長河壩水電站礫石土心墻堆石壩設計

張　丹，　何 順 賓，　伍 小 玉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

?

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩設計

張丹，何 順 賓，伍 小 玉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高240 m，壩基覆蓋層最深約53 m，工程場地地震基本烈度為Ⅷ度。針對大壩“壩高高、地震烈度高、工程等別高及壩基覆蓋層深厚”的特點和難點，進行了大量的專門研究工作，在壩體結構設計、壩基處理設計、筑壩材料設計及抗震設計中采取了一系列有針對性的措施，保證了大壩安全可靠。

關鍵詞：長河壩水電站；礫石土心墻堆石壩；結構設計

1工程概述

長河壩水電站工程的主要任務為發電，樞紐建筑物主要由礫石土直心墻堆石壩、左岸引水發電系統、右岸2條開敞式進口溢洪洞、1條深孔泄洪洞及1條放空洞組成。礫石土直心墻堆石壩建造于深厚覆蓋層地基上，最大壩高240 m，壩基覆蓋層最深約53 m。

2壩址區工程地質條件

長河壩水電站區域地質構造背景復雜，場址地震基本烈度為Ⅷ度。大壩抗震設防類別為甲類，按Ⅸ度抗震設防。根據地震安評成果，大壩的設計地震取基準期100 a內超越概率P100為0.02的基巖峰值加速度為0.359 g，校核地震取基準期100 a內超越概率P100為0.01的基巖峰值加速度為0.43 g。

壩址處大渡河流向由南東轉為南西，形成一個90°的河灣。壩軸線附近河谷相對開闊，呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右，左岸1 590 m高程以下坡角一般為60°～65°，1 590 m高程以上坡角一般為40°～45 °；右岸1 660 m高程以下坡角一般為60°～65°，1 660 m高程以上坡角一般為35°～40 °；枯水期河水面寬110～120 m，水深3～5 m。正常蓄水位1 690 m高程對應谷寬459 m，岸坡中沖溝較發育。

壩址區巖體為晉寧期-澄江期的侵入巖，其巖性以花崗巖(γ2(4))、石英閃長巖(δ02(3))為主。壩址區河谷深切，谷坡陡峻，天然地應力較高，河谷強烈下切導致谷坡向臨空方向產生較強烈的卸荷。已有探洞揭示強卸荷水平深度多達30 m以上，局部可達65 m。

壩基河床覆蓋層厚度為60～70 m，局部達79.3 m，結構較復雜，自下至上由老至新分為3層：第①層：漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②層：含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布在河床覆蓋層中部及一級階地上，②層中上部廣泛分布②-C砂層，厚度為0.75～12.5 m，頂板埋藏深度3.3～25.7 m，為飽水的少粘性砂土；第③層：漂(塊)卵礫石層(alQ42)，厚度為4～25.8 m。

3大壩設計

3.1壩體斷面分區設計

礫石土心墻堆石壩壩軸線走向為N82°W，壩頂高程1 697 m，壩底高程1 457 m,最大壩高240 m，壩頂長502.85 m，上下游壩坡均為1∶2，壩頂寬度為16 m。

心墻頂高程1 696.4 m，頂寬6 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，底高程1 457 m，底寬125.7 m，約為水頭的二分之一。心墻在左右岸從高程

1 457～1 696.4 m順河流向上下游各加寬10～0 m，各高程垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收縮。為了防止靠兩岸側心墻因大變形而開裂，在心墻與兩岸基巖混凝土蓋板之間鋪設了高塑性粘土，左岸1 597 m、右岸1 610 m高程以上水平厚度為3 m，以下水平厚度為4 m。

在心墻上、下游側均設置了反濾層。上游設置的一層為反濾層3，厚度為8 m；下游設置兩層反濾層，分別為反濾層1和反濾層2，厚度均為6 m。心墻底部在壩基防滲墻下游亦設置了厚度各為1 m的兩層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接。在心墻下游過渡層及堆石與河床覆蓋層之間設置了反濾層4，厚度為1 m。上、下游反濾層與壩殼堆石間均設置過渡層，水平厚度均為20 m。在堆石與兩岸巖坡之間設置了厚3 m的水平岸邊過渡層。

