洪屏抽水蓄能電站上庫西副壩結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

朱安龍，王紅濤，張 胤，張 萍

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇南京210006)

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洪屏抽水蓄能電站上庫西副壩結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

朱安龍1，王紅濤1，張 胤2，張 萍1

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇南京210006)

洪屏抽水蓄能電站上水庫西副壩壩址地質(zhì)條件差，地形凌亂。招標(biāo)和技施階段，根據(jù)對壩址區(qū)地形地質(zhì)條件的進一步分析，對左右岸大壩體形、材料分區(qū)、趾板基礎(chǔ)開挖與結(jié)構(gòu)等開展設(shè)計優(yōu)化工作。通過設(shè)計優(yōu)化，采取了降低左岸趾板上游邊坡高度，并加強邊坡處理；取消右岸高趾墻；加強趾板帷幕灌漿等處理措施，在相同的投資條件下，簡化了施工工藝，提高了大壩運行的安全性。

混凝土面板堆石壩；高趾墻；高邊坡；設(shè)計優(yōu)化；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

江西洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，電站由上水庫輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫等建筑物組成。上水庫由一座混凝土重力壩和兩座混凝土面板堆石壩圍成。

西副壩壩址位于水庫盆地西側(cè)埡口即小溪出口處，壩址谷底寬20 m，正常蓄水位733 m處斷面寬193 m。兩岸地形零亂，沖溝發(fā)育，河床高程688.5 m，兩岸山頂高程左岸756.29 m，右岸796.15 m，壩址兩岸地形坡度左岸30°～40°，右岸15°～35°。在正常蓄水位處，山體最小寬度左岸40 m，右岸30 m。壩址基巖為單一的變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，巖質(zhì)較軟弱，抗風(fēng)化能力較低。洪屏向斜核部從副壩壩基沖溝部位穿過，受其影響沖溝及兩側(cè)斷層集中發(fā)育，整個壩基共發(fā)育18條斷層或貫通的節(jié)理面。根據(jù)地形地質(zhì)條件，西副壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程738.0 m，最大壩高57.7 m，壩頂長367.5 m。大壩填筑總方量約52萬m3。

2 可行性研究階段壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)壩體斷面設(shè)計。壩體斷面根據(jù)穩(wěn)定性要求，并參考國內(nèi)已建工程經(jīng)驗進行設(shè)計。壩頂高程738.9 m，寬7.0 m，上游設(shè)計4.7 m高防浪墻，墻頂高程740.1 m。大壩上游設(shè)置鋼筋混凝土防滲面板，坡比1∶1.4。704.0 m高程以下的面板上游鋪設(shè)粉土和石渣進行壓覆。大壩下游采用干砌塊石護坡，坡比1∶1.5，每隔25 m設(shè)置一條寬3.0 m馬道。

(2)壩體分區(qū)設(shè)計。大壩填筑分區(qū)采用典型的面板堆石壩分區(qū)結(jié)構(gòu)，從上游向下游填筑料壓縮模量逐漸減小、滲透性逐漸增大，自上游至下游依次為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)，周邊縫下游局部設(shè)置特殊墊層區(qū)。墊層區(qū)及過渡區(qū)坡比均為1∶1.4，水平寬度分別為2.0、4.0 m。主堆石區(qū)上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5。下游堆石區(qū)上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶1.5。為改善壩體排水條件，壩體河床部位690.0 m高程以下設(shè)主堆石排水層。填筑料取自庫尾料場以及主壩、南庫岸開挖料，巖性為變質(zhì)含礫中粗砂巖。

(3)趾板布置設(shè)計。結(jié)合本壩址的地形、地質(zhì)條件及壩體擋水高度，確定趾板在698 m高程以下寬7 m，厚0.5 m；698 m高程以上寬5 m，厚0.5 m，趾板不設(shè)伸縮縫。為了避開右岸趾板前的沖溝，使趾板布置平順并且減少壩體開挖、填筑，在西副壩右壩頭設(shè)一重力式高趾墻，高趾墻一側(cè)與趾板相連，另一側(cè)與右壩頭相連。高趾墻最大高度12 m，長58 m。擋墻迎水面豎直，背水面坡1∶0.6，墻頂寬4.0 m，平均每10 m左右設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫。擋墻混凝土強度等級為C25。

(4)防滲設(shè)計。沿西副壩趾板基礎(chǔ)全線進行帷幕灌漿。帷幕灌漿深度按達到基礎(chǔ)相對隔水層(q≤1Lu)以下5 m，以截斷可能的滲流通道為原則。帷幕灌漿孔深11～53 m，一般為單排孔，孔距2 m，遇斷層破碎帶及裂隙密集帶適當(dāng)加密為兩排孔。左岸壩基防滲帷幕與西副壩-西南副壩段的庫周防滲帷幕連成整體，右岸壩基防滲帷幕通過庫岸廊道延伸至正常蓄水位與地下水位線相交處。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)存在的主要問題

