天花板碾壓混凝土拱壩設(shè)計特點

蘇 巖，王毅鳴，林健勇

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)，是金沙江一級支流牛欄江梯級開發(fā)的第七級，壩址距昭通市80 km，廠址位于壩址下游約3.3 km處，是一座以發(fā)電為主的水電工程。

壩址位于天花板峽谷進口段，兩岸地形陡峻，平均坡度為60°～80°， 河谷呈 “U” 形。 壩址基巖為震旦系東龍?zhí)督M粉晶白云巖和富藻粉晶白云巖，巖層平緩，傾向上游，單軸飽和抗壓強度36～70 MPa，為中硬巖。右壩肩主要發(fā)育有陡傾角斷層f11、f15，對抗滑穩(wěn)定有不利影響，需進行工程處理；左壩肩主要為順河向垂直裂隙，需作處理。天花板峽谷具有良好的修建拱壩的地形地質(zhì)條件。

天花板水庫正常蓄水位1 071.00 m，死水位1 050.00 m，水庫總庫容0.787億m3，最大設(shè)計壩高107.0 m。電站總裝機容量180 MW，保證出力43.5 MW，多年平均年發(fā)電量8.295億kW·h，年利用小時數(shù)4 608 h。天花板水電站主要由碾壓混凝土拱壩、右岸引水隧洞及地面發(fā)電廠房等建筑物組成。工程為三等中型工程，主要建筑物按3級建筑物設(shè)計，壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

工程于2004年開展前期設(shè)計工作，2007年12月30日實現(xiàn)大江截流，2011年2月底首臺機組并網(wǎng)發(fā)電。

2 采用適應(yīng)地形條件的壩型

天花板水電站壩址處河床狹窄呈 “U”形 ，河面寬30～40 m，正常蓄水位河谷寬約110 m，兩岸山體雄厚，岸坡陡峻，無適合布置溢洪道的地形條件。兩岸巖性為白云巖，巖層平緩，傾向上游，巖石條件好，適合修建拱壩。但由于溫控和抗裂要求，傳統(tǒng)的常態(tài)混凝土拱壩需分塊跳倉澆筑，其施工分縫、封拱灌漿、溫控措施均較為復(fù)雜，難以加快施工進度，而碾壓混凝土拱壩具有施工速度快、水泥用量少、水化熱溫升低、施工工藝簡單等特點，對于百米級的大壩也有許多實踐經(jīng)驗，因此，天花板大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩壩型。

根據(jù)壩址處地形地質(zhì)條件，選擇拋物線、橢圓、對數(shù)螺旋線3種拱壩拱圈形式進行了比選，雖然在滿足規(guī)范要求的應(yīng)力控制標準的前提下，對數(shù)螺旋線和橢圓拱壩的滿應(yīng)力水平較高，工程量小，設(shè)計比較先進，但考慮天花板壩址兩壩肩持力巖體不甚雄厚，尤其左壩肩下游側(cè)卸荷裂隙較發(fā)育、地形呈倒喇叭形，為使拱端推力更好地向山里偏轉(zhuǎn)，使壩肩獲得更好的穩(wěn)定性和不敏感性，應(yīng)當力求使拱形扁平化，使拱端推力角小一些。由計算可知，拋物線拱壩左壩肩推力角要小一些，壩肩抗滑穩(wěn)定性能最好，安全儲備較大，且抗震性較好，因此天花板拱壩拱形選擇拋物線拱。

天花板拱壩的體形為拋物線型雙曲拱壩，最大壩高107.0 m，壩頂高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，壩軸線長159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。壩體混凝土總量27.3萬m3，其中碾壓混凝土約20.2萬m3，強度等級為C18020；常態(tài)混凝土約7.1萬m3，強度等級為C2825，局部高強耐磨常態(tài)混凝土強度等級為C9040。因壩址處岸坡陡峻，泄洪消能采用壩身泄洪方式，3個表孔、2個中孔和1個排沙孔相結(jié)合布，泄洪軸線處溢流前沿總長度67.50 m。