上游壩坡高程1 530.5 m以上采用大塊石護坡，護坡厚度為1 m。下游壩坡采用干砌石護坡，護坡厚度為0.8 m。上游圍堰包含在上游壓重之中，上游壓重頂高程為1 530.5 m。在下游壩腳處填筑壓重，頂高程為1 545 m，頂寬30 m。

3.2壩基處理設計

壩址區河床覆蓋層結構較復雜，3層覆蓋層均具有較高的承載力、低壓縮性、強透水性和抗剪強度。覆蓋層作為高礫石土心墻堆石壩地基主要存在以下問題：

(1)地基承載強度與變形穩定。

該覆蓋層地基總體為漂(塊)卵礫石層，粗顆粒基本構成骨架，結構較密實，其承載強度和抗變形能力均較高，可以滿足基礎承載變形要求。但由于覆蓋層結構不均一，其中有分布較廣的②-C砂層(含泥(礫)中～粉細砂)。該砂層對覆蓋層地基的強度和變形影響較大，存在不均勻變形問題。

(2)地基滲漏與滲透變形穩定。

壩基覆蓋層漂(塊)卵礫石層滲透系數K=8×10-2～2×10-1cm/s，具強透水性；②-C砂層滲透系數K=6.86×10-3cm/s，具中等透水性。漂(塊)卵礫石顆粒大小懸殊，結構不均一，允許滲透坡降J=0.1～0.15，局部存在架空部位J=0.07；砂層允許滲透坡降J=0.2～0.25，滲透坡降較低，抗滲穩定性差，易產生管涌破壞；此外，河床覆蓋層具多層結構且夾有砂層，由于其滲透性的差異，有產生接觸沖刷的可能性，存在滲漏和滲透變形問題。

(3)地基抗滑穩定。

壩基覆蓋層結構總體較密實，抗剪強度較高，φ=28°～32°，但河床覆蓋層中②-C砂土層抗剪強度較低，φ=21°～23°。在地震工況下，因砂土動強度降低可能引起通過砂層弱面的失穩，對壩基抗滑穩定不利。

(4)砂層液化。

壩基覆蓋層中分布較廣的②-C砂層為第四紀全新世Q4地層，具有中等壓縮性及較弱的滲透性。砂層在天然狀況下初判為可能液化砂，經過標貫、相對密度、相對含水量和液性指數、振動液化試驗等復判，均認為該砂層天然狀況下為可液化砂層。三維有限元法壩體壩基動力分析認為，建壩后在壩腳一定范圍內該砂層仍發生液化，且在地震作用下砂層的強度有較大程度地衰減，采用砂層動強度復核下游壩坡穩定，其危險滑弧通過砂層且抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，因此，②-C砂層作為大壩地基需進行工程處理。

針對上述問題，采取了以下壩基處理措施：

為減小心墻的沉降和變形，增加大壩的抗震安全性，將心墻及反濾層底部的砂層予以全部挖除。該區域大部分②-C砂層底部高程為1 457 m，為減少不均勻沉降變形的產生，將河床部位心墻和反濾層底部覆蓋層開挖保持在同一高程(1 457 m)。上下游壩殼堆石體和過渡層在河床部位建于覆蓋層③層漂(塊)卵礫石(alQ42)與②層含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)上，粗顆粒基本構成骨架，結構較密實，其承載和抗變形能力均較高，可滿足基礎承載變形要求。對壩殼地基中分布的②-C砂層進行挖除處理；在未分布砂層部位，對其覆蓋層表層的淤泥質、松散堆積物、腐植土等進行挖除，將陡坎、出露較大的孤石等挖除，以保證壩基平緩，避免出現較大地起伏。

兩岸壩肩巖體均為弱風化強卸荷花崗巖，巖體堅硬、可灌，可作為心墻基礎。心墻建基面開挖在保證坡度以及變坡時的變換角度滿足規范要求、順河向盡量平順的前提下，盡量考慮減少其開挖量。由于地形起伏大，左岸最大水平開挖深度約為35 m，右岸最大水平開挖深度約為40 m。堆石區基巖地基采取將1～2 m植物根系較多的表層巖石以及松動、突出的巖塊和局部風化嚴重的巖石予以清除、對突變和負坡部位進行開挖整理平順的措施。過渡層基礎則由反濾層基礎與壩殼基礎通過1∶1的斜坡過渡連接。

