公伯峽水電站混凝土面板堆石壩設計

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簡介： 公伯峽水電站的攔河大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高139.0 m。該壩的特點是：壩址處于高地震區(qū)且河谷極不對稱，氣候寒冷，日溫差大、干燥，巖性變化復雜，開挖渣料質(zhì)量差別大，兩岸上游設有目前國內(nèi)較高的混凝土高趾墻。在設計中充分考慮了這些特點，就壩體穩(wěn)定、應力應變分析、壩體分區(qū)、壩料平衡、接縫止水結(jié)構(gòu)設計、混凝土高趾墻等進行了深入研究和優(yōu)化設計。
關(guān)鍵字：混凝土面板堆石壩 設計 公伯峽水電站

公伯峽水電站混凝土面板壩具有以下特點：面板壩處于極不對稱河谷中，左右岸平均坡度分別為30°和60°；右岸1 980.0 m高程以上為階地砂壤土及砂礫石層，致使面板受拉縫范圍大，右岸陡坡處周邊縫剪切變位較大；由于兩岸壩頭分別為電站進水口及溢洪道，結(jié)合地形地質(zhì)條件，兩岸均需設高趾墻；壩址處于高地震區(qū)，基本烈度7度，壩體設防烈度8度；壩體大部分（2／3）利用樞紐工程開挖料填筑，樞紐工程開挖量大，巖性變化復雜，分區(qū)時雖考慮了渣料性能差別，但利用開挖料難度仍較大；氣候寒冷，日溫差大、干燥，因此面板防裂問題較突出。
1 壩體設計

　　1.1 壩頂高程和壩頂寬度

　　水庫正常蓄水位和設計洪水位為2 005.0m，校核洪水位2 008.0m?？紤]了波浪爬高、風壅水面高、地震涌浪、地震沉陷及庫區(qū)滑坡涌浪等情況，經(jīng)計算壩頂高程由地震情況控制，防浪墻頂高程為2 011.3m，壩頂高程為2 010.0m，防浪墻底高程高于正常蓄水位0.5m（即2005.5m）。為保證拉模施工平臺寬度大于15.0 m及滿足壩頂交通要求，壩頂寬度確定為10.0 m。

　　1.2 壩坡設計

　　參考國內(nèi)外已建和在建100 m以上高混凝土面板壩的經(jīng)驗，結(jié)合本工程壩料的質(zhì)量和分區(qū)以及處于高地震區(qū)的特點，經(jīng)穩(wěn)定計算分析后，確定上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡（實坡）為1∶1.5～1∶1.3，綜合壩坡1∶1.79。

　　1.3 壩體材料分區(qū)及壩料設計

　　1.3.1 壩體材料分區(qū)?

　　(1) 壩體材料分區(qū)原則 。壩體中應有暢通的排水通道且壩料之間應滿足水力過渡的要求；壩軸線上游側(cè)壩料應具有較大的變形模量且從上游到下游壩料變形模量可遞減，以保證蓄水后壩體變形協(xié)調(diào)，盡可能減小對面板變形的影響，從而減小面板和止水系統(tǒng)遭到破壞的可能性；充分合理利用樞紐的開挖料，以達到經(jīng)濟的目的。

　　(2) 壩體材料分區(qū)。根據(jù)分區(qū)原則，壩體從上游向下游依次分為：面板上游面下部土質(zhì)斜鋪蓋（1A）及其蓋重區(qū)（1B）、混凝土面板、墊層區(qū)（2A）、墊層小區(qū)（2B）、過渡區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3BⅠ、3BⅡ）及下游次堆石區(qū)（3C）（見圖1）。堆石料較砂礫石有較大的抗剪強度和良好的透水性，故布置在上游側(cè)，而堆石特別是次堆石與砂礫石壓縮模量差別很大（主次堆石壓縮模量為砂礫石的1／3～1／10），其分界線應有較大坡度（1∶0.5～1∶1），以使其變形有漸變的過程。除墊層和主堆石間設過渡料外，砂礫石料底部也設過渡料層防止砂礫石沖蝕。

　　1.3.2 壩體材料設計?

