溫泉水電站混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)

張 偉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院；830000，烏魯木齊）

一、工程概況

溫泉水電站位于新疆某河中游馬扎爾峽谷內(nèi)，水庫(kù)總庫(kù)容為2.07億m3，水電站總裝機(jī)容量為135 MW，以發(fā)電為主，多年平均年發(fā)電量7.61 億kWh。 工程為大（2）型Ⅱ等，大壩為1級(jí)建筑物。

溫泉水電站壩址河谷呈V形，河流縱坡6.9‰。谷底高程870 m左右，兩岸山頂高程1 182～1 600 m，右岸自然坡角多在70°～80°之間，局部近于直立。壩址分布下石炭統(tǒng)東圖精河組和第四系地層，巖體呈厚層狀—塊狀。壩址基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～5 m，弱風(fēng)化層厚10～15 m。左岸卸荷帶水平寬度 3～15 m，順河長(zhǎng) 95 m，垂直深度約65 m；右岸卸荷帶水平寬度2～5 m。壩址區(qū)地震基本烈度Ⅷ度，大壩抗震設(shè)防烈度Ⅷ度。

大壩軸線位于托海電站水庫(kù)回水末端上游河灣處，導(dǎo)流、泄洪和發(fā)電引水系統(tǒng)均布置在右岸，從左往右依次為表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水洞、導(dǎo)流洞。發(fā)電洞進(jìn)口及深孔泄洪洞進(jìn)口聯(lián)合布置，表孔溢洪洞進(jìn)口單獨(dú)布置。導(dǎo)流洞從發(fā)電洞底部穿過(guò)，與深孔泄洪洞采用“龍?zhí)ь^”的形式結(jié)合布置，后期導(dǎo)流洞將被封堵廢棄。廠房布置在下游右岸。

二、大壩設(shè)計(jì)

1.大壩輪廓設(shè)計(jì)

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高102 m，壩頂寬 10 m，壩頂長(zhǎng)306 m。防浪墻高4.2 m，防浪墻采用L形結(jié)構(gòu)。防浪墻底部與面板相接處設(shè)沉降縫。大壩上游坡度為1∶1.5，下游坡度（上壩公路間）為 1∶1.3、1∶1.5。 下游壩坡采用漿砌塊石護(hù)坡。

2.壩體分區(qū)及壩料填筑設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程天然建筑材料分布情況和壩料設(shè)計(jì)原則，混凝土面板堆石壩壩料從上游至下游分為6個(gè)填筑分區(qū)。主要設(shè)計(jì)方案如下：

①上游鋪蓋區(qū)。該區(qū)位于面板上游，上游坡度不陡于 1∶1.7，頂寬 5m，作為補(bǔ)充的防滲體和一旦發(fā)生滲漏時(shí)的封堵材料。采用T2料場(chǎng)土料，利用運(yùn)輸和推平設(shè)備自然壓實(shí)，不做專門碾壓。作用是形成面板上游的防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)，并與特殊墊層區(qū)起到淤堵開(kāi)裂的周邊縫，實(shí)現(xiàn)自愈的作用。

②上游蓋重區(qū)。該區(qū)位于上游鋪蓋區(qū)上游，頂寬10 m，上游坡度不陡于1∶2，其作用是保護(hù)和穩(wěn)定上游鋪蓋區(qū)土料。采用各建筑物開(kāi)挖過(guò)程中的開(kāi)挖棄渣料，利用運(yùn)輸和推平設(shè)備自然壓實(shí)，不做專門碾壓。

③墊層區(qū)。該區(qū)為面板下墊層料，水平寬度4 m，采用砂礫料場(chǎng)篩分料。特殊墊層區(qū)位于周邊縫下部，其作用是利用反濾周邊縫滲漏水流中的上游鋪蓋區(qū)土料，阻塞滲漏通道。

④過(guò)渡區(qū)。該區(qū)位于墊層下游，水平寬度5 m，采用C1砂礫料場(chǎng)全料，要求設(shè)計(jì)相對(duì)緊密度大于或等于0.85。