為改善心墻沉降并增強覆蓋層的抗滲性能，對心墻底部的覆蓋層壩基進行固結灌漿(深5 m)。為防止在心墻與壩基接觸部位產生接觸滲流和沖刷，在心墻基巖開挖面設置了一層厚度為0.5 m的鋼筋混凝土板，采用錨筋將混凝土板錨固在基巖上。由于巖體卸荷強烈且開挖爆破亦會破壞巖體表層的完整性，故對心墻部位兩岸強卸荷基巖采用固結灌漿處理以封閉較發育的節理、裂隙，提高基巖的完整性、降低其透水性，提高抗滲性能。左岸固結灌漿深15 m，右岸深10 m。

河床部位心墻地基挖除②-C砂層后還余厚度約為53 m的覆蓋層，其具有強透水性，故采用兩道全封閉混凝土防滲墻進行防滲，兩墻之間的凈距為14 m，形成一主一副的布置格局。主防滲墻厚1.4 m，布置于壩軸線平面內，通過頂部設置的灌漿廊道與防滲心墻連接，防滲墻與廊道之間采用剛性連接。副防滲墻厚1.2 m，布置于壩軸線上游，與心墻間采用插入式連接，插入心墻內的高度為9 m。

防滲墻底以下及兩岸強透水基巖的防滲均采用灌漿帷幕，以基巖透水率q≤3 Lu作為相對不透水層界限，灌漿帷幕深入相對不透水層的深度不少于5 m。為減小兩岸繞墻滲漏，提高副防滲墻承擔水頭的比例，對副防滲墻周邊的強卸荷巖體進行了帷幕灌漿，并在副防滲墻帷幕和主防滲墻帷幕之間設置了連接帷幕。

3.3筑壩材料設計

礫石土心墻堆石壩壩體填筑總量約為3 400萬m3，其中：礫石土心墻料430萬m3，高塑性粘土20萬m3，反濾料167萬m3，過渡料246萬m3，堆石料2 318萬m3，壓重體料207萬m3。

3.3.1防滲礫石土料

鑒于該大壩壩高、壩基覆蓋層深厚，故要求大壩心墻料在具備較強防滲抗滲性能的同時具有較高的強度，以控制大壩的變形量，為此，對心墻的細粒含量(特別是粘粒含量)、粒徑大于5 mm的顆粒含量(P5含量)及壓實參數進行了嚴格控制。

對于心墻防滲礫石土料，要求其最大粒徑不宜大于150 mm和鋪土厚度的2/3，粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜超過50%且不宜低于30%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不應少于15%，粒徑小于0.005 mm的顆粒含量不少于8%，顆粒級配應連續。心墻料鋪料厚度為30 cm，26 t振動凸塊碾靜碾2遍后振碾12遍，碾后要求全料壓實度不小于97%，細料壓實度不小于100%，滲透系數應不大于1×10-5cm/s，抗滲透變形的破壞坡降應大于5，其滲透破壞型式應為流土。

防滲礫石土料開采自大壩上游湯壩土料場，湯壩土料場位于壩區上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距壩址22 km，開采條件較好。料場分布高程2 050～2 450 m，面積為72萬m2，有用料總儲量約為860萬m3，約有460萬m3土料剔除超徑石后可直接上壩填筑，其余土料則偏粗或偏細。經多次摻配試驗研究后，偏粗料和偏細料按一定比例摻配后可滿足上壩要求。

心墻與兩岸連接部位及副防滲墻插入段和廊道與心墻連接部位的高塑性粘土取自大壩下游瀘定縣城對岸的海子坪，距壩址約70 km。高塑性粘土最大粒徑宜小于5 mm，粘粒含量應大于25%，塑性指數應大于15。

3.3.2反濾料

心墻下游面和底部的反濾層1及反濾層2位于滲流出口處，對土石壩的安全起著關鍵作用。為確保防滲體不致于發生滲透破壞，設計時特別注意增強了該部位“關鍵性反濾”的可靠性。當水位降落時，心墻流向上游的水力坡降一般較小，滲水量、流量與流速也很小，因此，適當簡化了上游反濾層的設計以降低工程造價并便于施工，在滿足反濾準則的前提下，在上游側設置了反濾層3。按照反濾準則，初步設計反濾料級配，最終通過試驗優化確定反濾料級配。由于壩址附近的天然砂礫石料場規模小，分布零散，儲量不能滿足要求，故反濾料全部采用人工骨料。