　　（1）墊層料（2A）。墊層料由微、弱風化花崗巖和片麻巖加工而成。最大粒徑100 mm，小于5 mm的顆粒含量為35%～45%，小于0.1 mm的顆粒含量為4%～7%。設計干密度2.23 g／cm3，孔隙率16%，滲透系數(shù)K=1×10-3cm／s，允許滲透坡降J＞70。該區(qū)水平寬度3.0 m，鋪料厚度40.0 cm。為了改善壩體與岸坡的連接，在壩基部位墊層向下游延伸0.3 H（H為該處作用水頭）。

（2）過渡料（3A）。過渡料位于墊層與主堆石區(qū)之間，為微、弱風化花崗巖。最大粒徑300mm，小于5 mm的顆粒含量為3%～17%，小于0.1 mm的顆粒含量小于7%。設計干密度2.17 g／cm3，孔隙率18%，滲透系數(shù)K=1×10-1cm／s，允許滲透坡降J＞30。水平寬度3.0 m，鋪料厚度40.0 cm。在壩基與岸坡部位向下游延伸將墊層料包住。

　?。?）主堆石料（3BⅠ）。主堆石料Ⅰ區(qū)為大壩主要支撐體的一部分，兼作壩體排水體。為微、弱風化花崗巖和片巖，其中片巖含量不超過30%。最大粒徑800 mm，小于5 mm的顆粒含量小于8%，小于0.1 mm的顆粒含量小于5%。設計干密度2.15 g／cm3，孔隙率20%，鋪料厚度80.0 cm。

　?。?）主堆石料（3BⅡ）。為大壩主要支撐體的一部分，材料為砂礫石。最大粒徑450mm，小于5 mm的顆粒含量為15%～40%，小于0.1 mm的顆粒含量小于7%。設計相對密度0.8，鋪料厚度60.0 cm。

　?。?）次堆石料（3C）。次堆石料位于壩體下游干燥部位，為強風化花崗巖和弱風化片巖(試驗表明強風化片巖不宜作為上壩料)。級配連續(xù)，最大粒徑1 000mm，小于5 mm的顆粒含量小于35%，小于0.1 mm的顆粒含量小于8%。鋪料厚度100.0 cm，15 t振動碾碾壓6～8遍。

　?。?）墊層小區(qū)料（2B）。該區(qū)位于面板周邊縫下游，該部位狹窄，應加強人工夯實或采用平板震動器進行碾壓。材料為微、弱風化花崗巖和片麻巖。最大粒徑40 mm，小于5 mm的顆粒含量45%，小于0.1 mm的顆粒含量小于7%。設計干密度2.2 g／cm3，孔隙率17%，鋪料厚度20.0 cm。

　?。?）上游粉砂質(zhì)壤土壓坡（1A）。為封堵面板裂縫和周邊縫裂縫，在上游1 940.0 m高程以下面板上游側(cè)設置粉砂質(zhì)壤土壓坡，頂寬5.0 m，上游坡度1∶1.65，其上游側(cè)設置碎石蓋重體加以保護。

　　1.3.3 土石方平衡?

　　由于公伯峽壩址地質(zhì)條件復雜，巖性變化規(guī)律性差，主體工程開挖后，實際可利用上壩的石渣料數(shù)量、質(zhì)量均有很大變化。根據(jù)2002年3月底實際統(tǒng)計資料對壩體分區(qū)進行了調(diào)整優(yōu)化，以盡可能提高開挖料的利用率，減小料場補充量（圖1為調(diào)整后斷面）。經(jīng)調(diào)整后壩體總填筑量為476.33萬m3，利用開挖渣料318.97萬m3，占總填筑量的66.9%。其中墊層、過渡料由藥水溝料場開采，以保證其質(zhì)量。主次堆石利用開挖料達71%，不足部分由溢洪道引渠局部擴挖補充，砂礫石由下游水車村料場開采

2 壩體應力應變分析

　　壩體三維應力應變分析的計算模型采用雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型，混凝土材料采用線彈性參數(shù)，壩料采用非線性材料參數(shù)；動力分析采用等價非線性粘彈性模型進行計算；靜力計算模擬大壩壩體填筑、面板澆筑和分期蓄水過程，分33級進行仿真計算。動力計算是在水庫蓄水后遭遇地震，按場地基巖地震加速度過程線（100年超越概率2%）計算。

