小烏江水庫堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)

王志強(qiáng)，張文毅，鄒建鋒

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概述

堆石混凝土[1-3]是一種新型混凝土材料，是利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)、抗分離性能好以及自流動(dòng)的特點(diǎn)，在粒徑較大的堆石內(nèi)隨機(jī)充填自密實(shí)混凝土而形成的混凝土堆石體。自2005年以來，堆石混凝土筑壩技術(shù)開始逐步應(yīng)用于工程，現(xiàn)已在多個(gè)省市區(qū)建設(shè)了超過60座堆石混凝土重力壩[4]。小烏江水庫工程位于余慶縣龍溪鎮(zhèn)紅軍村境內(nèi)的麻溪河上，總庫容為434萬m3，工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型工程。大壩樞紐建筑物由堆石混凝土重力壩、壩身泄洪、放空兼生態(tài)放水管及取水塔等組成。

2 地質(zhì)條件

壩址所處位置河谷基本呈對(duì)稱“V”形，壩區(qū)河谷蜿蜒，河灣較大，河谷寬10 m～25 m，河床縱比降16.5‰。壩址右岸、壩基及左岸下部出露地層主要為寒武系金頂山組(∈1j1)，巖性為灰黑色、深灰色中厚層夾薄層細(xì)砂巖夾鮞狀灰?guī)r及少量泥頁巖；左岸上部出露地層為金頂山組(∈1j2)，巖性為灰色、灰黃色泥巖夾薄層灰?guī)r、砂巖及頁巖。巖層總體傾左岸偏下游，產(chǎn)狀為N10°W～N10°E，NE/SE∠25～30。地質(zhì)參數(shù)表見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)表

3 工程布置與設(shè)計(jì)

3.1 基本布置情況

大壩壩頂高程822.20 m，壩頂寬5.00 m，壩軸線長195.00 m。大壩基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖中上部，建基面高程775.00 m，最大壩高47.20 m。大壩共分7個(gè)壩段，最大壩段長35 m，5號(hào)壩段為溢流壩段，6號(hào)壩段為取水兼放空壩段，1號(hào)～5號(hào)壩段壩踵設(shè)齒槽，4號(hào)～5號(hào)壩段齒槽深度為2 m，1號(hào)～3號(hào)壩段齒槽深度從0 m漸變到5.9 m。

泄水建筑物由3個(gè)壩身溢流表孔構(gòu)成，單個(gè)溢流表孔凈寬6.0 m，總寬18 m，中間閘墩間隔，閘墩厚1 m，泄槽寬20 m。溢流面與下游消力池底板用圓弧連接，圓弧半徑17.50 m。消力池長20 m，池深1.5 m，底板高程782.00 m，底板混凝土厚度1.0 m。

放空兼生態(tài)放水建筑物布置于左岸，主要由閘門井、啟閉排架、啟閉機(jī)室、壩身埋管及出口閘室等組成。進(jìn)口為喇叭口，孔口尺寸1.5 m×1.5 m，進(jìn)口設(shè)攔污網(wǎng)和平面檢修閘門，閘門啟閉機(jī)室置于閘門井頂部。平面檢修門后設(shè)通氣兼檢修孔，其后通過方變圓接壩內(nèi)埋管，埋管為DN1 000 mm鋼管，鋼管壁厚為12 mm。在下游閘閥室處埋管上分接1根DN200 mm生態(tài)放水管。放空鋼管在閘閥室內(nèi)設(shè)DN1 000 mm偏心半球閥作為工作閥；生態(tài)放水管上設(shè)置檢修和工作閘閥各一個(gè)，庫水經(jīng)放空管或生態(tài)流量管下放至消力池下游河道內(nèi)。

泵站包括取水排架、泵房及水泵機(jī)組等。泵站位于大壩左壩段，緊靠放空兼生態(tài)放水建筑物布置，泵房位于取水排架頂部，泵房內(nèi)設(shè)置單梁式吊車梁，額定起重荷載為10 t，用于泵房內(nèi)水泵分層取水的起吊及水泵機(jī)組、揚(yáng)水管檢修吊裝；取水排架采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)承重，樁底置于弱風(fēng)化基巖上，樁身截面尺寸為1.6 m×1.6 m，取水排架迎水面設(shè)置0.3 m厚C25鋼筋混凝土墻面，分別在3個(gè)不同高程處設(shè)置兩個(gè)1.0 m×0.8 m(長×高)分層取水口。水泵機(jī)組布置于泵房內(nèi)，共布置3臺(tái)，兩用一備，按“一”字形擺放安裝，水泵后接DN250 mm揚(yáng)水管，庫內(nèi)取水后經(jīng)控制閘閥和DN300 mm出水管匯入輸水管線至水廠。

