官地水電站碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

陳 強(qiáng)，廖桂英，閆 勇

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

雅礱江官地水電站為雅礱江干流(卡拉至江口河段)規(guī)劃5級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第3級(jí)。電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)。電站主要任務(wù)是發(fā)電，水庫(kù)正常蓄水位1 330.00m，總庫(kù)容7.6億m3，水庫(kù)回水長(zhǎng)58km，裝機(jī)容量2 400MW，裝4臺(tái)(4×600MW)水輪發(fā)電機(jī)組。

官地水電站樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段(碾壓混凝土重力壩)、消力池、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。官地水電站工程為一等大(1)型工程，大壩、廠房、引水尾水系統(tǒng)等永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，永久性次要建筑物為3級(jí)建筑物，臨時(shí)性建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)。水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為：按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)流量為14 000m3/s；按5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)流量為15 500m3/s。

樞紐區(qū)屬高山峽谷地形，河谷呈基本對(duì)稱的“V”型，臨江坡高大于700m，谷坡較陡峻，左岸地形坡度40°～50°，局部段35°～40°；右岸35°～40°，局部段達(dá)50°～60°。雅礱江以S75°E方向流入壩區(qū)再漸轉(zhuǎn)至E流出樞紐區(qū)，壩區(qū)河道略向南凸出?？菟诮? 203m時(shí)，水面寬90～110m，正常蓄水位1 330m時(shí)，相應(yīng)谷寬396～440m。

壩基巖體主要為P2β15-2角礫集塊熔巖，巖石堅(jiān)硬；右岸壩肩壩基上部還涉及少量P2β21杏仁狀玄武巖。裂隙錯(cuò)動(dòng)帶較為發(fā)育。根據(jù)“512”地震以后國(guó)家地震局對(duì)《四川省雅礱江官地水電站地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》的批復(fù)，本工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度。本工程壅水建筑物抗震設(shè)防類別為甲類，其基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即345gal。

2 碾壓混凝土重力壩布置設(shè)計(jì)

官地碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 334.00m，最大壩高168.00m，壩頂長(zhǎng)度516.00m，最大壩底寬度153.2m。共24個(gè)壩段(見(jiàn)圖1)，從左至右由左岸擋水壩1～9號(hào)壩段、左中孔10號(hào)壩段、溢流壩11～14號(hào)壩段、右中孔15號(hào)壩段和右岸擋水壩16～24號(hào)壩段組成。

左岸擋水壩段共9個(gè)，壩頂總長(zhǎng)190m，除1號(hào)和2號(hào)接頭壩段長(zhǎng)分別為24m、26m外，其余壩段長(zhǎng)均為20m；右岸擋水壩段共9個(gè)，壩頂總長(zhǎng)195.0m，除24號(hào)接頭壩段長(zhǎng)為35m外，其余壩段長(zhǎng)均為20m；河床中10～15號(hào)共6個(gè)壩段為溢流壩段和中孔壩段，共長(zhǎng)131.0m，2個(gè)中孔壩段分別布置在溢流壩兩側(cè)，即10號(hào)和15號(hào)壩段，壩段長(zhǎng)度分別為22.0m，溢流壩段除12號(hào)、13號(hào)壩段長(zhǎng)度分別為21.5m外，其余每個(gè)壩段長(zhǎng)均為22.0m。溢流壩段共布置有5個(gè)溢流表孔，孔口尺寸為15m×19m，溢流堰頂高程1 311.00m，溢流堰面采用WES曲線；泄洪放空中孔的孔口尺寸為5m×8m，孔口底高程1 240.00m；溢流壩段下游接消力池，消力池底高程為1 188.00m，池長(zhǎng)145.00m，寬95.00m。消能形式為底流消能。

重力壩布置特點(diǎn)為：泄洪消能系統(tǒng)比較集中，有利于減少泄洪消能系統(tǒng)對(duì)碾壓施工的干擾，便于運(yùn)行管理；為適應(yīng)碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)，官地碾壓混凝土重力壩為全斷面碾壓形式，壩體橫縫采用切縫形成，不設(shè)縱縫；在大壩上設(shè)置了左、右兩個(gè)中孔，后期導(dǎo)流時(shí)利用中孔泄洪，避免了單獨(dú)設(shè)置泄洪洞，減少了投資，降低了導(dǎo)流洞的封堵難度。

