石步河水庫工程碾壓混凝土重力壩設計

孫 翔，潘自恒，張志彥，王 軍

(1.南水北調中線干線工程建設管理局，河南 鄭州 450004;2.南陽市水利建筑勘測設計院，河南 南陽 473000; 3.河南靈捷水利勘測設計研究有限公司，河南 南陽 473000)

石步河水庫工程碾壓混凝土重力壩設計

孫 翔1，潘自恒2，3，張志彥2，3，王 軍1

(1.南水北調中線干線工程建設管理局，河南 鄭州 450004;2.南陽市水利建筑勘測設計院，河南 南陽 473000; 3.河南靈捷水利勘測設計研究有限公司，河南 南陽 473000)

石步河水庫最大壩高26.1m，壩長228m，為小型碾壓混凝土重力壩，其相對于大型碾壓混凝土重力壩，施工倉面相對較小，影響施工速度因素較多。為此，本文在對石步河碾壓混凝土重力進行全面介紹基礎上，重點介紹設計施工中采用的多項加快施工速度的措施及新的設計理念，為同類工程的設計提供了借鑒。

碾壓混凝土重力壩;石步河水庫;結構設計

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.035

1 工程概述

石步河水庫位于河南省桐柏縣城西北，唐河支流三夾河上游石步河上?？刂屏饔蛎娣e 335km2，水庫總庫容2892萬 m3，是一座以防洪、供水為主，兼顧農業灌溉、旅游開發等綜合利用的中型水利樞紐工程。

工程由大壩、排砂洞、供水管道、管理房屋及管理道路等組成。設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。

壩址處河谷為“U”型谷，寬度97m，兩岸山體不對稱，左岸較陡，右岸稍緩，右岸發育有一階地，寬57m。左岸自然坡度60～65°，右岸自然坡度45～50°。壩址區地層較單一，主要為加里東期片麻狀花崗巖及第四系松散堆積物，無大的構造斷裂通過，巖層走向與河谷近垂直，傾向偏向上游。地震基本烈度為Ⅵ度。

2 碾壓混凝土重力壩布置

石步河水庫碾壓混凝土重力壩最大壩高26.1m，壩頂高程154.10m，壩軸線長228m，由左右岸擋水壩段和河床溢流壩段組成，共分11個壩段(見圖1)。

圖1 石步河水庫大壩上游立面圖

左岸擋水壩段長74m，共4個壩段，除1#接頭壩段長14m外，其余均為20m;右岸擋水壩段長50m，分3個壩段，除11#接頭壩段長10m外，其余均為20m;溢流壩段長104m，分4個壩段，依次為29m、23m、29m、23m。在溢流壩段設9孔10m×5.1m溢流表孔，為WES堰，溢流面堰頂高程146.00m，挑流消能。在3#壩段布設有排砂和洞供水洞，排沙洞為無壓底孔，孔口尺寸為3.0m× 3.5m，孔口底高程138.00m，挑流消能;供水洞孔口尺寸為2m×2m，后接內徑2m引水鋼管。

3 壩體結構設計

3.1 壩體材料分區

根據壩體應力計算和穩定計算成果，類比工程經驗對壩體結構混凝土進行分區設計［1，2］。典型斷面見圖2、圖3。根據規范的要求及本工程的氣溫情況，按照不同部位的工作條件和環境條件進行混凝土材料分區，見表1［3］。

表1 壩體材料分區表

圖2 擋水壩段典型剖面圖

圖3 溢流壩段典型剖面圖

壩體混凝土方量為6.42萬m3，其中碾壓混凝土方量為4.82萬m3，占壩體總混凝土量的75%。壩體主要材料采用C9015三級配碾壓混凝土;上游153.00m高程以下防滲層及下游142.94m高程以下迎水面采用C9020W 4F50二級配碾壓混凝土。根據混凝土設計指標經室內試驗和現場碾壓試驗，經分析比較后的主要混凝土配合比見表2。

表2 大壩碾壓混凝土配合比

3.2 壩體防滲及排水設計

壩體防滲層均采用C20W 4F50二級配碾壓混凝土及上游模板周邊變態混凝土防滲，相對于采用“金包銀”模式防滲結構，可大幅度提高壩體混凝土澆筑速度。根據規范［3］，碾壓混凝土防滲層的有效厚度，宜為壩面水頭的1/30～1/15。壩體上、下游面防滲厚度根據壩前水位不同并結合施工要求，壩前取2.0m，壩下游取1.5m。