工程防滲包括壩址區(qū)防滲帷幕和庫區(qū)防滲帷幕，壩址區(qū)防滲帷幕線總長約333 m，面積0.94×104m2，單排灌漿孔，孔距2 m，灌漿按3序施工。庫區(qū)防滲帷幕分兩期進(jìn)行：一期沿帷幕線正常鉆孔、灌漿施工，單排帷幕，孔距2.0 m，根據(jù)現(xiàn)場帷幕鉆孔掉鉆情況、地下水位觀測、壓水情況、灌漿耗漿量等探明巖溶管道具體位置，分布高程、規(guī)模和尺寸；二期根據(jù)一期帷幕施工探明的巖溶管道具體情況，對(duì)巖溶管道進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)及施工；庫區(qū)防滲帷幕線總長約593 m，面積3.65×104m2，巖溶管道封堵采用C15W6高自密實(shí)性能混凝土。

大壩上游立面圖見圖1。

3.2 壩體典型斷面設(shè)計(jì)及抗滑穩(wěn)定計(jì)算

大壩基本斷面呈直角三角形，壩頂寬度5.00 m，壩頂高程822.20 m，建基面高程775 m，最大壩高47.2 m，最大壩底厚度38.77 m；壩體上游面795.00 m高程以下坡比1∶0.2，795.00 m高程以上為鉛直面，下游壩坡1∶0.75，起坡點(diǎn)高程為814.96 m。根據(jù)大壩建基面地質(zhì)情況，大壩左岸岸坡壩段及河床壩段建基面與巖層層面斜交，大壩右岸岸坡壩段建基面與巖層層面平行；左岸壩段7號(hào)壩段位于∈1j2薄層泥灰?guī)r夾少量泥質(zhì)粉砂巖、頁巖上，巖體質(zhì)量相對(duì)較差。大壩建基面抗滑穩(wěn)定及深層抗滑穩(wěn)定需根據(jù)不同地質(zhì)條件分壩段進(jìn)行研究計(jì)算：

1)4號(hào)～7號(hào)壩段建基面滑動(dòng)主要為剪斷巖體的滑動(dòng)模式；4號(hào)～7號(hào)壩段深層滑動(dòng)主要以巖層層面為底滑面，側(cè)向以剪斷巖體為側(cè)面滑動(dòng)面，以裂隙面為剪出面組成楔形塊體往下游滑動(dòng)的滑動(dòng)模式。2)1號(hào)～3號(hào)壩段滑動(dòng)主要以巖層層面為底滑面，以裂隙面為剪出面組成楔形塊體往下游滑動(dòng)的滑動(dòng)模式。大壩危險(xiǎn)滑面示意圖(上游下視)見圖2。

經(jīng)過初步核算(壩基未設(shè)齒槽的情況下)，大壩5號(hào)～7號(hào)壩段建基面滑動(dòng)和深層滑動(dòng)穩(wěn)定問題不突出，基本能滿足規(guī)范要求；大壩1號(hào)～4號(hào)壩段淺層滑動(dòng)問題較為突出，其中3號(hào)壩段計(jì)算安全系數(shù)最低(1.32)，小于規(guī)范要求值(3)；故針對(duì)1號(hào)～4號(hào)壩段，在壩踵位置增設(shè)齒槽(5號(hào)壩段部分設(shè)齒槽)，4號(hào)～5號(hào)壩段齒槽深度為2 m，1號(hào)～3號(hào)壩段齒槽深度從0 m漸變到5.9 m，經(jīng)驗(yàn)算后，其抗滑穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)均大于3，3號(hào)壩段計(jì)算安全系數(shù)為3.25/3.07/3.00(正常蓄水位工況/設(shè)計(jì)洪水位工況/校核洪水位工況)。

3.3 壩體材料分析設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5-6]及類似工程經(jīng)驗(yàn)[7-9]，壩體上游面設(shè)0.5 m厚C9015自密實(shí)混凝土防滲層，防滲層抗?jié)B等級(jí)要求為W6，抗凍等級(jí)要求為F50，自密實(shí)混凝土與大壩堆石混凝土一起澆筑，最終形成整體結(jié)構(gòu)，C9015自密實(shí)混凝土實(shí)施過程中水泥用量單方混凝土為159 kg，并大量摻粉煤灰，粉煤灰比例在66%以上。基礎(chǔ)設(shè)1 m厚C20常態(tài)混凝土墊層，墊層混凝土抗?jié)B等級(jí)要求為W6，抗凍等級(jí)要求為F50，與壩體上游面防滲層相結(jié)合形成封閉的防滲結(jié)構(gòu)。壩體內(nèi)部為C9015堆石混凝土，堆石混凝土抗?jié)B等級(jí)要求為W4，抗凍等級(jí)要求為F50，堆石率按55%設(shè)計(jì)，堆石料應(yīng)采用弱風(fēng)化和新鮮灰?guī)r，應(yīng)新鮮、完整、質(zhì)地堅(jiān)硬、沒有剝落層和裂紋，不宜為片狀巖石。堆石料粒徑應(yīng)不小于300 mm，最大粒徑不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)斷面最小邊長的1/4，且不超過1.0 m，堆石料不允許含泥塊。本工程實(shí)際堆石率在58%左右。壩頂設(shè)0.6 m厚C20常態(tài)混凝土。大壩典型斷面圖見圖3。