　　經(jīng)計算壩體的最大沉陷量140.9 cm，相當于壩高的1%，壩體內(nèi)的應力水平均小于1.0，說明壩體內(nèi)的堆石體不會發(fā)生剪切破壞。一期面板澆筑后，在壩體繼續(xù)填筑時，頂部10.0 m左右面板可能脫空?？⒐ぜ靶钏诿姘屙樒孪驊^大部分為壓應力，軸向應力河槽部位為壓應力（最大7.2 MPa），兩岸有一定拉應力區(qū)（最大0.5～2.5 MPa）。蓄水期面板最大撓度為28.5 cm，位于河床深槽部位，半壩高以上。面板軸向位移由河谷兩岸向河槽中央變形，最大位移1.5 cm。面板垂直縫僅主河槽部位受壓，兩側(cè)約80%范圍為張開區(qū)，最大張開變形為7.4 mm。在一期面板頂部附近及右岸陡坡下部的周邊縫位移較大（周邊縫最大變位：張開11.5 mm，沉陷19.8 mm，剪切24.8 mm），兩岸高趾墻的位移與應力狀態(tài)較好。

　　動力計算結(jié)果表明，在遭受8度地震的情況下，壩頂永久變形較大，垂直沉降35.1 cm，水平位移25.3 cm。動力反應較大，壩頂垂直和順河向地震反應最大加速度達4.18 m／s2和7.34 m／s2，地震反應加速度放大倍數(shù)達3.7。下游壩坡上部可能出現(xiàn)坍塌、滾石等局部破壞現(xiàn)象，但發(fā)生大范圍滑坡的可能性不大。在地震過程中，面板中動應力較大（最大振動拉應力達7.0 MPa），不能排除面板有出現(xiàn)局部損壞的可能。在動應力作用下，面板的垂直縫和周邊縫變位均有所增加，但增加量不大（5～18 mm）。

　　計算分析得出的壩體與面板應力變形規(guī)律與已建壩觀測結(jié)果相似，根據(jù)計算結(jié)果，在設計中采取了以下措施：周邊縫剪切變位較大，采用適應較大變形的止水結(jié)構(gòu)型式；適當放緩下游壩坡并采用上緩下陡（1∶1.5～1∶1.3）的形式，下游壩坡上部采用加錨筋的漿砌石護坡，防止地震引起的局部破壞，面板垂直縫設5條柔性壓縫，以滿足抗震要求；為減小一期面板與墊層間脫空現(xiàn)象，一期面板施工時，要求壩體填筑高度高于面板頂10.0 m以上

3 面板、趾板（高趾墻）及接縫設計?

　　3.1 面板設計?

　　鋼筋混凝土面板頂部厚度0.3 m，底部最大厚度0.7 m，控制最大水力梯度小于200（為196），面板總面積57 528 m2。面板分縫寬度考慮河谷部位壓性縫范圍較小，寬度均為12.0 m。面板采用單層雙向鋼筋（螺紋鋼筋），每向配筋率為0.3%～0.4%。在周邊縫及垂直縫側(cè)面設置抗擠壓鋼筋（細鋼筋），防止局部擠壓破壞。面板分二期澆筑，一、二期面板混凝土標號分別為C25W12F100和C25W10F300，為二級配混凝土。為防止面板裂縫除要求加強養(yǎng)護外，擬采用聚丙烯纖維混凝土（正進行試驗研究）。

　　3.2 趾板（高趾墻）設計

　　趾板是整個混凝土面板壩防滲系統(tǒng)的重要組成部分，可保證面板與壩基間的不透水連接。趾板建基面座落在弱風化巖石上，趾板寬度按垂直于趾板控制線（X線）由地基允許滲流比降（J＜15）確定。趾板寬度分別為5.0、6.0、7.5、9.0 m，趾板厚度分別為0.5、0.6、0.7 m。趾板在頂部布置單層雙向鋼筋，每向配筋率為0.3%，鋼筋與趾板錨筋相連。沿趾板軸線每30.0 m間距及在拐點兩側(cè)設永久伸縮縫，每15.0 m間距設施工縫。趾板混凝土為二級配混凝土，標號為C25W12F100。