西副壩壩體及開挖影響范圍內(nèi)，地形地質(zhì)條件都存在一些不利的因素。主要表現(xiàn)為壩址區(qū)域地形凌亂、沖溝發(fā)育，強風(fēng)化及弱風(fēng)化表層巖體破碎，兩岸中低高程以下斷層發(fā)育。壩體結(jié)構(gòu)布置需要充分認識不利因素的存在，并盡可能合理化利用，以達到技術(shù)和經(jīng)濟的統(tǒng)一。可行性研究階段大壩布置存在以下問題值得進一步研究。

(1)壩體結(jié)構(gòu)。由于本工程次堆石采用強弱風(fēng)化料填筑，根據(jù)地質(zhì)勘查階段料場試驗數(shù)據(jù)顯示，不同風(fēng)化程度的巖石質(zhì)量差異很大，強風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強度6～8 MPa，軟化系數(shù)0.2，弱微風(fēng)化巖石濕單軸平均抗壓強度63 MPa，軟化系數(shù)約0.7。根據(jù)可行性研究階段壩料試驗，次堆石(摻入30%的強風(fēng)化料)與主堆石之間的鄧肯-張模型的參數(shù)K差異很大，主堆石K=902，次堆石K=470，力學(xué)參數(shù)差異影響壩體內(nèi)部變形協(xié)調(diào)。有限元計算成果表明在主次堆石之間變形和應(yīng)力分布存在突變情況。

(2)兩岸壩體的斷面形式?？尚行匝芯侩A段，兩岸壩體結(jié)構(gòu)形式與河床壩段一致，趾板下游壩基接一段水平段后，以1∶2.0的坡度開挖與自然地形相交。本工程兩岸壩體范圍內(nèi)均為單薄的山脊，按照原設(shè)計方案，兩個單薄山脊大部分被人工開挖。若能進一步對壩體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，充分利用兩座小山脊，可以減小開挖量和填筑量。

(3)左岸上游邊坡處理。左岸趾板中部高程的水平段正好沿沖溝布置，對上游的小山脊造成人為的高邊坡開挖，而且開挖深度淺，邊坡開挖高度45 m，平均開挖深度約4 m。該邊坡主要部分位于水位變幅區(qū)內(nèi)，工作條件惡劣，噴混凝土在運行期容易出現(xiàn)脫落破損情況。原設(shè)計的噴錨支護方案在實際運行中存在一定的隱患，并且該邊坡正對面板和趾板，面板和趾板抗沖擊能力弱。因此，對該邊坡不僅要求整體穩(wěn)定，對于表面局部的坍塌也要嚴格控制。

(4)高趾墻安全和施工質(zhì)量控制。為了避開右岸沖溝，采用高趾墻的方案，從壩體布置上來說較為有利，但是也存在一些問題。齒墻基礎(chǔ)受F14、F52斷層影響，風(fēng)化較深，弱風(fēng)化上限埋深達到30～50 m。因此，齒墻基礎(chǔ)坐落在強風(fēng)化上部至表層的位置，地質(zhì)條件較差，存在一定的安全風(fēng)險。趾墻受力條件復(fù)雜，而且其安全性直接影響整個大壩的安全。此外，相比常規(guī)的趾板方案，趾墻施工復(fù)雜，施工質(zhì)量控制要求更加嚴格，尤其是趾墻后的壩體填筑施工質(zhì)量直接影響周邊縫的工作性能[2- 5]。因此，從趾墻的布置條件和施工控制上面來看，高趾墻方案尚存在一些不利因素，需要進一步研究和優(yōu)化。

(5)壩基防滲。受洪屏向斜的影響，壩基兩岸705.0 m高程以下斷層集中發(fā)育。在斷層發(fā)育的部位帷幕灌漿深度以相對隔水層線(q≤1.0Lu)控制存在一定的風(fēng)險。巖體的相對隔水層位置受勘測孔布置影響較大，主要反映的也是巖體的透水性能。而且根據(jù)地勘對斷層的滲透性檢測，斷層滲透主要以中等透水為主，因此完全按照巖體的透水率控制，斷層區(qū)域仍然存在集中滲漏的風(fēng)險。

