青海峽谷某水庫混凝土面板堆石壩設計

宋磊

摘? 要：青海峽谷某水庫混凝土面板堆石壩，設計最大壩體高度56.5m，寬度8m，壩體上下游坡度均為1：1.4。為改善不良地形地質缺陷，本工程借鑒國內外已有混凝土面板堆石壩的成功經驗，結合區域已有工程地質條件，參照混凝土面板堆石壩設計規范，采用了混凝土面板、趾板、墊層、過渡層、堆石區等筑壩技術。文章研究結果旨在為壩體設計及大壩穩定性控制提供一定的參考。

關鍵詞：峽谷;混凝土面板堆石壩;趾板;參考

中圖分類號：TV641.4+3? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）25-0098-03

Abstract： The concrete face rockfill dam of a reservoir in Qinghai Canyon is designed with a maximum height of 56.5 m and a width of 8 m， and the slope of both upstream and downstream of the dam is 1 to 1.4. In order to improve the bad terrain and geological defects， this project draws lessons from the successful experience of the existing concrete face rockfill dam at home and abroad， combined with the existing engineering geological conditions in the region， and referring to the design code of concrete face rockfill dam， adopts dam construction technology， such as concrete face slab， toe slab， cushion， transition layer， rockfill area and so on. The purpose of this paper is to provide some reference for dam design and dam stability control.

Keywords： canyon; concrete face rockfill dam; toe slab; reference

1 工程概況

青海某峽谷混凝土面板堆石壩位于河谷相對狹窄河段，地域屬電性高原大陸氣候，冬寒夏涼，無霜期短，降水量少，平均氣溫3.2℃，年均降水量193.9mm。水庫壩址以上流域集水面積3773km2，平均徑流量4.23m3/s。壩址水庫主要目的是向下游農場灌區及宗加鎮新增灌區提供灌溉供水，規劃總灌溉面積約25.20萬畝。水庫正常蓄水位3405.00m，死水位3393.00m，總庫容3105萬m3，設計洪水位3402.9m，相應滯洪庫容521.5萬m3。壩址區為峽谷地形，呈“U”字型，為寬淺河谷，兩岸岸坡順直，天然坡度約30°-45°，壩址上游地區分布著廣闊的沙地及戈壁，地勢開闊、地形平緩，壩址區高程約3360m，壩址以上地區高程3500m-5200m。壩址區可能存在的工程地質問題，即壩基深厚砂礫石層的滲漏、沉降、滲透穩定問題和人工開挖邊坡的穩定問題。大壩工程屬（3）等工程，工程規模為中型，建筑物等級3級，水庫壩區的地震動峰值加速度為0.20g、地震動反應譜特征周期為0.45s，相應的場地地震基本烈度為Ⅷ度。

2 方案布置設計

2.1 壩址選擇

壩址比選采用相同的工程規模，即保證生態基流0.42m3/s，農業供水量7567萬m3，供水保證率75%。初步選定壩址處河谷相對狹窄河段，壩段長約1km，向上、下游，河谷逐漸開闊。在此壩段選擇兩條壩軸線相對較短，建壩條件相對較好、樞紐布置相對簡單、平順的壩址，作為本階段比較壩址。Ⅰ-Ⅰ壩址位于河流金水口上游約14.5km處，河谷呈“U”字型，兩岸岸坡順直，天然坡度約30°～35°，基巖地層為華力西期斑狀花崗巖（γ43），河床覆蓋層厚度55.5～81.7m，主要為砂礫石層。Ⅱ-Ⅱ壩址位于Ⅰ-Ⅰ壩址下游約600m處，河谷呈“U”字型，兩岸岸坡順直，天然坡度約30°～45°，局部形成陡崖，基巖地層為華力西期斑狀花崗巖（γ43）、細粒花崗閃長巖（γδ42b），河床覆蓋層厚度41.1～78.0m，主要為砂礫石層。