圖1 官地水電站大壩上游

3 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力

官地碾壓混凝土重力壩的結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)規(guī)范[1]，采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則, 以分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，以設(shè)計(jì)斷面滿足大壩穩(wěn)定及強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)為控制條件。壩體抗震防震研究按規(guī)范[2]進(jìn)行驗(yàn)算。以材料力學(xué)法和剛體極限平衡法為基本計(jì)算方法，并用有限元法進(jìn)行分析。

3.1 壩體強(qiáng)度極限狀態(tài)

在各種作用及組合情況下(除地震工況)，擋水壩和溢流壩壩踵、壩體上游垂直應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力; 壩趾及下游面垂直拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；壩趾及壩體選定截面下游端點(diǎn)均滿足抗壓強(qiáng)度承載能力要求。

在設(shè)計(jì)地震作用下，擋水壩和溢流壩的壩踵、壩體上游垂直應(yīng)力均出現(xiàn)較大范圍拉應(yīng)力，下游壩面也出現(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力。需采取提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、增設(shè)抗拉鋼筋等措施。

在設(shè)計(jì)地震作用下，部分壩段壩趾基巖不能滿足抗壓強(qiáng)度承載能力的要求，采取局部挖齒槽的措施后滿足規(guī)范要求；壩體選定截面下游端點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度，承載能力均滿足規(guī)范要求。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)

在各種作用及組合情況下(除地震工況)，各壩段壩體層面抗滑穩(wěn)定、壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；部分溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，采取部分挖除主滑面錯(cuò)動(dòng)帶并設(shè)混凝土齒槽后滿足要求。

在設(shè)計(jì)地震情況下，壩體混凝土層面的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；個(gè)別壩段的建基面抗滑穩(wěn)定不滿足要求，采取局部設(shè)齒槽的措施后滿足規(guī)范要求；部分溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，采取措施設(shè)混凝土齒槽的措施后滿足規(guī)范要求。

在校核地震工況下，經(jīng)論證大壩滿足不潰壩要求。

4 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碾壓混凝土重力壩在體型上要力求簡(jiǎn)單和方便施工, 同時(shí)還應(yīng)使壩體能滿足結(jié)構(gòu)布置等要求。

4.1 壩體混凝土主要分區(qū)

典型溢流壩段壩體混凝土分區(qū)見(jiàn)圖2，典型擋水壩段混凝土分區(qū)見(jiàn)圖3。上游迎水面以1 284m高程為界，以上采用C9020W8F100富膠二級(jí)配碾壓混凝土防滲，厚度3～4m；以下采用C9025W10F100富膠二級(jí)配碾壓混凝土防滲，厚度5～7m。上游迎水面表面采用同標(biāo)號(hào)變態(tài)混凝土，厚度1m?；A(chǔ)墊層采用2.0m厚的C9025W10F100常態(tài)混凝土。壩體內(nèi)部碾壓混凝土按高程分區(qū)，在1 200.00m高程以下為C9025W6F100碾壓混凝土，在1 200.00～1 284.00m高程之間為C9020W6F50碾壓混凝土，在1 284.00～1 304.00m高程之間為C9015W4F50碾壓混凝土，1 304.00m高程以上為C2825W6F100常態(tài)混凝土。壩體內(nèi)廊道周邊1.0m范圍內(nèi)采用所在部位同標(biāo)號(hào)變態(tài)混凝土。溢流面采用厚0.5m的抗沖耐磨C2850W6F100常態(tài)混凝土；抗沖耐磨混凝土下設(shè)置一層平均3.0m厚的C2825W6F100常態(tài)混凝土。

圖2 典型溢流壩段分區(qū)示意

圖3 典型擋水壩段混凝土分區(qū)示意

4.2 壩體防滲結(jié)構(gòu)

大壩上游迎水面主要采用防滲混凝土和防滲涂層進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。其中左、右岸擋水壩段1 321m高程以下壩體上游迎水面采用1.0m厚變態(tài)混凝土與二級(jí)配碾壓防滲混凝土組合，并在壩表涂刷防滲涂層；擋水壩段1 321m高程以上上游壩表采用常態(tài)混凝土防滲。溢流壩段壩體上游迎水面1 284m高程以下采用1.0m厚變態(tài)混凝土與二級(jí)配碾壓防滲混凝土組合，并在壩表涂刷防滲涂層，1 284m高程以上上游壩表采用常態(tài)混凝土防滲。