3 設(shè)計優(yōu)化

3.1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

(1)壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[1]。為了減小主次堆石之間物理力學(xué)性質(zhì)差異過大造成的應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻，接觸面存在突變問題，在主次堆石之間設(shè)置水平寬2.0 m的堆石過渡料區(qū)。堆石過渡料的力學(xué)性能介于主次堆石之間，以協(xié)調(diào)主次堆石之間的應(yīng)力和應(yīng)變。主次堆石過渡料采用主堆石和次堆石1∶1混合，孔隙率控制在主堆石和次堆石之間。另外考慮到壩基部位690.0 m高程以下河谷窄淺，僅10～15 m寬，2 m深，堆石排水體排水能力不滿足滲漏要求，次堆石存在浸水情況，因此增加排水堆石填筑高程至695.0 m，并在主次堆石之間填筑2層(1.6 m厚)過渡料起到反濾保護作用。優(yōu)化前后典型斷面見圖1。

圖1 優(yōu)化前后壩體典型斷面

(2)兩岸壩體斷面形式優(yōu)化。參考國內(nèi)其他工程經(jīng)驗，兩岸壩體充分利用原有山脊，布置為庫岸防護形式，山脊部位的開挖標(biāo)準(zhǔn)按照墊層料和過渡料的斷面要求進行。但是由于河床部位斷面突然變大，兩岸和河床壩段銜接容易出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)的問題，對面板的變形存在不利影響。因此兩岸各設(shè)置30 m的過渡段，兩岸典型開挖和結(jié)構(gòu)斷面見圖2所示。

圖2 岸坡段典型剖面

(3)左岸趾板上游邊坡設(shè)計優(yōu)化。左岸中部高程的水平趾板原設(shè)計高程為700.0 m，為弱風(fēng)化上部。由于該高程趾板水頭較低，為33 m，有局部優(yōu)化的條件。將該段趾板基礎(chǔ)高程適當(dāng)調(diào)整為702.00 m，基本為強弱風(fēng)化分界部位，相對該高程壩高為40余米，強風(fēng)化中下部作為趾板基礎(chǔ)面，可滿足結(jié)構(gòu)要求。趾板基礎(chǔ)面抬高2 m后，該部位的邊坡高度由原設(shè)計的45 m降低至優(yōu)化后的38 m，邊坡面積和開挖量均有所減小?？紤]到噴混凝土質(zhì)量較難控制，且運行后存在脫落的風(fēng)險，將水位變幅區(qū)內(nèi)邊坡噴混凝土調(diào)整為C20貼坡混凝土方案。根據(jù)該部位的地形，邊坡右側(cè)沖溝內(nèi)巖體質(zhì)量較差，存在蓄水后塌落至面板和趾板的風(fēng)險，不僅影響面板的運行安全，更重要的可能會造成周邊縫表面止水損壞，因此需將大壩上游鋪蓋設(shè)置范圍由704.0 m高程調(diào)整至710.0 m。調(diào)整后的粉土和石渣鋪蓋不僅可以對該部位的周邊縫表面止水進行保護，還可對塌落的部分石渣起到緩沖的作用，從而減小對面板的不利作用。

(4)右岸高趾墻優(yōu)化。招標(biāo)階段對沖溝部位進行鉆孔勘探，結(jié)果顯示溝底全風(fēng)化下限埋深較淺，約1～3 m，具備取消高趾墻的條件。趾板在705.00 m高程后布置一段長71.1 m的水平段趾板，然后布置坡比為1∶1.66的斜趾板至壩頂。調(diào)整后的這一段趾板代替了原混凝土趾墻，基礎(chǔ)沿線坐落在強風(fēng)化上部。根據(jù)上述趾板線調(diào)整，700.00 m高程以上的趾板基礎(chǔ)相對較差，為了保持原設(shè)計方案接近的防滲效果，并簡化施工，趾板尺寸統(tǒng)一為6 m×0.5 m(寬×厚)。

(5)防滲設(shè)計優(yōu)化。由于西副壩位于洪屏向斜核部，斷層集中發(fā)育，趾板沿線共分布18條斷層或貫通的節(jié)理面，其中寬度超過1.0 m的大斷層6條，集中在趾板中下部280 m范圍內(nèi)，均沿河床方向通向庫外，因此加強該部位的帷幕灌漿是必要的。綜合滲漏量計算，將西副壩主帷幕深度控制標(biāo)準(zhǔn)進行調(diào)整：斷層發(fā)育區(qū)為50 m，兩岸高程部位按30 m控制并不淺于相對隔水層(超過原可行性研究階段的控制標(biāo)準(zhǔn))，并在斷層集中發(fā)育的部位設(shè)置副帷幕，副帷幕深度按30 m控制。

