黃登水電站碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊宜文，鄧良軍，李文杰，向 弘

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程簡(jiǎn)介

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，以發(fā)電為主。壩址控制流域面積9.19×104km2，多年平均流量902 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位為1 619.00 m，其相應(yīng)庫(kù)容為15.49×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為8.28×108m3，水庫(kù)具有季調(diào)節(jié)性能；總裝機(jī)容量1 900 MW(4×475 MW)，工程等級(jí)為一等大(1)型。大壩的工程抗震設(shè)防類別為甲類，抗震概率水準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期100 a超越概率2%，基巖水平峰值加速度采用0.251g；非壅水建筑抗震按乙類設(shè)防，抗震概率水準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期50 a超越概率5%，基巖水平峰值加速度0.160g。

電站工程里程碑節(jié)點(diǎn)工期為：2013年11月大江截流；2015年3月開始大壩混凝土澆筑；2017年11月28日，導(dǎo)流洞下閘蓄水；2018年7月5日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2019年1月1日全部4臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

根據(jù)中國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，結(jié)合工程特點(diǎn)確定各洪水標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)的洪峰流量及特征水位見表1。

表1 洪水標(biāo)準(zhǔn)、相應(yīng)的洪峰流量及特征水位

圖1 溢流表孔壩段混凝土分區(qū)示意

2 大壩混凝土與溫控設(shè)計(jì)

碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 625.00 m，建基面最低高程1 422.00 m，最大壩高203 m，壩頂長(zhǎng)464 m，共分20個(gè)壩段。下游壩面坡度為1∶0.75，起坡點(diǎn)1 619 m，上游壩面1 500.0 0m高程以上為鉛直面，以下坡度為1∶0.2。分別采用材料力學(xué)法、平面有限元和三維有限元方法，對(duì)黃登水電站大壩建基面、碾壓混凝土層面抗滑穩(wěn)定及整體應(yīng)力變形狀況進(jìn)行了靜、動(dòng)力分析。計(jì)算分析表明：壩體建基面、碾壓混凝土層面抗滑穩(wěn)定以及壩踵、壩趾應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。針對(duì)地震工況下個(gè)別壩體體型轉(zhuǎn)折點(diǎn)主拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度，施工中大壩頸部及體型突變處均配置了雙層抗震鋼筋以控制裂縫發(fā)展范圍。

2.1 混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)

壩頂結(jié)構(gòu)、大壩基礎(chǔ)混凝土、電站進(jìn)水口、泄洪放空底孔周邊及閘室、泄洪洞進(jìn)水口及閘室、表孔閘墩及邊墻、溢流面為常態(tài)混凝土。壩內(nèi)廊道及模板周邊，為相應(yīng)級(jí)配標(biāo)號(hào)的變態(tài)混凝土。其余部位為碾壓混凝土，防滲層為二級(jí)配、非防滲層為三級(jí)配。壩體混凝土共分為10個(gè)區(qū)，壩體典型分區(qū)見圖1。

2.2 混凝土原材料與配合比

(1)混凝土原材料。使用質(zhì)量穩(wěn)定的中熱水泥，其品質(zhì)除滿足中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求外，還需滿足：28 d抗壓強(qiáng)度為48±3.5 MPa，比表面積為250～340 m2/kg，MgO含量為3.5%～4.5%，堿含量≤0.6%。混凝土采用灰?guī)r人工骨料，粗、細(xì)骨料的各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)施工配合比。工程混凝土配合比由承包商根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求進(jìn)行配合比試驗(yàn)，提出混凝土施工配合比。工程主要混凝土配合比見表2。