4.3 壩體分縫及止水

大壩共分24個(gè)壩段，壩段之間設(shè)橫縫。官地電站攔河壩最大壩底寬153.2m，根據(jù)溫控計(jì)算并借鑒同類工程經(jīng)驗(yàn)，按不設(shè)縱縫設(shè)計(jì)，以便碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑，快速施工。

在壩段橫縫處以及基礎(chǔ)部位均有止水措施。擋水壩段橫縫分縫處(含中孔壩段分縫處)設(shè)止水銅片，其中上游設(shè)3道1.6mm厚止水銅片，下游1 226m高程以下設(shè)2道1.2mm厚銅片。溢流壩段橫縫分縫部位上游面設(shè)3道1.6mm厚止水銅片，過(guò)流面設(shè)2道1.6mm厚止水銅片，并與壩體和護(hù)坦分縫處止水銅片相焊接。壩體與基巖接觸的斜坡基礎(chǔ)部位，上游面布置3道1.6mm厚止水銅片形成基礎(chǔ)止水，與壩體上游面止水銅片連為一體。橫向跨縫廊道和縱向廊道跨縫部位均設(shè)橡膠止水。橫向跨縫廊道上、下側(cè)均設(shè)一道橡膠止水；縱向廊道跨縫部位在廊道周圍變態(tài)混凝土內(nèi)設(shè)一道橡膠止水。

止水所在區(qū)域的碾壓混凝土采用變態(tài)混凝土，縫間填瀝青木板。

4.4 壩體排水

大壩壩體上游側(cè)在不同高程布置4排縱向排水廊道，廊道之間設(shè)有壩體排水孔，排水孔直徑15cm，間距3.0m，排水孔布置在上游二級(jí)配防滲碾壓混凝土的下游側(cè)。壩體中下游設(shè)兩排基礎(chǔ)輔助縱向排水廊道，廊道上部布置壩體排水孔，排除壩內(nèi)入滲水流。

4.5 壩體廊道布置

重力壩內(nèi)設(shè)置廊道和直井將削弱壩體斷面，在其周圍易引起應(yīng)力集中，同時(shí)也給壩體碾壓等施工帶來(lái)不便，因此在滿足施工和運(yùn)行要求的前提下，壩內(nèi)廊道的設(shè)置遵循盡可能減少廊道與直井的數(shù)目及尺寸，使一種廊道具有多種用途的原則。

攔河大壩按不同部位、不同功能要求，在壩體內(nèi)布置了基礎(chǔ)灌漿廊道、壩基、壩體排水廊道、監(jiān)測(cè)廊道、壩內(nèi)交通廊道、對(duì)外交通廊道及電梯井等。

5 碾壓混凝土設(shè)計(jì)

5.1 大壩混凝土原材料

大壩骨料為玄武巖人工骨料。大壩采用P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，使用Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)粉煤灰。

5.2 主要混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)壩體強(qiáng)度和耐久性的需要，壩體主要混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 官地水電站主要混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

5.3 主要混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，經(jīng)分析比較后確定的主要混凝土配合比見(jiàn)表2。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)幾個(gè)百米級(jí)以上高碾壓混凝土壩的建成, 為高碾壓混凝土壩的設(shè)計(jì)和施工積累了許多有益的經(jīng)驗(yàn)。官地水電站在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分吸收已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，完成了大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，提出了主要的混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)等。

表2 官地水電站主要混凝土參考配合比

碾壓混凝土可實(shí)現(xiàn)快速和大倉(cāng)面碾壓施工, 與常態(tài)混凝土壩相比, 它具有節(jié)約水泥、簡(jiǎn)化溫控、施工簡(jiǎn)便、速度快、工期短及造價(jià)低等特點(diǎn)。官地水電站碾壓混凝土壩在設(shè)計(jì)中充分考慮了上述特點(diǎn), 盡可能將壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化, 如壩內(nèi)廊道的設(shè)置遵循盡可能減少廊道與直井的數(shù)目及尺寸，使一種廊道具有多種用途的原則，廊道周邊采用同標(biāo)號(hào)變態(tài)混凝土的設(shè)計(jì)思路，上游迎水面采用二級(jí)配防滲混凝土為主的防滲形式，壩體混凝土采用高摻粉煤灰的方式等。此外，在高壩抗震措施研究方面進(jìn)行了一些探索，如設(shè)置齒槽、在上下游應(yīng)力集中區(qū)設(shè)抗拉鋼筋等措施來(lái)解決抗震問(wèn)題。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL 5018-1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).DL 5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國(guó)電力出版社，2001.