3.2 設(shè)計優(yōu)化的效益

本次設(shè)計優(yōu)化主要體現(xiàn)在建筑物安全性提高、施工難度降低等方面。

(1)提高建筑物運行安全。通過在主次堆石區(qū)之間設(shè)置堆石過渡區(qū)，協(xié)調(diào)不同區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變，進一步改善壩體的工作性能；通過局部抬高左岸趾板、抬高面板上游鋪蓋高程以及調(diào)整高邊坡防護方案等措施提高了左岸邊坡的整體穩(wěn)定和表層穩(wěn)定，并減小了沖溝局部坍塌對面板、趾板以及止水造成的危害，提高了大壩的運行安全；避免了高趾墻在結(jié)構(gòu)方面的不利影響，進一步提高大壩運行安全；通過加強基礎(chǔ)帷幕灌漿，進一步控制滲漏量，改善壩體運行條件，降低斷層滲透破壞風(fēng)險。

(2)降低施工難度。取消高趾墻后，與之相應(yīng)的齒墻及其基礎(chǔ)處理、墻后堆石體填筑等質(zhì)量控制要求較高、施工難度相對較大等問題相應(yīng)消除，簡化了該部位的施工工藝，對大壩整體質(zhì)量控制的提高起到了積極作用。

(3)設(shè)計優(yōu)化的經(jīng)濟性分析。通過本次設(shè)計優(yōu)化，雖然加強了邊坡防護和帷幕灌漿，增加了面板防滲面積，相應(yīng)投資增加約600萬元，但同時也減小了大壩的開挖和填筑、減小了趾板和趾墻總混凝土以及邊坡防護面積等工程量。根據(jù)計算，在同等設(shè)計精度下，設(shè)計優(yōu)化范圍內(nèi)投資增減基本相當(dāng)。

4 總 結(jié)

洪屏抽水蓄能電站西副壩壩址不僅地質(zhì)條件差，而且地形凌亂，對大壩的布置造成了極大的困擾。面對不利的地形地質(zhì)條件，在充分分析并輔以補充地質(zhì)勘察工作的基礎(chǔ)上，對趾板和大壩整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計優(yōu)化，充分利用了面板堆石壩地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強的優(yōu)勢。本次設(shè)計優(yōu)化在不增加投資的基礎(chǔ)上，簡化了施工工藝，進一步改善了整個大壩的運行安全，取得了良好的綜合效益。

通過本次設(shè)計優(yōu)化得到一些啟示，可供其他類似工程借鑒：

(1)趾板布置應(yīng)盡量避開深切的沖溝，趾板以放在沖溝下游為宜，不造成對沖溝上游山體的開挖，否則極易形成高邊坡。

(2)在無明顯的經(jīng)濟或技術(shù)優(yōu)勢的前提下，不宜使用高趾墻。高趾墻受力條件差，穩(wěn)定要求遠高于普通擋墻，不僅體積龐大，對基礎(chǔ)的要求也高于普通的薄趾板結(jié)構(gòu)，并且趾墻施工難度大，對周邊縫的變形也存在不利的影響。

(3)面板堆石壩為了充分利用開挖料，一般次堆石的填筑要求較低。但是對于不同風(fēng)化程度的巖石質(zhì)量差異大的工程，應(yīng)注意主次堆石之間變形協(xié)調(diào)問題。通過設(shè)置堆石過渡區(qū)可以起到協(xié)調(diào)應(yīng)力和變形的目的。

[1]楊秀方， 石成名， 陳宇. 梨園水電站混凝土面板堆石壩技術(shù)優(yōu)化與質(zhì)量管控措施[J]. 水力發(fā)電， 2015， 41(5)： 63- 66．

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(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Design and Optimization of West Sub Dam of Upper Reservoir in Hongping Pumped-Storage Power Station

ZHU Anlong1, WANG Hongtao1, ZHANG Yin2, ZHANG Ping1

(1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China；2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210006, Jiangsu, China)

The dam site of west sub dam of upper reservoir in Hongping Pumped-storage Power Station has a poor geological condition and messy terrain. During tendering and construction drawing design periods, the designs of left and right bank dam body shape, material partition, and foundation excavation and structure of toe slab are optimized according to further analysis on geological conditions of dam area. By design optimization, the height of left bank slope is reduced and the slope treatment is strengthened, the right high toe wall is canceled, and the curtain grouting of toe slab area is strengthened. Through above optimizations, the construction process is simplified and the safety of dam operation is improved under same investment condition．

concrete face rockfill dam; high toe wall; high slope; design optimization; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

朱安龍(1980—)，男，江蘇江寧人，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)，碩士，主要從事水工建筑物設(shè)計工作．

TV641.43(256)

B

0559- 9342(2016)08- 0034- 04