3 根據(jù)地質(zhì)條件選擇壩肩開挖方式及壩基建基面高程

根據(jù)天花板大壩兩壩肩的地形地質(zhì)條件，兩壩肩采用不同的開挖方式。

左壩肩岸坡陡峻，強風(fēng)化層較淺，岸坡自身穩(wěn)定條件較好，為避免大范圍開挖及由此產(chǎn)生的高邊坡，對左拱肩槽采用窯洞式開挖方式。首先清除表層風(fēng)化及卸荷巖體，在弱風(fēng)化巖體中采用窯洞式掏挖；窯洞洞臉以上邊坡為1∶0.2。窯洞開挖時利用左岸1 076.80 m高程的交通洞一直掘進到河岸臨空面，然后按要求從上至下進行壩基開挖，壩頂高程處窯洞段洞身長9 m，開挖寬度為10 m，凈寬8 m，凈高6.32 m，洞口段設(shè)有鎖口錨桿和鋼筋混凝土襯砌。窯洞開挖體形控制為：自壩頂1 076.80 m高程以下按拱壩體形厚度，兩側(cè)各預(yù)留100 cm作為壩體混凝土澆筑支?？臻g，窯洞式開挖范圍為從壩頂至969.8 m高程。

左壩肩由于采用窯洞式開挖，大大減少了開挖工程量，有效降低了開挖邊坡高度，最大開挖坡高約57 m。采用窯洞式開挖對壩肩巖體影響較小，有利于拱壩壩肩及壩體穩(wěn)定。

右壩肩岸坡略緩，且右拱端上游35 m處布置有電站進水口，結(jié)合引水系統(tǒng)進水口及其與壩肩連接路的開挖，盡可能地控制開挖坡比和高度。壩頂高程以下右拱肩槽內(nèi)巖體相對較為破碎，f15斷層從壩肩拱端近軸線方向穿過，同時分布有一系列陡傾角的f27、f34斷層等，完整性較左壩肩要差。為了減少高邊坡開挖以及對拱座持力體的擾動，右拱肩槽采用槽挖方式。在清除開挖影響范圍內(nèi)的表層覆蓋層和巖面表層松動不穩(wěn)定體及風(fēng)化程度較強的部位后，依照拱圈體形，兩邊緣各留1 m進行開挖，槽挖部分高度為30 m左右。

天花板大壩原設(shè)計建基面高程為963.8 m，大壩高113.0 m。隨著大壩基礎(chǔ)開挖的揭露，至969.8高程附近巖石完整性良好，達到II～III類巖石水平，結(jié)合聲波測試成果，確定已開挖的壩基巖體質(zhì)量經(jīng)工程處理后可基本符合修建百米級高壩建基面的要求；再經(jīng)過壩體應(yīng)力分析，在基本不調(diào)整拱壩體形的前提下，抬高建基面高程6 m，能滿足大壩應(yīng)力要求。因此，天花板拱壩建基面高程抬高至969.8 m。

對拱壩壩肩開挖方式和拱壩建基面的優(yōu)化設(shè)計，減少了施工難度和工程量，為天花板水電站順利施工創(chuàng)造了良好條件。

4 采用有利于施工的拱壩結(jié)構(gòu)分縫方案

天花板拋物線雙曲拱壩最大壩高107.0 m，壩頂上游面弧長159.87 m，根據(jù)拱壩應(yīng)力分析成果和工程實際，采用了誘導(dǎo)縫和橫縫組合方案。為充分發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的優(yōu)越性，壩體不設(shè)施工縫，采用整體、薄層、通倉、全斷面碾壓澆筑，只在壩體可能產(chǎn)生裂縫的部位設(shè)置了兩條誘導(dǎo)縫，1號誘導(dǎo)縫位于1號表孔左側(cè)，2號誘導(dǎo)縫位于排沙孔右側(cè)。誘導(dǎo)縫采用徑向布置，將壩體分成3段，從左至右各壩段的間距 （沿上游面弧長）分別為42.65、78.55、38.56 m。誘導(dǎo)縫采用混凝土預(yù)制塊形成，使其在壩體同一斷面上預(yù)先形成若干個人造縫隙，削弱該斷面的有效受拉面積，在混凝土預(yù)制板內(nèi)設(shè)置重復(fù)灌漿系統(tǒng)，誘導(dǎo)縫上游側(cè)安裝銅止水和橡膠止水各一道，下游側(cè)安裝一道橡膠止水，上下游橡膠止水兼作封拱灌漿的止?jié){片。

