海南瓊中抽水蓄能電站上水庫大壩設計探析

葉祥飛，周 剛，李品君，王小平

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.海南蓄能發電有限公司， 海南海口570100)

瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內，電站主要以承擔調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等為開發任務，總裝機容量600 MW。樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、發電廠房及下水庫等4部分組成。上水庫地處瓊中縣黎母山林場原大豐水庫，集雨面積5.41 km2，多年平均徑流量797.9萬m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，調節庫容499.9萬m3，總庫容為933.3萬m3。上水庫主、副壩均采用瀝青混凝土心墻土石壩，其擋水、泄水建筑物按100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核[1]。

1 壩體結構設計

上水庫在黎母山林場原大豐水庫位置分別修建主壩及兩座副壩圍洼而成。主、副壩均采用瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程570.00 m，壩頂寬度10.0 m。壩頂上游設防浪墻，下游設L形擋墻。主壩最大壩高32.00 m，壩軸線長332.00 m；副壩1最大壩高24.00 m，壩軸線長220.00 m；副壩2最大壩高14.00 m，壩軸線長370.00 m，副壩2通過庫岸公路分別與主壩、副壩1相連接。

2.1 壩體分區

土石壩上、下游壩坡的穩定性與壩高、建筑物等級、壩體填筑材料、壩基地質條件、施工碾壓質量、承受的荷載及坡面坡度等因素均有關[2]。該工程大壩筑壩材料主要為全強風化料，上下游壩坡主要結合壩基強度、主要地質構造、壩料物理力學性質及壩體排水方式，并根據壩坡穩定分析與工程類比進行擬定。

主、副壩采用瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程570.00 m，壩頂寬10.0 m。壩頂上下游均設花槽，最大壩高32.00 m，壩軸線長332.00 m，上下游壩坡分別為1∶3與1∶2.7， 555.00 m高程處設一級馬道，寬4 m，下游綜合坡比1∶2.83。

壩體填筑料分區從上游至下游依次為干砌塊石護坡、碎石墊層、上游全強風化料區、上游過渡區、瀝青混凝土心墻、下游過渡區、下游全強風化料區和下游壩面草皮護坡，心墻上下游過渡層水平寬度均為2.0 m；另外，下游壩基清坡后設0.5 m厚的中砂反濾層，反濾層與全強風化料間設2.0 m厚過渡層，作為下游壩體排水層。

2.2 筑壩材料

壩體上游設一級坡，坡比為1∶3.0，采用干砌塊石護坡，層厚0.5 m，石料粒徑均值30～50 cm，其底部設0.5 m厚碎石墊層兼反濾層，石料粒徑0.5～7 cm，護坡所需石料均從石料場取料，為新鮮花崗巖，其中碎石料由人工扎制而成。

大壩主體填筑料主要采用工程區開挖的全強風化料，除液限ωL大于47%，塑性指數IP大于23.7，小于0.075 mm的顆粒含量大于45%的花崗巖全風化表土層不能上壩外，其余土石料均可作為筑壩材料，碾壓后強度指標要求干密度不小于1.80 g/cm3，壓實度98%，飽和密度不小于2.0 g/cm3，摩擦角一般狀態不小于25°。

瀝青混凝土心墻兩側各設2 m寬過渡料，為心墻提供均勻支撐，滿足心墻與全風化料之間的變形過渡要求，過渡料應且具有良好的排水性與滲透穩定性，并滿足施工所需的承載力要求。過渡料由新鮮花崗巖人工扎制而成，最大粒徑80 mm，小于5 mm 粒徑含量為25%～40%，小于0.075 mm粒徑含量不超過5%，級配連續，碾壓后干密度不小于2.23 g/cm3。

下游壩基為條帶式水平與垂直排水系統，排水體采用扎制的人工碎石料，為弱風化～新鮮石料，最大粒徑4 cm，碾壓后干密度2.18 g/cm3，孔隙率≤20%，灑水量5%，下游壩基部分設0.5 m厚的中砂作反濾層，中砂采用弱風化～新鮮石料，人工扎制料，最大粒徑為5 mm，干密度2.21 g/cm3，灑水量3%。大壩各分區材料主要設計參數見表1。

表1 筑壩材料主要設計參數

2.3 瀝青混凝土心墻

2.3.1 設計準則與要求

(1) 瀝青混凝土心墻應具有良好的塑性性能，以適應大壩的位移和筑壩時的震動，不致產生裂縫。

(2)瀝青混凝土心墻與基礎的連接是防滲體的薄弱部分，應確保連接部位的安全。

(3) 心墻滲透系數應小于10-7cm/s，并具有水穩定性，在長期水的作用下，其力學強度應保持在原有強度的85%以上。

(4)粗骨料宜采用堿性巖石(石灰巖、白云巖等)破碎的碎石，當采用酸性碎石時，應采取增強骨料與瀝青黏附性的措施[3- 4]。

2.3.2 心墻布置

瀝青混凝土心墻沿主壩壩軸線全強風化較薄部位，采用混凝土基座連接，基礎開挖至弱風化基巖；兩副壩壩基全風化層較厚，采用混凝土防滲墻連接。

考慮到瀝青混凝土心墻頂部與防浪墻相接，同時，為改善大壩受力條件，心墻軸線布置于壩頂中心線略偏上游位置；根據壩高，并結合施工碾壓要求，心墻采用0.5 m等厚度設計，考慮到瀝青混凝土具有粘彈塑性，在長期水壓力作用下，心墻比基巖和混凝土構件更容易變形，水壓力會使瀝青混凝土心墻產生一定的水平位移，因此，瀝青混凝土心墻同周邊的連接是防滲系統結構的關鍵，為增強防滲效果，心墻澆筑在混凝土基座或防滲墻上，并將連接部位的瀝青混凝土心墻厚度增加1～2倍。瀝青混凝土心墻與混凝土基座或防滲墻的接觸面采用平面連接。在心墻底部1 m高范圍內做放大腳與混凝土結構連接，底端厚0.8 m，心墻與混凝土結構之間設置一道銅止水，接觸面設2 cm厚砂質瀝青瑪蹄脂，以增大粘結力并適應心墻水平變形。