2.3 壩體混凝土溫控措施

根據(jù)壩體混凝土分區(qū)、壩址區(qū)氣溫和水溫及混凝土性能試驗(yàn)成果等擬定的溫控設(shè)計(jì)參數(shù)，采用三維有限元法計(jì)算相應(yīng)壩段的穩(wěn)定溫度場(chǎng)，提出大壩混凝土溫度控制要求，指導(dǎo)大壩混凝土溫度控制施工。即：①控制混凝土容許最高溫度、溫差標(biāo)準(zhǔn)之常態(tài)混凝土新老混凝土溫差≤15 ℃；碾壓混凝土新老混凝土溫差≤13 ℃；碾壓和常態(tài)混凝土內(nèi)外溫差<17 ℃。②混凝土運(yùn)輸過程中加強(qiáng)施工管理，盡量減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，減少運(yùn)輸過程中溫度回升。③控制澆筑溫度。④大壩所有常態(tài)及碾壓混凝土均需埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻。壩體常態(tài)混凝土內(nèi)部冷卻水管水平間距為1.0 m，碾壓混凝土內(nèi)部冷卻水管水平間距為1.0 m或1.5 m。

2.4 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

為落實(shí)混凝土溫控措施、提高壩體混凝土施工質(zhì)量，大壩混凝土澆筑伊始，工程項(xiàng)目業(yè)主組織科研單位和工程參建各方聯(lián)合開發(fā)了“數(shù)字黃登·大壩施工信息化系統(tǒng)”，對(duì)混凝土重力壩施工質(zhì)量和管理實(shí)施了智能控制和信息化管理，實(shí)現(xiàn)了大壩混凝土從原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑到運(yùn)行的全面質(zhì)量監(jiān)控。

表2 大壩碾壓混凝土、常態(tài)混凝土主要施工配合比(水泥品種均為P.MH42.5)

2018年10月31日蓄水位維持正常蓄水位后，大壩壩體滲漏量0.53 L/s，表明壩體混凝土澆筑質(zhì)量較好，滲漏量較小。壩基各壓應(yīng)力計(jì)壓應(yīng)力值介于-4.65～-0.09 MPa之間；壩體壓應(yīng)力值介于-0.58～-2.50 MPa；混凝土應(yīng)變值以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎畲髩簯?yīng)變-264.2με。壩體運(yùn)行工作性態(tài)良好。

3 壩基處理與實(shí)踐

3.1 壩基工程地質(zhì)條件

開挖揭露建基面分布地層為三疊系上統(tǒng)小定西組第8層及第7層，巖性主要為紫紅色變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖，夾有變質(zhì)凝灰?guī)r條帶。開挖揭露大壩壩基無Ⅰ、Ⅱ結(jié)構(gòu)面及規(guī)模較大的順江斷層分布，壩基范圍揭露屬Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面的斷層有10條，以陡傾角為主，少數(shù)中陡傾角，斷層破碎帶寬度一般為0.1～0.5 m，僅擠壓破碎帶局部寬度可達(dá)1.0 m，少數(shù)NW向結(jié)構(gòu)面有張開現(xiàn)象。斷層帶的分布造成了沿裂面附近巖體風(fēng)化加深，完整性及力學(xué)強(qiáng)度減弱；但破碎帶所占比例有限，且基本為中陡傾角，對(duì)大壩整體抗滑穩(wěn)定性影響小，對(duì)壩基地基強(qiáng)度的影響亦有限。綜合分析表明，大壩中低壩壩段壩基巖體較完整，多以次塊狀及鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體為主，壩基巖體質(zhì)量類別以Ⅲ2、Ⅲ1類為主，大壩中高壩壩段壩基巖體多以塊狀及次塊狀結(jié)構(gòu)巖體為主，壩基巖體質(zhì)量類別以Ⅱ、Ⅲ1類為主。壩基范圍爆后聲波波速總體均較高，主要集中在4 000 m/s以上。

3.2 壩基處理設(shè)計(jì)

針對(duì)壩基范圍內(nèi)寬度小于50 cm的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面、部分泥填充Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面，混凝土澆筑前結(jié)構(gòu)面影響范圍內(nèi)加強(qiáng)人工清撬，視需要表面鋪鋼筋：針對(duì)深卸荷張開的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行專門的灌漿處理。其余Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面不專門進(jìn)行了處理，混凝土澆筑前加強(qiáng)清基和驗(yàn)收。針對(duì)局部分布零散，不便于整體挖除的Ⅳ類巖體，清基時(shí)加強(qiáng)清撬，后期加強(qiáng)固結(jié)灌漿。