通過對比，Ⅱ-Ⅱ壩址壩軸線稍長，假若將泄水建筑物布置于右岸，土石方開挖方量較大，且溢洪道呈曲線型，施工較困難;假如將泄水建筑物布置于河道左岸，建筑物壩軸線長度雖較短，但是溢洪道和泄洪排沙洞出口消力池距壩腳較近，且消力池工程投資較大。泄洪排沙洞較短，無法與導流洞結合。Ⅰ-Ⅰ壩址右岸為凸岸，泄水建筑物布置較長，且建筑物布置平順，出口距下游壩腳較遠，不會對壩腳形成沖刷。泄洪排沙洞利用導流洞改建，可節省工程投資。綜合分析，推薦Ⅰ-Ⅰ壩址為選定壩址。

2.2 樞紐布置

該工程泄洪采用泄洪排沙洞與岸邊溢洪道相結合的方案，泄洪排沙洞布置在右岸，相較于布置在左岸，布置于右岸可以縮短長度、減小工程量，這樣對流態也較為有利。從施工角度分析，溢洪道若布置于左岸，呈彎曲狀，左岸局部地區形成陡崖，地質基礎較差，且大部分地區地勢陡峭，施工時較為困難;而若溢洪道布置于右岸，溢洪道呈直線型，除局部地區地勢較陡外，其他各處地勢較緩，施工難度較小。因此，岸邊溢洪道與泄洪排沙洞均布置于右岸。

3 壩體設計

大壩壩頂高程為3409.5m，最大壩高56.5m，防浪墻頂高程3410.7m，底高程3406.5m，壩頂寬度8m，壩體上下游坡度均為1：1.4，下游壩坡上設置寬度為6m的上壩道路，混凝土面板厚0.3m，壩頂示意圖，見圖1。

3.1 混凝土面板設計

根據《混凝土面板堆石壩設計規范》，中低壩可采用0.3m-0.4m等厚面板，結合本工程經驗，堆石壩屬中型壩體，設計面板厚度0.3m。面板配筋水平向配筋率0.34%，鋼筋直徑18mm，間距250mm;豎直向配筋率0.38%，鋼筋直徑22mm，間距330mm，水平鋼筋放在上面，以利于施工和行走。面板用混凝土采用強度等級為C30、抗滲等級為W10、抗凍等級為F200的混凝土。面板混凝土采用二級配骨料，最大粒徑4cm，水灰比小于二分之一，坍落度30-60mm，混凝土的含氣量控制在4%-6%。本設計中垂直縫的間距采用12m，在兩岸邊坡處采用相對較窄寬度的面板，垂直縫的間距取6m。

3.2 趾板設計

該大壩設計采用平趾板布置方案，即趾板等高線垂直于趾板基準線。根據《混凝土面板堆石壩設計規范》規定：巖基上趾板最小設計厚度應≥0.3m，本次設計中，趾板厚度設計為0.6m;趾板與面板連接處相互垂直，并使面板底面下特殊墊層區的厚度不小于0.9m，本次設計，特殊墊層區取2m。趾板采用頂、底雙層雙向配筋，每向均采用0.4%的配筋率，水平鋼筋在上，縱向鋼筋在下，混凝土保護層厚度為10cm。在周邊縫側的趾板混凝土中設抗擠壓鋼筋，防止止水周圍混凝土的剝蝕破壞。趾板用混凝土采用強度等級為C30，抗滲等級為W10、抗凍等級為F200。

3.3 壩體分區設計

壩體從上游向下游依次分為：面板上游面下部土質斜鋪蓋（1A）及其蓋重區（1B）、趾板（T）、混凝土面板（F）、墊層區（2A）、特殊墊層區（2B）、過渡區（3A）、主堆石區（3B）、下游次堆石區（3C）及下游護坡（P），見圖2。