　　左右岸混凝土高趾墻直接關(guān)系到面板防滲的可靠性和大壩的安全。右岸高趾墻最大墻高50.0 m，墻頂隨壩坡降低，墻頂寬度4～12 m，墻底寬度13.06～31.9 m，墻背坡1∶0.6。左岸高趾墻為溢洪道引渠邊墻，墻頂高程2 010.0 m，墻高38.0 m，墻底寬度9.52～21.31m。高趾墻在施工期要承受壩體堆石的側(cè)向壓力，在蓄水期還要承受幾個方向巨大的水壓力，為防止破壞上游面板和周邊縫止水或拉裂高趾墻下的灌漿帷幕，墻體不允許產(chǎn)生較大的變位。所以，高趾墻的受力以及在荷載作用下的工作狀態(tài)較一般的重力壩、擋土墻復雜。

　　本工程用材料力學方法及有限元法對形態(tài)不同的高趾墻進行了整體分析計算。根據(jù)計算結(jié)果，為保證墻體穩(wěn)定及墻底應力要求，左右岸高趾墻均需做成整體。底部設廊道進行接縫、帷幕灌漿并設排水，以減小基底揚壓力。

　　3.3 接縫止水設計?

　　接縫止水設計的原則：能適應接縫處的位移和滿足防滲要求，有利于施工及保證質(zhì)量，各道止水間應形成統(tǒng)一的防滲系統(tǒng)。

　　計算表明，周邊縫變位較大，做好周邊縫的止水是至關(guān)重要的。參照國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗，結(jié)合本工程周邊縫變位值，設3道止水。頂部設SR－2塑性填料，外部用SR保護蓋片（厚7 mm）和PVC壓條（厚6 mm）保護，縫口設橡膠棒（直徑50 mm）；中部設橡膠止水帶（H2－861型）；底部設F形止水銅片與面板垂直縫底部銅止水相接，為適應較大剪切變形，銅止水鼻寬和鼻高為30 mm和105 mm，鼻內(nèi)設30橡膠棒，并用聚氨脂泡沫塑料充填。周邊縫內(nèi)充填12 mm厚的瀝青木板。

　　面板張性縫設2道止水。頂部設SR－2塑性填料，外部用SR保護蓋片（厚7 mm）和PVC壓條（厚6 mm）保護；底部設W形止水銅片，鼻子內(nèi)設12橡膠棒并用聚氨脂泡沫塑料充填，縫面刷瀝青乳膠。

　　面板壓性縫位于河谷中部，且設置為柔性縫，其止水設置與張性縫相同，但縫內(nèi)需設瀝青木板。

　　面板與防浪墻間的伸縮縫設2道止水。頂部設SR－2塑性填料，外部用SR保護蓋片（厚7 mm）和PVC壓條（厚6 mm）保護；底部設W形止水銅片（厚1 mm）并與防浪墻伸縮縫內(nèi)的銅片止水相接，W形止水銅片的鼻子內(nèi)設?12橡膠棒并用泡沫塑料充填，縫面設12mm厚瀝青木板。

　　防浪墻墻體間的伸縮縫間距為10.0～20.0 m，縫內(nèi)設銅片止水1道，縫面充填L-600閉孔低發(fā)泡塑材板。

　　趾板間的伸縮縫設2道止水。頂部設橡膠止水帶；底部設銅片止水（厚1 mm），趾板間伸縮縫縫面刷瀝青乳膠。

　　趾板每15 m設1道施工縫，鋼筋穿過縫，并設12＠10 cm騎縫鋼筋，縫面要求鑿毛，并設1道橡膠止水帶。

4 壩基處理?

　　4.1 基礎開挖

　　趾板建基于弱風化巖石上，趾板下游0.3倍壩高范圍內(nèi)的基礎開挖至強風化中、下部巖石上，開挖面應平坦，基礎開挖面必須清洗干凈。其后至壩軸線基礎，將表面覆蓋及沖積層挖除至強風化巖石（松動層要挖除），不允許有高度大于1.0 m的陡坡和反坡，其間的連接坡度不陡于1∶1.4。壩軸線下游部分的基礎，將表面覆蓋及沖積層挖除，露出基巖面即可。壩軸線上游范圍兩岸要求削成平順連續(xù)的岸坡，開挖邊坡不陡于1∶0.5，壩軸線下游范圍兩岸要求削成不陡于1∶0.3的岸坡。左右岸高趾墻基礎均挖至弱風化巖石。

　　4.2固結(jié)灌漿?