式(8)中:Ji(t1,t2)為在t1～t2時(shí)間段內(nèi)船舶j相對(duì)船舶i的運(yùn)動(dòng)軌跡，該軌跡由一系列散點(diǎn)所組成。由于船舶的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的,因此采用最小二乘法對(duì)該軌跡進(jìn)行軌跡擬合。

⑤爆破堆石區(qū)。該區(qū)位于過(guò)渡料區(qū)下游，形成下游上壩道路和下游壩坡，是壩體的主要支撐結(jié)構(gòu)，為石料場(chǎng)及建筑物開(kāi)挖爆破料，碾壓層厚0.8 m，孔隙率小于或等于21%。

⑥砂礫石區(qū)。該區(qū)位于壩體中部，采用C1砂礫料場(chǎng)全料，碾壓層厚0.8m，要求設(shè)計(jì)相對(duì)緊密度大于或等于0.85。

3.混凝土面板設(shè)計(jì)

面板頂部厚度為0.3 m，底部厚度為0.65 m。在混凝土面板1/2厚度處設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，雙向布置，其豎向配筋率為0.5%，水平向配筋率為0.4%。河床部位受壓區(qū)面板寬12 m（16塊），岸坡部位受拉區(qū)面板寬6 m。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

4.混凝土趾板設(shè)計(jì)

趾板布置在壩體上游防滲面板周邊，與面板共同作用，形成壩基以上的防滲體，并與基礎(chǔ)巖石通過(guò)固結(jié)灌漿、帷幕灌漿連成整體，封閉了地面以下的滲漏通道，形成一個(gè)完整的防滲體系。

趾板形式采用水平趾板。趾板寬度按高程分成8 m、6 m、4 m，相應(yīng)厚0.8 m、0.6 m。為防止溫度與干縮造成的裂縫，在距趾板頂面15cm處布置一層雙向鋼筋，含筋率為0.4%。趾板內(nèi)設(shè)置錨筋，將趾板錨固在基巖上，錨筋直徑30mm，間距、排距均為1.2m，伸入基巖4 m。

右岸趾板邊坡較陡，采用4～6m寬的窄趾板加內(nèi)趾板的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)趾板為掛網(wǎng)噴混凝土，厚20 cm，寬20m。

5.接縫形式及止水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①混凝土面板垂直縫?！癆”形垂直縫為張性垂直縫，位于面板靠近兩岸的張拉區(qū)，縫內(nèi)均設(shè)兩道止水，即底部銅片止水、頂部柔性填充料止水。“B”形垂直縫為壓性垂直縫，位于面板中部擠壓區(qū)范圍內(nèi)，接縫底部設(shè)一道止水銅片。為了吸收壓力變形，避免面板混凝土受壓破壞，選擇其中10條壓性縫（位于河床部位），縫內(nèi)充填2 cm厚瀝青杉木板。

③趾板變形縫（“E”形縫）。 為了降低溫度和干縮應(yīng)力，提高對(duì)地基變形的適應(yīng)能力，以減少裂縫，于地形地質(zhì)條件變化處、趾板轉(zhuǎn)折處和內(nèi)趾板連接處設(shè)置永久變形縫，變形縫位置與面板接縫錯(cuò)開(kāi)，縫內(nèi)設(shè)一道銅片止水，并與周邊縫止水構(gòu)成封閉結(jié)構(gòu)，接縫兩側(cè)用鋼筋斷開(kāi)。

④防浪墻與面板的接縫。防浪墻與面板的接縫處設(shè)置一道底部銅片止水和一道頂部柔性填料止水。

⑤防浪墻變形縫。為避免防浪墻因溫度應(yīng)力或壩體不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫，沿其長(zhǎng)度方向每隔15m設(shè)一道變形縫，變形縫位置與面板接縫錯(cuò)開(kāi)，縫內(nèi)設(shè)一道橡膠止水帶。

6.壩基處理

為保證趾板與基巖的可靠連接，挖除全部覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖層，使趾板坐落在弱風(fēng)化基巖上，河床部位砂卵石層厚10～13 m，弱風(fēng)化基巖上限高程為859 m，河床趾板底面開(kāi)挖高程為858 m。堆石區(qū)壩基開(kāi)挖，從過(guò)渡區(qū)底部下游端起，以1∶3的緩坡開(kāi)挖至原地面，在開(kāi)挖坡面的下游側(cè)，只清除表面覆蓋層和物理力學(xué)性質(zhì)低于壩體堆石的軟弱夾層。