按反濾準則設計并經試驗論證后的設計反濾料1最大粒徑不大于20 mm，D15=0.15～0.5 mm，D85=2.8～7.8 mm，碾壓后滲透系數不小于1×10-3cm/s。反濾料2最大粒徑不大于80 mm，D15=1.4～5 mm，D85=15～46 mm，碾壓后滲透系數不小于1×10-2cm/s。反濾料3最大粒徑不大于40 mm，D15=0.25～0.75 mm，D85=8～19 mm，碾壓后滲透系數不小于2×10-3cm/s。反濾料鋪料厚度為30 cm，采用26 t自行式振動平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后相對密度不小于0.85。

3.3.3過渡料與堆石料

經料源規劃，將樞紐建筑物的洞挖料用于加工混凝土骨料，明挖料用于大壩上、下游壓重和圍堰堆石填筑。過渡料和堆石料均采用壩址上游響水溝料場開采的微、弱風化或新鮮的花崗巖和壩址下游江咀料場開采的微、弱風化或新鮮的石英閃長巖，兩個料場石料的飽和抗壓強度均大于60 MPa。

過渡料宜在變形及滲透性能上具有良好的過渡作用，即在反濾層到堆石料之間不至于產生突變。要求過渡料最大粒徑不大于400 mm，D15≤20 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不大于17%且不小于4%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不宜超過3%，級配連續良好。過渡料鋪料厚度50 cm，采用26 t自行式振動平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于20%，滲透系數不小于5×10-2cm/s。

要求堆石料最大粒徑不大于900 mm，D15≤29 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不大于20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于3%，級配連續良好。堆石料鋪料厚度為100 cm，采用26 t自行式振動平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于21%，滲透系數大于1×10-1cm/s。

3.4抗震設計

針對高設防烈度，該大壩主要考慮了以下抗震措施：

(1)壩型選擇了抗震性能較好的土質直心墻堆石壩。壩頂超高考慮了若發生地震時壩體和壩基產生的附加沉陷和水庫地震涌浪。擴大了心墻厚度，采用寬心墻，同時加厚了反濾層和過渡層的厚度。在上下游壩腳鋪設壓重，以增強大壩地震時的抗滑穩定性。

(2)提高了壩料設計和填筑標準。

(3)在心墻與混凝土及岸坡基巖接觸部位填筑高塑性粘土并加大防滲體斷面。

(4)在壩體上部約1/5壩高范圍堆石內布置了土工格柵加筋。在大壩上、下游坡面分別設置了大塊石護坡和干砌石護坡。

(5)設置了放空洞。

4結語

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩是防滲體位于深厚覆蓋層上的世界最高堆石壩，大壩具有以下特點和難點：

(1)工程等別高：電站為Ⅰ等大(1)型工程，礫石土心墻堆石壩為1級建筑物。

(2)工程地處高山峽谷地區，兩岸壩肩自然邊坡高陡。

(3)地震烈度高：工程場址基本地震烈度為Ⅷ度，大壩設防地震烈度為Ⅸ度。

(4)壩址區河床覆蓋層深厚，一般厚度為60～70 m、局部達79.3 m，且結構復雜。

(5)壩高度大：最大壩高240 m，心墻建基面以下覆蓋層還余約53 m。

針對上述特點和難點進行了大量、專門的研究工作，在壩體結構、壩基處理、筑壩材料及抗震設計中采取了一系列針對性措施，以保證大壩安全可靠。大壩心墻于2013年7月開始填筑，目前大壩填筑高度約為163 m，工程進展順利。

參考文獻：

[1]DL/T5395-2007，碾壓式土石壩設計規范[S].

[2]張宗亮.200 m級以上高心墻堆石壩關鍵技術研究及工程應用[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[3]顧淦臣,沈長松,岑威鈞.土石壩地震工程學[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

張丹(1979-)，女，四川眉山人，設計副總工程師，高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作；

何順賓(1968-)，男，四川廣安人，副總工程師兼項目經理、設計總工程師，教授級高級工程師，工程碩士，從事水電水利工程勘測設計、項目管理及科研工作；

伍小玉(1965-)，女，江西南康人，教授級高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-04

文章編號:1001-2184(2016)01-0011-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV222;TV641