壩體排水管設上游防滲層后，孔間距3.0m。非溢流壩段排水管上部通至153.0m，溢流壩段排水管上部通至143.92m高程，下部至基礎灌漿廊道。壩體滲水通過廊道排水溝，匯流至集水井后抽排至壩體外。

3.3 壩體分縫及止水

大壩壩基最大寬度29m，為適應碾壓混凝土快速施工的特點，只設橫縫不設縱縫。橫縫間距根據地質條件、壩體布置、溫度應力計算、施工強度等確定，共設10條橫縫。橫縫采用切縫機切縫形成，縫寬0.02m，采用“先切后碾”，縫內采用聚乙烯閉孔塑料板填塞。間歇層面采用刷毛或沖毛清除混凝土表面的浮漿及松動骨料。處理合格后，均勻刮鋪2cm厚與混凝土同標號的水泥砂漿，然后在其上攤鋪RCC混凝土碾壓。

上游壩面壩體橫縫處設置兩道止水片，分別為紫銅止水和橡膠止水，置于防滲層內。第一道止水距上游壩面0.5m，第二道止水距上游壩面0.9m，縫內填塞聚乙烯閉孔塑料板，止水片埋入基巖內0.5m，止水槽用錨筋與基巖連接，用微膨脹混凝土回填。壩體下游面橫縫處設置一道橡膠止水，置于防滲層內。為防止壩體廊道橫縫處滲水，在壩體廊道跨橫縫處設PVC止水帶，縫內填聚乙烯閉孔塑料板。

3.4 大壩基礎處理

壩基礎屬于花崗片麻巖，巖石呈弱風化，為微～中等透水。大壩基礎處理除了防滲帷幕灌漿及壩基排水外，主要是固結灌漿和斷層處理。

固結灌漿:為提高壩基巖石的整體性與均質性，提高壩基巖石的抗壓強度與彈性模量對主河槽段壩基進行固結灌漿?？拙嗯啪嗑鶠?m，上下游各布置3排。固結灌漿孔孔深為5m，均是鉛直孔。

斷層處理:根據地質資料分析，壩址附近斷層總計3條，F4、F5與壩軸線斜交，壩基F8斷層;從地質勘探情況看，壩址附近2處斷層對壩體影響較小。對于壩基F8斷層，采用加大開挖深度，并采用混凝土塞回填，結合壩基固結灌漿加密為間距為1.5m×1.5m;并采取加密帷幕灌漿孔距、加深長度措施。

4 石步河大壩設計特點

4.1 合理采用預制構件

石步河碾壓混凝土大壩為低壩，碾壓混凝土倉面最大大寬度20m，最小寬度4.5m。為保證施工質量的同時又能加快施工速度，對于部分部位采用預制構件。

4.1.1 下游面采用預制塊代替模板

擋水壩段背水坡坡比為1∶0.7，常規施工方法需先立模，后澆筑。由于是斜坡澆筑無論是固定模板或采用爬模，混凝土混凝土內氣泡都不易排出，易造成外觀蜂窩麻面，影響外觀，同時要經歷立模，拆模及拆模后模板處理等工序，降低施工效率。經設計論證比較后采用預制混凝土擋塊［4］作為替代模板使用，同時擋塊作為大壩的一部分，避免了立模、拆模等工序，加快施工速度，又使得大壩坡面整齊美觀。

4.1.2 預制廊道減少模板使用

壩體布置一條1條縱向灌漿排水廊道，廊道底高程133.00～142.94m，斷面為城門洞形，尺寸為2.5m×3.5m。廊道側墻為變態混凝土，拱頂采用預制鋼筋混凝土結構，見圖4。施工時后可直接碾壓廊道側墻變態混凝土，吊裝預制拱頂后可接著碾壓上層混凝土。最大限度減少廊道施工工期。

圖4 拱頂預制段廊道剖面圖

4.2 壩體排水管采用鉆孔代替預埋排水管

壩體排水管一般采用預埋混凝土管或塑料管，施工時采用拔節法先安裝排水管，且排水管周圍不能采用碾壓施工。石步河大壩壩體排水管距上游面3m，間距為3m，采用常規壩體排水管設計將使得碾壓混凝土施工倉面更加小，施工效率大大降低，因此設計采用先整體壩體施工，在壩體碾壓混凝土全部施工完成后，采用在壩頂鉆孔形成壩體排水孔，加快了施工速度。

4.3 合理簡化溫控設計

大壩采用天瑞集團南召水泥有限公司生產的P.C32.5復合硅酸鹽水泥，混凝土摻和料采用南陽鴨河口發電廠生產的分選的Ⅰ級粉煤灰，石子采用姚河村采石場的花崗巖人工碎石，砂采用在壩址上游河床內開采篩選的礫砂。