　　固結(jié)灌漿僅在趾板和高趾墻基礎范圍內(nèi)進行，灌漿孔深入基巖5.0 m（位于左右岸高趾墻基礎，灌漿孔深入基巖8.0 m），孔排距3.0 m，梅花形布置。?

　　4.3 帷幕灌漿?

　　 帷幕灌漿沿趾板和高趾墻全線布置，位于趾板X線上游。主帷幕深度按以下兩個方面控制，取其大者為帷幕深度：帷幕深度不小于壩高的30%；帷幕深度插入到基巖相對不透水層（ω=3 Lu）線下5.0 m。經(jīng)帷幕結(jié)構(gòu)計算需在1 945.0 m高程以下設副帷幕，深度為10.0～15.0 m。主、副帷幕的排距為1.5 m，孔距均為2.0 m，帷幕最大深度為43.5 m。

　　4.4 斷層破碎帶處理

　　對于趾板基礎、趾板下游0.3倍壩高范圍內(nèi)基礎和高趾墻基礎遇到斷層時，將斷層破碎帶及斷層夾泥全部挖除，回填混凝土塞，處理深度：當斷層破碎帶寬度加影響帶寬度小于2.0 m時，混凝土斷層塞的深度為斷層寬度的1.0～1.5倍，當斷層破碎帶寬度加影響帶寬度大于2.0 m時，應進行專門處理設計。趾板部位的斷層破碎帶除進行開挖回填混凝土外，還進行固結(jié)灌漿并加深帷幕灌漿深度。壩軸線上游堆石體基礎遇到斷層時，應清除斷層表面的泥土，用厚度為20 cm的混凝土覆蓋。壩軸線下游堆石體基礎遇到斷層時，在斷層表面覆蓋墊層料和過渡料加以保護

5 原型觀測設計?

　　5.1 壩面位移觀測?

　　壩面共設位移測點35個，在壩頂布置15個測點，下游壩面布置12個測點，上游壩面正常蓄水位以上布置8個，工作基點在左右岸共設3組。采用極坐標法和水準測量的方法觀測壩面（壩頂、上下游壩面）的水平位移和垂直位移。

　　5.2 壩體內(nèi)部垂直位移和水平位移觀測?

　　壩體內(nèi)沿壩軸線方向布置3個觀測斷面，各觀測斷面在不同高程布置測點用水管式沉降儀、銦鋼絲水平位移計及電磁式沉降儀（僅在最大斷面布置），監(jiān)測壩體內(nèi)部垂直、水平位移及壩基沉降。各測點埋設管路引至下游壩面觀測室內(nèi)進行監(jiān)測。

　　5.3 面板變形（撓度）、應力應變觀測?

　　采用斜坡測斜管及面板下埋設垂直、水平位移計(或固定式測斜儀)的方法進行面板撓度的監(jiān)測，同時可監(jiān)測面板有無脫空現(xiàn)象。應力應變監(jiān)測采用可同時監(jiān)測面板溫度的三向、兩向應變計組、鋼筋計及無應力計。?

　　5.4 接縫位移觀測?

　　接縫位移采用測縫計觀測，其中周邊縫為三向測縫計，面板接縫及面板與兩岸高趾墻接縫為單向、雙向差動電阻式測縫計。

　　5.5 滲透壓力、滲透流量觀測?

　　壩基及面板下滲透壓力采用埋入式、差動電阻式滲壓計進行監(jiān)測。在壩體下游設截水墻，布置監(jiān)測壩體滲漏量用的量水堰。?

　　5.6 地震反應?

　　在壩體橫向觀測斷面處布置地震監(jiān)測儀，由監(jiān)測中控室內(nèi)計算機記錄壩體的地震反應情況。?

　　5.7 上下游水位監(jiān)測?

　　結(jié)合樞紐整體監(jiān)測系統(tǒng)，在上下游各布置1套自計水位計（周計或月計），監(jiān)測并記錄上下游水位變化過程；在壩頂或兩岸建筑物上設置溫度、風速監(jiān)測儀，記錄氣溫、風速的變化過程。