溧陽抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)研究

寧永升

（1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省蘇南地區(qū)溧陽市境內(nèi)，電站裝機(jī)容量1500 MW，為一等大 （1）型工程。樞紐主要建筑物有上水庫大壩、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及下水庫大壩等。上水庫正常蓄水位291 m，死水位254 m，總庫容1422.9萬m3。上水庫主壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩高165 m(壩軸線處)，上游壩坡坡比1∶1.4，下游綜合壩坡坡比1∶1.45。

工程主體工程于2011年4月開工建設(shè)。目前，上水庫主壩已填筑至263 m高程，累計(jì)完成土石方填筑1360萬m3，完成填筑總量的90%。

2 上水庫主壩工程特點(diǎn)

（1）壩址地形復(fù)雜，大壩及庫盆建基面縱向?yàn)?7°斜坡，壩軸線方向?yàn)?“W”地形，大壩不均勻沉降變形突出。壩體變形控制是工程關(guān)鍵技術(shù)之一。

（2）壩高165 m，大壩填筑量1550萬m3，在國內(nèi)目前開工建設(shè)的抽水蓄能電站中，壩最高，填筑量最大，壩料全部利用建筑物開挖料。土石方挖填動(dòng)態(tài)平衡規(guī)劃是本工程設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

（3）壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)烈度Ⅷ度。應(yīng)重視大壩抗震分析研究和抗震措施設(shè)計(jì)。

（4）大壩填筑料全部利用工程建筑物開挖料，主要采用下水庫開挖料、上水庫開挖料和輸水發(fā)電系統(tǒng)的洞挖料。料源復(fù)雜，如何合理利用開挖料特別是軟巖料筑壩，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，取得環(huán)保效益，需要對大壩分區(qū)以及各區(qū)的填筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

（5）上水庫庫底采用土工膜水平防滲，土工膜與排水廊道、連接板等混凝土建筑物防滲接頭復(fù)雜，類似可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少，庫底土工膜防滲技術(shù)是工程關(guān)鍵技術(shù)之一。

針對以上工程特點(diǎn)和高面板堆石壩建設(shè)現(xiàn)狀，對溧陽抽水蓄能電站面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

3 壩料特性研究

大壩填筑料全部利用工程建筑物開挖料，填筑石料巖性不均一，部分區(qū)域填有強(qiáng)風(fēng)化料、蝕變巖等軟巖。在施工階段對筑壩材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)與現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。

3.1 堆石料工程特性試驗(yàn)研究

下水庫開挖凝灰?guī)r、安山巖、花崗斑巖等筑壩材料特性變幅大、均勻性較差且伴有蝕變帶 （軟巖）。開展筑壩材料的室內(nèi)常規(guī)三軸試驗(yàn)，以及上水庫面板壩在發(fā)電和抽水循環(huán)工況下應(yīng)力變形特性的試驗(yàn)研究。通過對堆石料的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演研究，減小縮尺效應(yīng)，求取合理的模型計(jì)算參數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證大壩變形與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

三軸試驗(yàn)結(jié)果顯示，墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、增模區(qū)、干燥區(qū)料的強(qiáng)度參數(shù)φ分別為40.0°、39.5°、37.5°～38.0°、38.1°、37.0°～37.9°，鄧肯模型參數(shù)值分別為 943.3、937.2、672.3～828.3、938.6、583.8～797.2。試驗(yàn)各區(qū)筑壩料總體上符合面板堆石壩從上游到下游模量逐級遞減的設(shè)計(jì)原則，其應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性、壓硬性和彈塑性等一般規(guī)律，摩爾圓強(qiáng)度包絡(luò)線較好，各區(qū)筑壩材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本符合鄧肯-張模型曲線。

3.2 堆石料現(xiàn)場爆破和碾壓試驗(yàn)研究

通過對工程建筑物開挖料源各種巖性的石料進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)與現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，尋求墊層料、過渡料、主次堆石料等各分區(qū)合理的級配曲線和爆破參數(shù)。以分形理論為研究手段，對影響堆石料壓實(shí)特性的主要要素進(jìn)行量化分析，選取顆粒級配的粒度分維作為研究堆石料結(jié)構(gòu)參數(shù)的指標(biāo)，利用現(xiàn)場相同壓實(shí)條件下的干密度參數(shù)對其顆粒級配進(jìn)行評價(jià)，通過調(diào)整爆破方案來優(yōu)化筑壩堆石料的顆粒級配。

