.3 過渡區

過渡區為墊層區與主堆石區的過渡區域，本工程取水平寬3 m，底寬6.732 m，頂高至580.1以下。

2.3.4 主堆石區

主堆石區為面板的主要支撐體，在壩軸線上游側除墊層區和過渡區外均為主堆石區，軸線下游側除563.8～507 m為下游堆石區其余均為主堆石區，在507 m以下為主堆石排水區，構成了面板堆石壩的主體［4］。

2.3.5 下游堆石區

經對次堆石的分布位置進行比選后，擬定下游水位高程以上、563.8 m高程以下為下游堆石區，與主堆石區以1∶0.5坡相接。

2.4 壩體防滲結構

壩體防滲結構包括混凝土面板、混凝土趾板和接縫止水3個方面。

2.4.1 混凝土面板

雙河口電站水庫大壩高99.5 m，在高山峽谷地區，兩岸為不對稱的陡邊坡，對面板的要求較高。根據上述原則擬定了該工程面板混凝土的主要特性如表2。

表2 面板混凝土特性指標表

根據現代面板壩的實踐經驗，面板厚度按公式取高限值計算公式為:

式中:T為面板厚度;H為計算斷面至面板頂部的垂直距離。

計算出T=0.3～0.682 m。面板頂部厚度為0.3 m，以下隨面板高度增加而加厚，底部最大水力梯度154.8＜200。與上游壩坡一致面板坡比為1∶407。

面板內布置鋼筋，以承受混凝土溫度應力和干縮應力。面板采用單層雙向鋼筋布置，即在面板截面中部設一層雙向筋，每向含筋率為0.4%，配Φ20間距20 cm的鋼筋網。面板總面積36 546.41 m2，設計方量為16 595 m3。

2.4.2 混凝土趾板

根據規范要求，對弱風化基巖，其容許水力梯度為10～20，對強風化基巖，其容許水力梯度為5～10，趾板寬度按距壩頂1/4壩高以上、1/4～2/4壩高、2/4 ～3/4 壩高、3/4 壩高以下分別為5、6、7、8 m。

趾板厚度擬定考慮滿足自身穩定、固結和帷幕灌漿蓋重，滿足溫度應力和施工等多方面要求，按距壩頂1/4壩高以上、1/4～2/4壩高、2/4～3/4壩高、3/4 壩高以下分別為:0.5、0.6、0.7、0.8 m。

為保證滑模施工起滑段要求，趾板翹頭斜長取2.15 m;為承受混凝土干縮和溫度應力，趾板表面設一層雙向鋼筋，間距為20 cm，直徑為Φ20，每向含筋率0.4%。

趾板用Φ28錨筋(單根長6 m)插入基巖，錨筋間、排距1.5 m。趾板混凝土要求與面板相同C25混凝土，抗滲標號 W10，抗凍標號 F100。趾板總長516.6 m，伸縮縫分縫按12 m分塊，共 45塊，共3 405 m3。趾板后基礎掛網噴混凝土總面積9 960 m2，共1 494 m3。

2.4.3 接縫止水

接縫止水的類型有混凝土面板自身分縫、周邊縫、混凝土面板與防浪墻的水平接縫、防浪墻伸縮縫、趾板伸縮縫。可分為A型受拉垂直縫;B型受壓垂直縫;C型周邊縫;D型伸縮縫;E型水平縫等5種接縫型式［5］。

為使接縫型式能適應壩體變形，采用3種止水措施。接縫處均設置優良止水材料。接縫止水總長4 150 m。

2.5 筑壩材料

過渡料采用專門開采的細堆石料，水平頂寬3 m，底寬6.732 m，頂高至防浪墻底高程［6］。選用料場人工破碎灰巖料為過渡料，設計工程量為9.79 萬 m3，設 計 干 容 重 為 2.179 g/cm3，孔 隙率19.00%。

其dmax=300 mm，P5=20～30%，P0.075＜5%。初擬填筑層厚40 cm，碾子重20 t，碾壓8遍，加堆石體積20% ～25%左右的水量。滲透系數2×10-2～9×10-2cm/s。主堆石料設計工程量為133.7萬m3，設計干容重為2.152 g/cm3，孔隙率20%。

3 設計計算

3.1 穩定分析

已建工程的壩坡多為1∶1.3～1∶1.4，本工程壩體上游壩坡1∶1.4，下游綜合壩坡1∶1.5994，故本階段未進行壩坡穩定分析計算。趾板厚度0.5～0.8 m，未超過2 m厚度，根據規范規定，可不進行趾板穩定分析計算。

3.2 變形計算

3.2.1 壩頂沉降值估算

估算沉降值計算公式:

式中:S2為待建壩的預計沉降值;S1為已建壩原型觀測的壩頂沉降值;E2為待建壩的變形模量，根據巖石試驗報告取;E1為已建壩的變形模量;H2為待建壩的壩高;H1為已建壩的壩高。

計算中，已建壩選用澳大利亞的塞沙那壩，計算結果見表3。

表3 壩頂沉降量估算表

由表3可知，蓄水期壩體沉降量為0.223 m，為總沉降量0.986 m的22.6%，說明壩體垂直變形主要發生在施工期。

3.2.2 垂直沉降值估算

施工期壩體自重引起的垂直沉降值的計算公式為:

式中:S為計算點的垂直沉降值，m;H為壩體總高度，m，H=99.5 m;h為計算點離建基面的高度，m;Erc為堆石體的平均變形模量，70 000 kN/m2;γd為堆石體密度，2.15 kN/m3。

大壩河床最大橫剖面壩軸線上各點施工期的垂直位移值計算成果見表4。

表4 壩體施工期垂直位移計算成果 m

由表4可知，施工期壩體沉降量沿壩高呈拋物線分布，在壩體高度中部沉降量最大，Smax=0.749 m，建基面及壩頂的沉降量為0。

3.2.3 面板撓度的估算

計算公式為:

式中:H為壩體高度，99.5 m;Erc為堆石體的平均變形模量，MPa，70 MPa;δ為面板撓度，m。

計算結果:δ=14 cm。

經過經驗公式計算，大壩壩頂最大沉降0.763 m，蓄水后沉降 0.223 m，總沉降量 0.986 m，面板最大撓度14 cm。

4 基礎處理

4.1 壩基開挖及左右岸壩肩開挖邊坡處理

開挖區的具體處理措施為:開挖面和馬道噴10 cm厚C20混凝土，馬道內側留40 cm×40 cm的排水溝，將積水排向上游庫區。在穩定坡面沿垂直層面方向按4 m間距梅花形布置長6 mΦ25錨桿［7］。

4.2 壩基處理

在趾板與基巖連接部位，為了提高趾板基礎的整體性，提高抗沖蝕能力，需進行固結灌漿，充填基礎中的張開裂縫，并回填混凝土。

固結灌漿孔共三排，孔距3 m，排距3 m，矩形布置，孔深6 m。為防止堆石覆蓋后引起塌陷，運行期形成滲漏通道，在壩坡范圍內的勘探平洞用混凝土回填［8］。

4.3 帷幕灌漿

4.3.1 帷幕布置

河床段帷幕線沿趾板布置，線長481.453 m，河床部位帷幕深度為41 m。

鑒于左壩肩巖體單薄，小寨沖溝斜坡段風化深度較厚，為確保工程安全，仍需加強左岸帷幕防滲處理。

左岸由趾板向岸坡延伸149.763 m，帷幕防滲線軸線方位N40.194°E，右岸由趾板沿溢洪道堰基以軸線方位N57.5°E向山體延伸100.751 m。帷幕線總長731.967 m，總灌漿進尺20 967 m，其中有效進尺17 735 m。

4.3.2 灌漿設計

帷幕灌漿的目的在于減少壩基和兩岸的滲透流量，增強巖體的抗滲能力和抗沖蝕能力。為防止產生滲透變形破壞，考慮趾板510高程以上至壩頂為單排，孔距1.5 m，左岸壩頂至岸坡帷幕線為兩排，孔距2 m，排距1.5 m。

根據壩高及等級，帷幕體及灌漿后基巖的ω≤L/(min·m·m)。帷幕灌漿在兩岸壩肩的延伸點要達到水庫正常蓄水位與滲透剖面中相對不透水層的交匯點，或與蓄水前地下水位線的相交點。

5 結語

在對水電站鋼筋混凝土面板堆石壩的設計中，應該嚴格遵守相關規范，并且與實際工程相結合，才能對鋼筋混凝土面板堆石壩進行合理的設計，確保工程質量合格。

［1］陳映堅，顧淦臣.鋼筋混凝土面板堆石壩動力反應計算［J］. 巖土工程學報，1987，9(01):34-44.

［2］楊志宏，胡平.金華水電站鋼筋混凝土面板堆石壩設計［J］.四川水利，1999，20(05):27-30.

［3］周明德.新型鋼筋混凝土面板堆石壩［J］.水電站設計，1986(02):107-111.

［4］謝國勇.鋼筋混凝土面板堆石壩的設計與施工［J］.黑龍江水利科技，2013，41(03):92-94.

［5］朱偉林.廣蓄電站上庫鋼筋混凝土面板堆石壩的設計［J］.水力發電，1993(07):22-27.

［6］陳曉東.八都水庫鋼筋混凝土面板堆石壩的監理［J］.浙江水利科技，1999(S1):77-78.

［7］邵松桂.鋼筋混凝土面板堆石壩面板應力應變研究［J］.巖土工程學報，1989，11(05):32-37.

［8］毛文舉，張琪，申南龍.淺談鋼筋混凝土面板對十八設計與施工的幾個問題［J］.黑龍江水利科技，1999，27(02):60-61.

Analysis on Design Example for Reinforced Concrete Face Rockfill Dam Hydropower Station

HONG Liu
(Guizhou Province Water Conservancy ＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550001，China)

Taking Shuangkou Hydropower Station as an example，the design of crest superelevation，crest width，wave height，dam zoning，impervious structure of dam and stability，deformation calculation for the reinforced concrete face rockfill dam is described，and foundation treatment is conducted.

dam outline; anti-seepage structure; stability analysis; deformation calculation;foundation treatment

TV641

A

1007-7596(2014)06-0046-04

2013-12-20

洪流(1981-)，男，貴州銅仁人，工程師，從事水利水電建筑工程設計工作。