3.4 壩體分縫、止水及排水設(shè)計(jì)

大壩設(shè)6條橫縫，分7個(gè)壩段，分縫最大寬度為35 m；在每個(gè)壩段上游面對(duì)C9015致密性防滲層進(jìn)行分縫，各分一條縫。在大壩橫縫上游面、防滲層和下游面最高水位以下分縫布置止水設(shè)施。上游壩面橫縫內(nèi)設(shè)置一道“W”型銅片止水，下游最高水位以下縫面設(shè)置一道“W”型銅片止水，止水距上、下游面0.4 m，止水片埋入基巖0.25 m。

壩內(nèi)設(shè)一道基礎(chǔ)灌漿及排水廊道，廊道斷面尺寸3.0 m×3.5 m(寬×高)，底部高程為786.00 m，左右岸均至高程800.00 m，廊道采用C25二級(jí)配常態(tài)混凝土。為降低壩基揚(yáng)壓力，在壩基防滲帷幕下游側(cè)附近布置一排排水孔，排水孔間距為3.0 m，孔徑110 mm，排水孔深度為上游防滲帷幕深度的0.4倍～0.6倍，壩基排水孔在壩體灌漿排水廊道內(nèi)施工；在壩體上游防滲層靠近下游側(cè)設(shè)置鉛直排水管系，排水管采用多孔無砂混凝土管，內(nèi)徑為150 mm，孔距為3.0 m；河床壩段排水管下部通至縱向排水廊道，兩岸壩肩壩段排水管施工應(yīng)在混凝土施工前在壩肩預(yù)埋DN300鋼管，排水管嵌入預(yù)埋鋼管內(nèi)，最終通過預(yù)埋鋼管匯入灌漿廊道排至壩體下游外。

4 施工過程及效果

大壩堆石采用自卸汽車運(yùn)輸至工作面后，利用反鏟進(jìn)行堆放，壩體上游面堆石距離模板預(yù)留至少0.5 m的空間，用于防滲層的澆筑，每層堆石厚度按2.0 m控制，粒徑較大的堆石料優(yōu)先置于大壩的上游側(cè)和堆石體的中下部，C9015自密實(shí)混凝土從堆石體表面進(jìn)行澆筑，澆筑完畢后具備一定數(shù)量的堆石露出倉面。C9015自密實(shí)混凝土采用布料機(jī)在倉面進(jìn)行供料，共布置一臺(tái)布料機(jī)，采用DN100 mm泵管泵送至布料機(jī)。堆石混凝土高峰月澆筑強(qiáng)度達(dá)到1萬m3，月平均上升高度為4 m。

2019年7月大壩封頂，根據(jù)現(xiàn)場裂縫檢查統(tǒng)計(jì)，在壩體內(nèi)部及大壩上游防滲層均未發(fā)現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，通過壩體內(nèi)部分高層埋設(shè)溫度計(jì)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果，壩體溫度在11.1 ℃～34.7 ℃之間，測點(diǎn)溫度最大變幅20.8 ℃，堆石混凝土澆筑過程水化熱產(chǎn)生的絕對(duì)溫升在7.1 ℃～11.6 ℃之間，大壩溫控防裂整體效果良好。根據(jù)大壩堆石混凝土取芯結(jié)果，芯樣層間結(jié)合面抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)較高，抗壓強(qiáng)度較高，f值為1.27～1.40，c值為1.66 MPa～2.35 MPa，抗壓強(qiáng)度為21.0 MPa～30.4 MPa。

5 結(jié)語

堆石混凝土重力壩具備造價(jià)較低、施工工藝簡單、施工進(jìn)度較快、溫控簡便、高強(qiáng)耐久等優(yōu)勢。目前小烏江水庫工程已基本完工，各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)較好，壩體取芯結(jié)果較好，堆石混凝土在重力壩中具備廣闊的應(yīng)用前景。