3 壩坡穩定及滲流計算

根據筑壩材料的室內三軸試驗資料，整理鄧肯模型的力學參數，用GeoStudio 2007軟件對瀝青混凝土心墻土石壩進行了二維非線性彈性E-B模型的有限元計算，主要計算分析內容如下：①大壩在施工期、穩定滲流期、上游水庫水位降落期和地震情況下的上、下游壩坡安全系數，滲透穩定性；②大壩變形量和分布規律；③瀝青混凝土心墻的應力分布，與混凝土基座和防滲墻之間的變形；④混凝土基座和防滲墻的變形及應力分布；⑤瀝青混凝土和壩體及兩側過渡料的變形協調性。

3.3.1 壩坡穩定與應力變形

壩坡穩定計算利用G-SLOPE/W進行，計算選取主壩壩右0+160作為典型計算斷面，各工況下大壩上、下游壩坡抗滑穩定系數見表2。

表2 壩坡穩定計算成果(主壩壩右0+160)

由表2可知，大壩上、下游壩坡在各運行工況下的抗滑穩定安全系數均滿足規范設計要求，大壩整體是穩定的。

大壩壩體應力與變形計算成果見表3及圖1、2。

表3 主壩應力變形計算成果(主壩壩右0+160)

注：①水平向位移以向下游為正；②水位驟降指庫水位從正常蓄水位567.00 m短時間內(約6 h)降至死水位560.00 m；③應力以壓為正，拉為負．

圖1 正常蓄水位工況水平向位移等值線(單位：m)

圖2 正常蓄水位工況最大主應力等值線(單位：kPa)

根據計算成果，各計算剖面在竣工期整體位移規律一致，上游壩體上下游的水平向位移分別指向上下游方向，垂直沉降最大值均出現在壩體中部靠上部位。由于壩高和下覆巖層的區別，各個剖面沉降量有所不同，主壩壩右0+040.000剖面最大壩高28 m，竣工期最大沉降量為15.3 cm，約占最大壩高的0.55%；主壩壩右0+160.000剖面最大壩高16 m，竣工期最大沉降量為6.08 cm，約占最大壩高的0.38%；各運行工況下的位移變化規律也基本一致，在蓄水后，壩體產生向下游側的位移，沉降變大，考慮地震情況趨勢更加明顯，而水位驟降工況壩體整體向上游側位移，沉降略有增加。

從各剖面應力分布情況分析，瀝青混凝土心墻的力學性質與過渡料比較接近，從沉降等值線分析，變形較均勻，在心墻內部沒有產生明顯的應力集中。主壩變形總體協調性良好，分布規律基本合理，瀝青混凝土心墻不會發生拉裂破壞，心墻與基座的接觸部位分布有少量拉應力區，但數值很小，不會造成心墻破壞。

3.3.2 滲流計算

上水庫防滲標準按1 Lu控制，防滲帷幕的滲透系數一般取1×10-5cm/s，帷幕有效厚度按1 m計，實際計算中為避免墻與帷幕接觸部位滲透系數突變太大，滲流場過于收斂，帷幕線按0.1 m厚建模，相應的滲透系數按1×10-6cm/s進行計算處理。計算采用G-SEEP/W軟件進行，主壩典型剖面校核洪水位工況下壩體壩基滲流場水頭等勢線圖見圖3。大壩單寬滲流量見表4。

各工況下主壩水頭等勢線均集中在心墻-防滲墻-防滲帷幕中，浸潤線的分布規律基本一致，在上下游滲透系數較高區域，浸潤線基本為水平直線，在滲透系數較低的心墻中，浸潤線近似豎直。心墻底部最高作用水頭29m，巖體透水率水平總體不高，以微透水和弱偏微透水為主，根據上水庫防滲處理范圍及方式，主壩壩體和單薄分水嶺帷幕防滲標準按q≤1Lu控制進行24h滲漏量計算，計算成果表明，主壩正常蓄水位工況下，總滲漏量為48.49m3/d，滲漏量較小，壩體壩基的滲流量控制較為理想。

圖3 正常蓄水位工況水平向位移等值線(單位：mm)

表4 主壩應力變形計算成果 m3/(d·m)

4 結 語

瓊中上水庫瀝青混凝土心墻土石壩于2014年底動工， 2017年6月下閘蓄水，目前大壩整體運行良好，根據最新的大壩變形與滲漏監測數據，均在正常范圍之內，通過工程類比與計算分析確定的材料分區、防滲心墻與排水布置方案合理，瓊中上水庫瀝青混凝土心墻壩的設計是成功的，可為同類工程設計提供依據和參考。