高碾壓混凝土重力壩設計方法

袁曉華

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽551000)

1 工程概況

石橋水庫工程位于貴州省六盤水市盤縣石橋鎮，距縣政府所在地紅果鎮直線距離約20 km。石橋水庫所在的紅巖河為黃泥河的支流。黃泥河為珠江流域西江水系南盤江左岸的一級支流。工程區所在地距盤縣石橋鎮約6 km，距威箐站5 km(壩址處最近的火車站)，距紅果的公路距離約為43 km，交通較為方便。

樞紐布置根據水文、地形地質條件，推薦壩址采用常態混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩方案兩種壩型進行比較。

樞紐建筑物主要考慮攔河大壩、泄洪建筑物、取水設施及下放環境水設施等相互之間的協調及上壩交通等。

2 碾壓混凝土重力壩設計

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)第2.1.1 款的規定，盤縣石橋水庫工程總庫容＜1 000 萬m3，水庫樞紐水庫最大壩高55.5 m，正常蓄水位1 544.00 m，相應庫容544 萬m3，校 核 洪 水 位1 545.13 m，總 庫 容593 萬m3，可供水量為831 萬m3/a，為小型水庫［1］。由于大壩為中高壩，壩軸線也不長，考慮不設縱縫，只設橫縫，在大壩壩身設4 條橫縫，將壩體分為5個壩段，壩段長度18 ～35 m不等，橫縫上游面設置一道銅片止水。

按《混凝土重力壩設計規范》(SL319—20053)計算確定壩頂高程1 546 m，大壩為碾壓混凝土重力壩壩，壩頂總長148.3 m，壩頂寬度4 m，非溢流壩段下游壩坡1∶0.7，上游壩折坡1∶0.15。

大壩基礎置于弱風化巖體上部，河床壩段建基面高程1 492 m，最大壩高56 m。非溢流壩段在溢流壩兩側及兩岸，上游壩坡1∶0.15，折坡點高程1 516.0 m，下游平均壩坡1∶0.7，為方便碾壓施工，下游面采用臺階式。

壩體內部用C10 三級配碾壓混凝土，迎水面依次為C20 二級配變態混凝土護面厚300，C20 二級配碾壓混凝土防滲層厚度1.5 ～3.0 m，壩體河床段建基面設C15 混凝土墊層厚1.0 m。

壩內1 509.00 m高程設有灌漿兼排水廊道，兩岸通過斜廊道升至1 516.00 m 高程，與壩后交通連接［2］。

壩體抗滑穩定根據有關物理力學指標用抗剪公式計算，在基本荷載組合下，安全系數≥1.05，在特殊荷載組合下，安全系數≥1.0。基本組合抗剪斷系數＞3.0，特殊組合抗剪斷安全系數＞2.5。

實體重力壩應力計算采用材料力學法進行計算，應滿足下列要求:

1)壩基面垂直正應力應小于砌體容許壓應力。

2)壩基面最小垂直正應力應為壓應力。

3)壩體混凝土采用C10 三級配碾壓混凝土，其允許承載力為3.38 MPa。

4)壩基開挖至微風化上部巖體，其允許承載力為3 MPa［3］。

3 碾壓混凝土重力壩和常態混凝土拱壩在施工中的應用

從工程建設條件、樞紐布置等方面對中壩址兩布置方案進行對比分析:

根據地表地質調查壩區巖體層間無軟弱夾層分布。壩基巖體屬于中硬巖類。P1m1為中厚層狀的白云質灰巖，巖體裂隙結構面中等發育，多閉合，巖體較完整，強度較高，抗滑、抗變形能力較強，壩址區不存在緩傾角裂隙面，壩基抗滑穩定性較好。拱壩及重力壩兩種壩型各有一定優勢，但差異不大，均具備建壩條件［4］。

拱壩的受力特點是兩壩肩巖體為主要的持力層，本工程壩址處左壩肩地形坡度約30 ～40°，地層巖性為二迭系茅口組中至厚層狀的白云質灰巖、灰巖，基巖裸露，為巖質邊坡，巖層產狀120∠3°，屬斜向坡，自然邊坡總體穩定。