現(xiàn)場爆破試驗(yàn)表明:由于巖石節(jié)理與隱節(jié)理非常發(fā)育，在低裝藥松動(dòng)爆破條件下，爆破后的巖石整體較破碎，粒徑400 mm以上顆粒極少。為此，在試驗(yàn)中根據(jù)地質(zhì)條件的差異對爆破孔間排距以及炸藥單耗進(jìn)行了調(diào)整，但粒徑并未因此發(fā)生變化，爆破料級配不能滿足原設(shè)計(jì)要求，最終設(shè)計(jì)根據(jù)爆破試驗(yàn)對各分區(qū)級配進(jìn)行了優(yōu)化。

現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)表明:上下水庫堆石料的沉降收斂特性符合一般規(guī)律，8遍、10遍沉降曲線開始收斂；碾壓破碎率比較大，上水庫為15%～25%，下水庫為10%～20%。通過對比不同鋪厚、灑水量、碾壓遍數(shù)情況下碾壓效果，優(yōu)選碾壓參數(shù)。

3.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化及調(diào)整

結(jié)合溧陽大壩填筑壩料的實(shí)際情況，研究提出并優(yōu)化各分區(qū)的施工填筑標(biāo)準(zhǔn)，使得不同分區(qū)堆石的密實(shí)程度相互協(xié)調(diào)且符合規(guī)范要求，以便控制大壩總體變形在合理范圍，同時(shí)確保大壩各分區(qū)的變形協(xié)調(diào)，為大壩防滲體系的運(yùn)行安全提供保障。

（1）大壩分區(qū)調(diào)整。①增加185 m高程以下增模區(qū)和265.8 m高程以上頂部增模區(qū)；②次堆區(qū)（干燥區(qū)）由210 m高程降低至200 m；③過渡區(qū)后增加10 m寬排水區(qū)。

（2）對各分區(qū)的施工填筑標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整:①根據(jù)現(xiàn)場爆破試驗(yàn)調(diào)整級配曲線的上下包絡(luò)線范圍；②調(diào)整各分區(qū)填筑參數(shù)，包括干密度、孔隙率、滲透系數(shù)、P5和P0.075含量等；③根據(jù)料源實(shí)際情況，蝕變帶附近的爆破開挖料全部剔除存在困難，因此允許摻混不超過8%的的蝕變巖。

4 施工期大壩變形控制研究

4.1 建立正分析模型，預(yù)測大壩應(yīng)力與變形

建立以Boltzmann繼效理論為基礎(chǔ)的增量型流變模型，研究土石壩變應(yīng)力作用下的流變規(guī)律。進(jìn)行室內(nèi)增量路徑的三軸流變試驗(yàn)，研究提出適合于溧陽筑壩堆石料流變特性的本構(gòu)模型與參數(shù)。施工階段，基于大壩填筑參數(shù)和施工進(jìn)度建立正分析增量模型，進(jìn)一步進(jìn)行大壩靜動(dòng)力有限元計(jì)算分析，預(yù)測施工期大壩的應(yīng)力及變形，以便采取相應(yīng)措施控制大壩不均勻變形。

施工仿真分析結(jié)果表明:壩體的變形和應(yīng)力分布較為復(fù)雜；與已建200 m級面板壩實(shí)測資料比較，大壩預(yù)測變形相對較大，最大沉降為壩高的1.2%～1.4%；面板的撓度為38.3～46.6 cm，相對于面板的長度而言偏大；面板接縫變形相對較大，但最大值基本在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi)；連接板無論變形還是應(yīng)力均較大，計(jì)算的最大拉應(yīng)力已超過2 MPa。

4.2 基于大壩原型監(jiān)測資料動(dòng)態(tài)反演分析的反饋設(shè)計(jì)研究

結(jié)合大壩實(shí)際填筑施工進(jìn)度，采用適應(yīng)于面板壩原型資料驗(yàn)證的增量流變模型，進(jìn)行大壩施工全過程的動(dòng)態(tài)反演研究，在及時(shí)復(fù)核大壩實(shí)際填筑質(zhì)量的同時(shí)，優(yōu)化大壩設(shè)計(jì)填筑方案，指導(dǎo)施工。

計(jì)算結(jié)果表明:大壩的變形與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果略小于采用室內(nèi)流變試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算值，但變形穩(wěn)定的時(shí)間延長。目前大壩已填筑至263 m高程，壩高達(dá)133 m，施工期最大沉降為66.1 cm。

4.3 壩體變形控制措施研究

根據(jù)施工期大壩的變形與應(yīng)力三維有限元分析和監(jiān)測資料，提出大壩變形控制措施:

（1）改善壩基地形條件。上水庫主壩壩基為兩溝一山脊 “W”地形，且溝和山脊均約17°傾向下游，對壩的穩(wěn)定和壩體不均勻變形很不利。對壩基地形進(jìn)行改造的措施包括:①對中部山梁凸起部位進(jìn)行削坡開挖，形成185m高程平臺，減少壩體在平行壩軸線方向的不均勻沉降。②結(jié)合壩基開挖，對中部山梁陡峻基巖坡面進(jìn)行臺階開挖，在170 m高程形成10 m寬平臺，減少堆石體沿基巖面的下滑力。

（2）185 m高程以下設(shè)置增模區(qū)。在壩體185 m高程以下、排水區(qū)以上部分設(shè)置增模區(qū)，減少“W”地形和斜坡地形對壩體不均勻變形的影響。采用下水庫庫盆開挖的弱風(fēng)化～新鮮石料填筑，堆石的最大粒徑600 mm，粒徑小于5 mm的含量控制在不大于20%，小于0.075 mm粒徑含量不大于5%。壓實(shí)層厚0.6 m，設(shè)計(jì)干密度不小于2.18 g/cm3，孔隙率不大于18%。

（3）合理安排預(yù)留沉降周期，盡量減少壩體后期沉降。大壩面板必須在壩體填筑完成經(jīng)過至少6個(gè)月的沉降且沉降速率不大于5 mm/月后才能施工。

（4）根據(jù)大壩施工期監(jiān)測成果，調(diào)整大壩與庫底預(yù)留沉降超高。根據(jù)大壩三維有限元計(jì)算成果，主壩壩頂和庫底回填區(qū)預(yù)留沉降超高0～1 m，施工階段根據(jù)大壩施工期監(jiān)測成果，調(diào)整大壩與庫底預(yù)留沉降超高。

（5）加強(qiáng)兩岸部位施工質(zhì)量控制和關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)。在大壩的兩壩肩部位，由于壩軸線彎曲，導(dǎo)致面板縫的變形較大，壩體動(dòng)應(yīng)力也較大。建議加強(qiáng)該部位堆石的施工質(zhì)量控制，適當(dāng)增加墊層區(qū)的寬度，同時(shí)對面板止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，確保大壩運(yùn)行安全。

5 強(qiáng)震區(qū)庫盆動(dòng)水壓力研究

5.1 堆石料的動(dòng)力變形特性研究

進(jìn)行與原型大壩遭遇實(shí)際地震相似加載方式的動(dòng)力三軸試驗(yàn)，研究堆石體試樣的振動(dòng)硬化現(xiàn)象，尋求其非線性、滯后性和殘余變形的規(guī)律，研究適應(yīng)大壩堆石體的合理動(dòng)力本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)，使得面板壩的非線性動(dòng)力計(jì)算具有更為客觀的科學(xué)依據(jù)。

5.2 強(qiáng)震區(qū)抽水蓄能電站的庫盆動(dòng)水壓力與大壩動(dòng)力反應(yīng)研究

考慮庫水可壓縮性和表面波的影響，研究庫盆內(nèi)水體的自振特性?？紤]庫底回填石渣地基、庫岸巖質(zhì)邊坡能量反射與吸收，研究地震時(shí)是否可能發(fā)生共振使得動(dòng)水壓力急劇增大的現(xiàn)象；研究面板壩動(dòng)水壓力的規(guī)律，建立動(dòng)水壓力數(shù)值計(jì)算的方法。計(jì)算大壩的地震加速度反應(yīng)、動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力、震后永久變形以及壩坡動(dòng)力穩(wěn)定性，研究動(dòng)水壓力對抽水蓄能電站面板壩動(dòng)力反應(yīng)的影響。

5.3 強(qiáng)震區(qū)抽水蓄能電站大壩的極限抗震能力與安全評價(jià)研究

對溧陽抽水蓄能電站大壩極限抗震能力進(jìn)行研究，為采取有效抗震措施、減小高土石壩的抗震風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

5.4 抗震工程措施研究

根據(jù)抗震研究成果，提出如下壩抗震措施:

（1）地震時(shí)面板的動(dòng)應(yīng)力與壩高密切相關(guān)，上水庫大壩高度大于150 m，地震反應(yīng)中高震型參與作用強(qiáng)烈，壩的上部地震加速度放大效應(yīng)顯著，壩體上部變形增大，壩頂部的 “鞭鞘”效應(yīng)使得面板上部高應(yīng)力區(qū)，在壩高的3/4～4/5附近面板應(yīng)力最大，在高應(yīng)力區(qū)范圍，面板加強(qiáng)配筋，提高面板雙向配筋率0.1%，以限制裂縫的擴(kuò)展。265.8～284.5 m高程處設(shè)置增模區(qū)，在不明顯增加堆石顆粒破碎的前提下，適當(dāng)提高堆石體的填筑標(biāo)準(zhǔn)，提高壩頂抗震能力。