3.3 基礎(chǔ)處理實(shí)踐及效果

2018年8月17日水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1 619.00 m，壩體滲壓力、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、滲漏量變化符合一般規(guī)律，2018年10月31日蓄水位維持正常蓄水位后，大壩壩基滲漏量5.66 L/s，壩體滲漏量0.53 L/s，滲漏總量為8.57 L/s，表明壩體混凝土澆筑質(zhì)量和基礎(chǔ)處理質(zhì)量較好，滲漏量較小。

4 泄洪消能設(shè)計(jì)與實(shí)踐

4.1 泄洪消能設(shè)計(jì)

在泄洪孔口的選擇時(shí)需設(shè)置具有較大超泄能力的表孔以降低汛期校核洪水位、降低壩高；同時(shí)，為滿足宣泄常年洪水、水庫(kù)放空和初期蓄水時(shí)向下游不間斷供水等需要，使樞紐泄水調(diào)度更加靈活，需設(shè)置相應(yīng)的壩身泄洪放空泄水孔。在泄量分配上(見表3、4)，力求使每套泄洪設(shè)施單獨(dú)運(yùn)行，加上電站機(jī)組過流量均能渲泄常年洪水，即兩套泄洪設(shè)施在宣泄常年洪水時(shí)能互為備用，分散泄洪流量和泄洪功率，提高安全度。工程采用3個(gè)開敞式溢流表孔、2個(gè)泄洪放空底孔方案及壩后水墊塘(護(hù)坡不護(hù)底)的聯(lián)合泄洪方案。孔口平面布置見圖2。

表3 泄洪建筑物各頻率洪水泄量分配成果

表4 各頻率洪水泄量

圖2 泄洪建筑物三維示意

壩身泄洪建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)按洪水重現(xiàn)期500年一遇設(shè)計(jì)，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇洪水，相應(yīng)的洪峰流量分別為11 500 m3/s和14 800 m3/s，水墊塘消能防沖按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)的洪峰流量為9 160 m3/s。

泄洪建筑物進(jìn)行了1∶40比尺的模型試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明泄水建筑物下泄各種頻率的洪水，都應(yīng)具有足夠的過流能力，表孔及泄洪放空底孔單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，可宣泄常年洪水；下游消能設(shè)施在宣泄設(shè)計(jì)洪水及其以下各級(jí)洪水流量，尤其是常遇洪水流量時(shí)具有良好的消能效果，經(jīng)消能后的流速小于河床抗沖流速。在宣泄校核洪水流量時(shí)，不造成消能設(shè)施及下游建筑物的嚴(yán)重破壞。

4.2 實(shí)踐及效果

2018年8月隨壩體混凝土澆筑完成，泄洪建筑物也隨之完建，并投入汛期度汛泄洪，經(jīng)過1個(gè)汛期的運(yùn)行，壩身泄洪建筑物運(yùn)行良好，泄量滿足設(shè)計(jì)要求，泄洪后檢查泄槽建筑物體形良好，沒有發(fā)生空蝕空化現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

通過黃登工程RCC重力壩設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐，結(jié)合工程監(jiān)測(cè)成果分析，對(duì)峽谷區(qū)RCC重力壩設(shè)計(jì)有以下思考和認(rèn)識(shí)：

(1)工程樞紐布置應(yīng)根據(jù)工程地形地質(zhì)條件，結(jié)合壩體穩(wěn)定、應(yīng)力條件和泄洪消能安全綜合比選確定。

(2)壩體原材料選擇和配合比設(shè)計(jì)對(duì)混凝土溫控措施影響大，宜采用合適的配合比和施工工藝，并加強(qiáng)施工工藝控制，以提高混凝土施工質(zhì)量。

(3)根據(jù)壩基開挖后揭示的工程地質(zhì)條件，采用具有針對(duì)性的基礎(chǔ)處理工程措施，可有效提高壩基的均質(zhì)性、抗?jié)B性，提高壩體滲流穩(wěn)定安全度。

(4)根據(jù)樞紐泄量和建筑物布置，選擇合適及合理的泄洪建筑物體形和布置，結(jié)合水力學(xué)模型試驗(yàn)成果和計(jì)算分析成果采取合理可行的泄洪消能方案是確保建筑物泄洪安全的必要手段。