（1）上游鋪蓋區（1A）。面板下部的上游側設置上游鋪蓋區，鋪蓋區是用防滲土料碾壓填筑或水下拋填，其作用是覆蓋周邊縫、趾板與混凝土防滲墻間的連接板及高程在3380m以下的混凝土面板，自動淤堵裂開的周邊縫或者出現裂縫的混凝土面板，恢復防滲性能。水平寬度2m。頂部高程3380.0m，上游坡度1：1.4。

（2）蓋重區（1B）。蓋重區位于上游鋪蓋區的上面，通常采用壩址工程區內建筑物開挖填筑，目的是為了增強防滲安全。蓋重區頂部寬度3m，頂部高程3380.0m，其上游坡度為1：2.5。

（3）墊層區（2A）。對于墊層料的設計，其最大粒徑，不超過8cm;小于0.5cm的顆粒，應控制在35%～45%范圍內;小于0.0075cm的顆粒，含量控制在3%～7%。墊層區孔隙率定為17%，級配連續。根據SL228-3.2.7條知，當采用機械化施工時，如汽車直接卸料、推土機平料的施工方式，墊層區水平寬度不小于3.0m，本次設計墊層區寬度取3.0m。

（4）特殊墊層區（2B）。特殊墊層區位于墊層區的末端，周邊縫的下側。設置特殊墊層區，均勻支撐混凝土面板，而且還可以在趾板處止水結構發生破壞時，與其附近的堵縫材料和水庫的泥沙共同發揮堵漏的作用，是周邊止水處的第二道防線。其段面近似梯形，下游坡比1：1.4。

（5）過渡區（3A）。過渡區的過渡料的設計中，過渡料的粒徑級配和密實度，要求位于墊層料和堆石料兩者之間;大顆粒粒徑，不超過30cm;小于0.5cm的顆粒，含量控制在12%～25%范圍內;小顆粒粒徑，要大于0.1mm。過渡料的粒徑級配要連續，不允許出現某一粒徑缺失的現象，孔隙率定為20%。抗剪強度要高、壓縮性要低，這是壓實后的過渡料的基本要求。根據SL228-3.2.8條，為滿足施工要求，過渡區的水平寬度不小于3m，本次設計過渡區水平寬度取4m。

（6）主堆石區（3B）。主堆石區位于壩軸線的上游部位。主堆石區的堆石料，其最大顆粒粒徑，與施工中設計的壓實厚度有關，要小于壓實層的厚度;20%是小于0.5cm 粒徑的上限含量;5%是小于0.0075cm粒徑的上限含量;孔隙率定為22%。混凝土面板堆石壩的穩定性，離不開主堆石區的支撐，在壓實后的堆石料，應具有自由排水性能、較高的抗剪強度和較低的壓縮性。

（7）下游次堆石區（3C）。次堆石料位于主堆石區下側。次堆石料的設計中，顆粒的粒徑級配也要求連續，80cm是顆粒的上限粒徑;35%是小于0.5cm粒徑的上限含量;8%是小于0.0075cm的顆粒上限含量;下游次堆石區的孔隙率應與主堆石區的孔隙率相近，定為23%。

（8）下游護坡（P）。下游護坡用以保護壩體下游的坡面，增強壩體的抗滑穩定性。下游護坡采用干砌石護坡，砌石材料選用抗風化能力強的花崗巖，填筑厚度為1.5m。

4 結束語

混凝土面板堆石壩抗震性能好，不會因為地震產生孔隙水壓力，對地形和地質具有良好的適應能力，施工簡便，受氣候影響較小，壩坡穩定性好，壩體滲透性好，幾乎不受滲透力影響。壩體設計中，應當充分綜合已有條件，降低工程施工難度，確保工程質量。在壩體設計完成后，必須進行必要的滲流分析和壩體穩定性分析，對壩體設計進行穩定性評估，以便為壩體滲流損失及發生失穩事故提供重要數據支撐。

參考文獻：

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