（2）為提高壩體抗震性能，壩頂防浪墻采成U形。

（3）下游壩坡采用預(yù)制混凝土網(wǎng)格梁護(hù)坡，提高壩坡抗震能力。

（4）為防止高水位時(shí)遭遇地震造成破壞，接縫采用能適應(yīng)較大變形并具有自愈能力的止水結(jié)構(gòu)。針對溧陽抽水蓄能電站工程上水庫大壩特點(diǎn)，垂直縫盡量多地按照張性縫設(shè)計(jì)。在受壓的面板區(qū)域選擇幾條垂直縫，在縫內(nèi)填塞有一定強(qiáng)度可壓縮的填充板，可以吸收部分地震中產(chǎn)生的能量，以保證受壓區(qū)面板不產(chǎn)生擠壓破壞。

（5）對于墊層，要求具有較好的透水能力，以保證地震時(shí)所產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散。

（6）在地震區(qū)修建混凝土面板堆石壩時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放寬壩頂寬度。類比其他強(qiáng)震區(qū)工程，溧陽抽水蓄能電站上水庫大壩壩頂寬定為10.0 m，均具有較好的抗震性能。

6 面板防裂措施和連接板結(jié)構(gòu)形式研究

6.1 混凝土面板和連接板抗裂驗(yàn)算方法研究

考慮鋼筋混凝土的塑性特性，利用子結(jié)構(gòu)原理，進(jìn)行面板和連接板的開裂計(jì)算與分析。高壩面板的變形較大，將面板由目前的偏心受壓的彈性結(jié)構(gòu)處理為承受較大彎曲變形的彈塑性結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行變形非線性問題研究。

6.2 混凝土面板防裂措施研究

通過混凝土配合比及其性能試驗(yàn)明確大壩面板設(shè)計(jì)強(qiáng)度，抗?jié)B、抗凍等設(shè)計(jì)參數(shù)，提出滿足溧陽工程要求的設(shè)計(jì)配合比。

通過研究面板厚度及分縫寬度，面板配筋率和鋼筋直徑，綜合溫差，混凝土熱膨脹系數(shù)等面板抗裂性能影響因素，提出如下面板抗裂措施:

（1）摻聚丙烯纖維混凝土，摻量0.9 kg/m3，提高面板混凝土抗裂能力。

（2）摻加引氣劑、減水劑，降低混凝土水灰比。（3）受壓區(qū)面板周邊距縫1 m范圍內(nèi)設(shè)抗擠壓鋼筋，壓性縫內(nèi)設(shè)橡膠板。

6.3 連接板結(jié)構(gòu)形式研究

溧陽工程上水庫采用庫底采用土工膜水平防滲，面板壩趾板 （連接板）不是坐落在基巖上，而是在堆石體上，堆石體最大厚度達(dá)70 m，且順軸線向?yàn)椤癢”形，連接板基礎(chǔ)存在不均勻變形。為減少基礎(chǔ)不均勻變形對連接板影響，采用以下措施:

（1）在大壩堆石體填筑完成后澆筑連接板，以便有效減小水庫蓄水時(shí)周邊縫連接板的變形和應(yīng)力。

（2）連接板盡量少設(shè)置結(jié)構(gòu)縫或不設(shè)結(jié)構(gòu)縫。

（3）連接板配雙層鋼筋。

（4）連接板在大壩堆石體填筑完成后澆筑，以便有效減小水庫蓄水時(shí)周邊縫連接板的變形和應(yīng)力。

7 結(jié)語

根據(jù)施工階段面板壩開挖現(xiàn)狀、料源實(shí)際情況、壩體分區(qū)優(yōu)化等，結(jié)合大壩填筑現(xiàn)場的原型監(jiān)測資料，提出大壩的填筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對面板壩施工期和運(yùn)行期應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究與反饋分析，對準(zhǔn)確預(yù)測大壩的工作性態(tài)，指導(dǎo)大壩的運(yùn)行與管理，確保大壩的安全，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］寧永升.溧陽抽水蓄能電站上水庫工程技術(shù)難點(diǎn)及其對策［J］.調(diào)頻調(diào)峰技術(shù)，2013（1）:4-6.

［2］寧永升，胡育林，胡旺興，等.溧陽抽水蓄能電站樞紐布置設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，2013，39（3）:29-31.

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