壩基范圍內(nèi)沒(méi)有大的斷裂、破碎帶等特殊地質(zhì)構(gòu)造，防滲線表層或淺層的破碎巖石和充填物進(jìn)行挖除或用混凝土塞進(jìn)行處理，對(duì)深層的節(jié)理裂隙或小斷層進(jìn)行灌漿處理。

面板壩在趾板范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，間距、排距均為2.5 m，灌漿深度為5 m。采用兩道帷幕，以伸入小于3Lu的相對(duì)不透水層以下5m控制，帷幕灌漿孔采用梅花形布置，孔距2 m，排距2 m。

三、大壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

該壩處于寒冷的峽谷地段，屬?gòu)?qiáng)震區(qū)高壩，根據(jù)工程地質(zhì)條件、壩體設(shè)計(jì)及應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算情況，參考國(guó)內(nèi)外混凝土面板壩的觀測(cè)布置，設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：壩體外部變形監(jiān)測(cè)，壩面垂直位移和水平位移監(jiān)測(cè)；壩體內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)；壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)；周邊縫位移監(jiān)測(cè)；岸坡位移監(jiān)測(cè)；垂直縫位移監(jiān)測(cè)；面板應(yīng)變監(jiān)測(cè)；面板變形監(jiān)測(cè)；壩體與壩基滲流壓力、壩肩繞滲監(jiān)測(cè)；地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)。

表1 混凝土面板的主要技術(shù)指標(biāo)表

四、主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

①壩體堆石區(qū)中部采用部分砂粒料填筑，范圍為EL 895~940 m。本工程壩料分區(qū)充分利用了爆破堆石料力學(xué)性能好、抗剪強(qiáng)度高、休止角大、滲透系數(shù)大的特點(diǎn)，把它布置在堆石區(qū)上下游提高壩坡穩(wěn)定性，布置在底部可加強(qiáng)壩體排水。壩體堆石區(qū)中部布置砂礫石區(qū)，充分利用砂礫石具有高壓縮模量的特點(diǎn)，減少壩體沉降變形。

②設(shè)置窄趾板加內(nèi)趾板結(jié)構(gòu)。由于趾板設(shè)置在堅(jiān)硬、不易受沖蝕的弱風(fēng)化巖層上，其寬度采用設(shè)計(jì)水頭的1/10~1/20，并且應(yīng)滿足施工灌漿要求。大壩右岸趾板邊坡較陡，如按常規(guī)趾板寬度設(shè)計(jì)，開(kāi)挖邊坡最高超過(guò)100 m，石方開(kāi)挖及邊坡支護(hù)的工程量大，增加了施工難度，且運(yùn)行期高邊坡風(fēng)險(xiǎn)性大。對(duì)趾板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化，采用4~6 m寬的窄趾板加內(nèi)趾板結(jié)構(gòu)形式，既滿足滲徑要求，又降低了邊坡開(kāi)挖高度和減少了開(kāi)挖量。

③為避免大壩中部面板（受壓區(qū)）破壞，選擇10條面板受壓縫采用瀝青杉板嵌縫充填，以嵌縫瀝青杉板變形吸收擠壓力，防止面板破壞。

④面板壩上游坡面施工在新疆地區(qū)首次采用擠壓邊墻技術(shù)，簡(jiǎn)化了施工程序，減少了上游坡面削坡、斜坡碾壓等作業(yè)，有利于壩前趾板區(qū)灌漿、防護(hù)等施工。

五、結(jié) 語(yǔ)

溫泉混凝土面板堆石壩按照傳統(tǒng)概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合地形地質(zhì)條件、料場(chǎng)實(shí)際情況等，注重細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)與處理。采用壩體堆石區(qū)中部砂粒料填筑分區(qū)、“內(nèi)趾板+窄趾板”的設(shè)計(jì),部分面板受壓縫采用瀝青杉板嵌縫充填設(shè)計(jì)及大壩上游采用擠壓邊墻固坡，這些設(shè)計(jì)對(duì)工程的順利施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益,可為其他類似工程的建設(shè)提供借鑒。