右壩肩地形坡度30 ～50°，地層巖性為二迭系茅口組中至厚層狀的白云質灰巖、灰巖，巖層產狀300∠6°，屬斜向坡，自然邊坡總體穩定。

從地質角度出發，壩址區兩壩肩的巖體完整、強度較高、抗滑(變形)能力強，對拱壩的抗滑穩定和抗變形都有利［5－7］。常態混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩在施工中的對比見表1。

表1 常態混凝土拱壩方案與碾壓混凝土重力壩在施工中的對比

4 溢洪道的設計與消能方式

從溢洪道的角度來看，在常態混凝土拱壩方案中，結合擋水壩型為拱壩，對壩頂溢洪道優先考慮。從地形看壩身不宜布置過大的溢流寬度，結合下游河道走勢及其它建筑物的布置，上游水庫淹沒影響等，溢洪道采用3 孔7 m×5 m(寬×高)的閘門控制。溢流凈寬為21m，堰頂高程1539m。溢洪道布置在壩身河床段，由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長13.57 m。

溢流堰采用WES 冪曲線，曲線方程為y =0.123X1.85，下游采用挑流消能，反弧半徑為6.0 m，挑射角為10.0°，挑流鼻坎頂高程1 533.965 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土澆筑，閘墩、導墻、溢流頭內部均采取C20 混凝土，閘墩頂部設C25 混凝土交通橋連接大壩兩端［8－9］。

在碾壓混凝土方案中，根據地形地質條件，將溢洪道布置在壩身河床段，在大壩的中部，溢洪道采用3 孔7 m ×5 m(寬×高)的閘門控制。溢流凈寬為21m，堰頂高程1 539 m。溢洪道由上游面曲線、下游面曲線和下游反弧挑流消能段組成，總長40.463 m。

溢流堰采用WES 冪曲線，曲線方程為y =0.1159X1.85，下游采用挑流消能，反弧半徑為20.0 m，挑 射 角 為 15.0°，挑 流 鼻 坎 頂 高程1 514.821 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土澆筑，閘墩、導墻、溢流頭內部均采取C20 混凝土，閘墩頂部設C25 混凝土交通橋連接大壩兩端。

5 碾壓混凝土重力壩設計中的難點分析

拱壩施工中為了防止壩體混凝土發生深層和貫穿性裂縫，除提高抗裂性能外，施工時應通過實驗確定混凝土水灰和外摻劑的用量，以最合理的方式降低混凝土的水化熱。

在安排澆筑進度時，要以較理想的澆筑上升速度均勻上升，參考國內已建成工程的經驗，一般以0.9 m ～1.5 m /d的速度較為理想。

選擇最合適的開工時期，使壩體最厚部位在低溫季節施工，參考省內已建工程，黑龍江省較合適的開工時期定為10—3月。

計算中按不同季節所澆的各層混凝土所達到的最高溫度及最終穩定溫度(此項應根據實驗數據進行計算)。以便對混凝土的施工溫度進行有效控制［11］;參考已建工程溫度控制標準為:

1)基礎允許溫差為13 ～18 ℃。

2)內外溫差為15 －21 ℃。

3)上下層溫差為15 ～20 ℃。

本工程溫控措施主要采用以下3 方面來控制:

1)減少混凝土發熱量:采用發熱量較低的低熱水泥或中熱水泥，根據試驗結果，摻和適量的粉煤灰，減少水泥用量，降低水化熱［10］。

2)降低混凝土入倉溫度:①施工時盡可能利用在秋、冬、春三個季節施工;②在高溫季節采用灑水降溫、地漏取料等措施，以降低混凝土入倉溫度。

3)采取加速混凝土散熱方式:主要是采用埋設混凝土冷卻水管，施工時在混凝土澆筑層面埋設Φ20 ～25 mm 的薄鋼管，鋼管水平間距按1.5 m 控制［11］，混凝土層面按1.5 m控制。在混凝土澆筑4h后開始自下而上通水冷卻。

6 結 語

石橋水庫工程的高碾壓混凝土重力壩設計中，所包括的幾個重大技術問題，如論溢洪道設計、論溢洪道消能方式的選擇、發電廠房的優化設計等方面，并在工程設計中，充分利用先進科技，并對其施工經驗進行總結，確保工程建設能夠順利進行。

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