在壩體混凝土澆筑至978.45 m高程以后，因進行大壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿而形成了長間歇層，此時正值進入高溫季節(jié)，該部位混凝土也還處于基礎(chǔ)強約束區(qū)，溫控仿真計算結(jié)果顯示，979 m高程及以上部分壩體施工期溫度應(yīng)力處于高拉應(yīng)力水平，存在開裂的風(fēng)險。通過分析研究，在979～1 027 m高程之間、位于泄洪中心線偏左3 m的位置增設(shè)一道橫縫，采用徑向布置。兩條誘導(dǎo)縫及一條橫縫將壩體分為4段，1 027 m高程處上游側(cè)長度由左至右分別為35.49、38.15、56.15、26.45 m。橫縫內(nèi)預(yù)設(shè)重復(fù)灌漿系統(tǒng)，橫縫上游側(cè)設(shè)銅止水和橡膠止水各一道，下游側(cè)設(shè)一道橡膠止水，上下游橡膠止水兼作封拱灌漿的止?jié){片。

為減小施工干擾，壩體內(nèi)部不設(shè)置豎井，只在979.00、1 010.00、 1 027.00、1 042.00 m高程設(shè)置4層縱向水平廊道，以滿足基礎(chǔ)灌漿、壩體排水、觀測檢查、交通等要求，而將集水井和吊物井布置于壩后2號表孔懸臂之下作為支撐。

5 壩體材料優(yōu)化及碾壓混凝土自身防滲

為了降低水化熱溫升對壩體應(yīng)力的影響，簡化溫控措施，根據(jù)天花板大壩混凝土材料的特點，對壩體混凝土進行了大量的試驗分析，并根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗，采用了高摻粉煤灰和低水泥用量的碾壓混凝土筑壩。C20二級配碾壓混凝土水泥用量為82 kg/m3，摻55%的粉煤灰；C20三級配碾壓混凝土水泥用量為57 kg/m3，摻65%的粉煤灰；水泥為普通硅酸鹽水泥，碾壓混凝土設(shè)計齡期為180 d；三級配碾壓混凝土抗凍等級為F50。對大壩溢流面采用了HF高強抗沖耐磨C9040W8F100混凝土。

天花板碾壓混凝土拱壩以三級配碾壓混凝土作為壩體主體結(jié)構(gòu)，在上游面以二級配富膠凝材料碾壓混凝土作為防滲層，二級配防滲混凝土底部厚5 m （969.85 m高程），頂部厚1.8 m （1 075 m高程）兩壩肩與基巖接觸面部位采用1 m厚等強度變態(tài)混凝土，上下游表面采用0.5 m厚等強度變態(tài)混凝土。除此之外，大壩未采用任何防滲材料。

6 采用適應(yīng)地形條件的泄洪消能方案

為了減少施工干擾，保證壩體混凝土澆筑快速碾壓上升，應(yīng)盡量減少壩體孔洞設(shè)置。但天花板水電站設(shè)計洪水流量大，校核洪水流量達5 650 m3/s，若在兩岸設(shè)置泄洪洞非常不經(jīng)濟，只能采用壩身泄洪方式；而天花板大壩壩址處河谷狹窄，正常蓄水位高程河谷寬度僅110 m，集中布置5個泄洪表孔非常困難，且對下游河床的消能沖刷十分不利。經(jīng)多方案的泄洪建筑物布置比較，天花板水電站泄洪建筑物采用壩身三層泄洪布置方式。壩址處河床寬度約為30～40 m，水庫調(diào)蓄后最大下泄流量為5 046 m3/s，泄洪最大水頭為69.57 m，相應(yīng)的下泄功率約為3 500 MW，屬于典型的窄狹谷、大泄量，壩后消能問題嚴峻。設(shè)計時按照 “水舌平面分散、縱向分層拉開、總體入水歸槽”的思路，合理選擇水舌入水寬度，最大限度地分散水舌；使水舌沿縱向拉開，以減少消能區(qū)單位面積的消能功率、減小下游沖坑深度。