根據計算，并參照規范和其他已建工程，大壩強約束區基礎溫差控制標準:混凝土最低13℃;常態混凝土最低15℃。相鄰塊高差不超過12m［3-8］。碾壓混凝土澆筑應薄層連續短間歇式上升，層間歇時間不大于10d。低溫季節澆筑溫度不低于5℃，基礎強約束區澆筑溫度不高于過20℃，非約束區不高于24℃。

鑒于石步河攔河壩為低壩，采用對主河槽段基礎強約束區在低溫季節施工，對于高溫季節澆筑混凝土，不采用冷卻水管而是采用以下簡易措施:加大料堆高度、地垅取料;在料堆上搭設遮陽棚防曬，噴冷水(機井水)降溫;倉面噴霧;采用保溫泡沫板覆蓋;避開高溫時段澆筑;混凝土運送設備采取遮陽防曬措施;水泥罐、粉煤灰罐及拌和樓采取防曬隔熱措施等。低溫季節主要是采用保溫泡沫板保溫。施工實踐證明上述措施完全滿足溫控設計要求，不但節約的投資，更提高了施工速度。

4.4 結合景觀工程的大壩設計

近年來我國的水利工程，越來越注重水利工程的景觀和美學要求。石步河水庫把“大美”理念、工程美學理念，融入在設計之中，在保證大壩安全，滿足功能要求的前提下，對大壩進行精心處理。如大壩上部的泄洪閘閘房、排砂洞閘房采用現代風格，大壩、泄洪閘閘房、橋頭堡依次突出其層次感，并在外墻涂料、房頂琉璃瓦等顏色選擇都與整體環境協調，宛如大壩帶上一定優雅別致的帽子。將壩頂防浪墻采用定型模板澆筑，凸凹有致，壩段下游面采用漢白玉欄桿，典雅大方，擋水壩段背水坡面預制塊砌筑使得坡面整齊劃一，使得大壩雄厚而不笨拙。

4.5 改變泄洪閘啟閉機方式

在可行性研究階段，泄洪閘閘門采用了液壓啟閉機，雖然液壓啟閉機具有布置緊湊，體積小，重量輕;緩沖能力好、轉動平穩;液壓傳動與電氣控制相結合，便于實現自動化;易于防止過載，工作安全可靠等優點。但液壓啟閉相對卷揚啟閉機對操作要求較高、維護保養和運行成本較高等缺點，由于石步河水庫管理機人員由縣級水利局抽調組建，管理水平不高，且加上水庫直接收益不高，運行經費可能較為緊張。在工程初設階段，經對水庫運行調度進行詳細計算基礎上，考慮水庫后期運行管理的實際情況，經對比，泄洪閘閘門由液壓啟閉機改為卷揚啟閉機。

5 結論

石步河水庫大壩于2011年4月開工建設，2011年12月基礎開挖完成。2013年11月工程合同完工驗收。并經受2014年汛期超過水庫20一遇設計標準的洪水考驗。在針對石步河水庫作為小型碾壓混凝土壩，經過精心設計研究，對材料分區、預制構件采用、優化施工方法等多種措施，盡量發揮碾壓混凝土施工的優點，大大加快施工進度，為中小型碾壓混凝土大壩提供值得借鑒的經驗。同時在設計中結合景觀設計融入工程美學，并結合工程后期運行維護等因素，體現工程全壽命周期設計的理念，這些也給水利工程設計提供新的思路。

［1］孫新莊，張華明，黃堅等.功果橋水電站碾壓混凝土重力壩設計［J］.西北水電，2014(04):37-41.

［2］洪永文.金安橋水電站碾壓混凝土重力壩設計［J］.水力發電，2006，32(11):54-56.

［3］SL314-2004.碾壓混凝土壩設計規范［S］.

［4］孫翔.曲振會，等.一種在大體積混凝土澆筑過程中使用的擋塊［P］.中國.專利:ZL2014202990019.6.2014-06-06.

［5］SL319-2005.混凝土重力壩設計規范［S］.

［6］楊志華，謝衛生.山口巖碾壓混凝土拱壩溫度控制設計［J］.水利規劃與設計，2013(11):71-74.

［7］馬志遠.碾壓混凝土重力壩施工溫度控制問題研究［D］.鄭州.鄭州大學，2009.

［8］王焰駒.碾壓混凝土重力壩工程中溫度控制施工技術［J］.水利技術監督，2014(02):60-62.

TV642.2

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1672-2469(2016)08-0109-04

2015-03-31

孫 翔(1977年—)，男，高級工程師。