根據(jù)地形條件，并經(jīng)水工模型試驗驗證，泄洪建筑物采用壩身相間的 “三溢流表孔、兩泄洪中孔、一排沙孔”的布置方案，溢流前沿總寬67.5 m。泄洪中心線走向與河道走向一致，與拱壩中心線不重合，兩者存在4.3°的夾角。溢流表孔堰頂高程1 062.50 m，孔口寬10 m，1、3號表孔挑角為10°，鼻坎高程1 050.636 m；2號表孔俯角為9°，鼻坎高程1 046.364 m。泄洪中孔采用有壓長管式布置，進口底板高程1 020.00 m，出口斷面尺寸5 m×6.5 m（寬×高），出口挑角均采用平底式，即挑角為0，尾坎采用窄縫式異型鼻坎。排沙孔進口高程1 025.00 m，孔口尺寸為2 m×4 m （寬×高），為保證發(fā)電進水口 “門前清”，排沙廊道設(shè)在進水口前緣，廊道孔口尺寸為3 m×4 m （寬×高），進水口前廊道段順水流方向設(shè)有7個側(cè)向進流孔，孔口尺寸為3.5 m×2.5 m（寬×高）。

7 充分利用地形條件采用短護坦長護岸方案

由于天花板拱壩下游河床狹窄，巖石完整性較好，泄洪時下游水位較高、水深較大，加上大壩泄洪建筑物泄水挑距較遠，利用泄洪自然沖坑形成水墊塘能滿足泄洪消能的需要，經(jīng)水力學(xué)計算和水工模型試驗，決定不設(shè)置二道壩和水墊塘，為了防止小流量對壩腳的淘刷，僅設(shè)置了短護坦以保證大壩基礎(chǔ)安全。護坦布置在壩體下游緊接大壩處，順河向長40 m，兩側(cè)與左右護岸采用貼坡式擋墻相接。護坦頂高程973 m，厚3 m，分塊長度以不超過10 m為原則。為防止沖刷，在護坦下游末端處設(shè)深齒槽，齒槽底高程966 m?；炷磷o坦采用碾壓混凝土施工工藝，底部1 m采用二級配C18020W8F100常態(tài)混凝土找平，表層2 m采用二級配C18020W8F100碾壓混凝土。

根據(jù)壩體下游左右岸具體的地形地質(zhì)條件，對兩岸強霧化分布區(qū)進行了不同的防護設(shè)計。左岸巖體條件較好，在下游校核水位1 007.04 m以下布置了貼坡式混凝土邊墻，一直到下游倒喇叭口f5出露處，長約60 m；右岸巖體條件較差，需對f15、f11斷層區(qū)加強支護，除提高近壩區(qū)貼坡式混凝土邊墻高程外，還將邊墻一直延伸至下游f11斷層出露處，長約70 m。

8 結(jié)語

天花板水電站碾壓混凝土雙曲拱壩設(shè)計中，總結(jié)了國內(nèi)外壩工建設(shè)的實踐經(jīng)驗，運用許多先進的科學(xué)技術(shù)手段和設(shè)計方案，選擇適合地形地質(zhì)條件的壩型，優(yōu)化了拱壩拱圈體形，經(jīng)多方案比選，優(yōu)化了壩身泄洪建筑物結(jié)構(gòu)布置形式，優(yōu)選適合的壩肩開挖方式和壩基處理方案，選擇了先進的拱壩混凝土配合比和大壩防滲形式。這些先進的大壩設(shè)計理念和措施，有效地保證了拱壩施工質(zhì)量和工程進度，降低了工程投資，保證了工程的順利開展。