山東蒙山天池堆石混凝土拱壩工程設(shè)計(jì)綜述

劉剛郁　章文

摘 要：山東蒙山天池堆石混凝土拱壩位于淮河流域沂河水系東汶河支流上游。大壩為堆石混凝土拱壩，壩頂高程為815.00m，最大壩高24.0m，是堆石混凝土技術(shù)在山東省的首次應(yīng)用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩。工程地處蒙山高處，河谷狹窄、地形地質(zhì)條件一般，筑壩材料采用C25堆石混凝土，適應(yīng)壩體變形的止水結(jié)構(gòu)、防滲面板設(shè)計(jì)，施工質(zhì)量控制，簡(jiǎn)化施工工序是設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。已有的監(jiān)測(cè)分析成果表明在蒙山天池堆石混凝土拱壩的設(shè)計(jì)、施工中所采用的技術(shù)是合適的。

關(guān)鍵詞：堆石混凝土拱壩；新材料；有限元分析；施工質(zhì)量

1 工程概況

山東蒙山天池堆石混凝土拱壩位于淮河流域沂河水系東汶河支流上游，壩址位于蒙陰縣城南國(guó)家5A級(jí)蒙山景區(qū)雨王廟處。正常蓄水位814.00m，總庫(kù)容10.8萬m3，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)。蒙山天池水庫(kù)是堆石混凝土技術(shù)在山東省的首次應(yīng)用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩。工程主要由拱壩、重力墩及放水洞等組成。壩頂高程815.00m，壩長(zhǎng)130m，最大壩高24.0m。壩頂溢流堰總凈寬20m，堰頂高程814.00m，放水洞進(jìn)口底高程798.50m，洞徑？準(zhǔn)1.0m。

工程于2012年3月20日開工，先后完成庫(kù)底清理、壩基處理，上游防護(hù)工程，新建拱壩（含重力墩）及溢流堰、支墩、消力池等，新建放水洞（含閘閥室）及其他建設(shè)工程。

2013年4月主體工程通過蓄水前技術(shù)鑒定專家委員會(huì)組織的蓄水安全鑒定。2013年5月蒙山天池堆石混凝土拱壩工程通過臨沂市水利局主持的蓄水前驗(yàn)收。

2 工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

（1）將壩體設(shè)計(jì)為單曲拱壩結(jié)合兩側(cè)重力墩（兼做拱座）的復(fù)合壩型，適應(yīng)當(dāng)?shù)氐匦蔚刭|(zhì)條件。通過對(duì)大壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)性態(tài)的有限元計(jì)算和分析，論證了壩體結(jié)構(gòu)布置的合理性。

（2）拱壩主體工程全部采用C25堆石混凝土，上游面設(shè)有30cm厚的防滲面板，采用高自密實(shí)性能混凝土一體澆筑成型方案，在保證工程質(zhì)量的前提下，極大地簡(jiǎn)化了施工工序。

（3）實(shí)現(xiàn)了生態(tài)、景觀、旅游等項(xiàng)目的緊密結(jié)合。單曲拱壩、庫(kù)區(qū)生態(tài)護(hù)岸與濕地水景相互協(xié)調(diào)，較好地處理了親水建筑物與護(hù)岸防洪的關(guān)系，改善了生態(tài)和投資環(huán)境。

3 拱壩設(shè)計(jì)主要分析研究的問題

3.1 在新建蒙山天池水庫(kù)工程中，將壩體設(shè)計(jì)為單曲拱壩

為適應(yīng)地形地質(zhì)要求壩體兩側(cè)設(shè)有兼做拱座作用的重力墩，分別與兩岸連接，使堆石混凝土拱壩工程與周邊景觀融為一體。

3.2 采用新材料、新技術(shù)

堆石混凝土技術(shù)首次應(yīng)用于拱壩上，通過大量塊石的使用，堆石含量可達(dá)到55%以上，水泥用量少，水化熱溫升較少，簡(jiǎn)化溫控措施，形成的大體積混凝土結(jié)構(gòu)收縮小，具有較強(qiáng)的抗裂能力。堆石混凝土施工層面有大量的塊石棱角裸露，可提高層間抗剪能力。

3.3 堆石自密實(shí)混凝土拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)三維有限元計(jì)算和分析

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合本工程的特性，建立蒙山天池拱壩三維有限元模型，對(duì)大壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)性態(tài)的有限元計(jì)算和分析，驗(yàn)證壩體結(jié)構(gòu)布置的合理性。

3.4 施工模板選擇與施工

施工過程中按照底倉(cāng)及上部倉(cāng)不同高度部位，分別采用外撐式及內(nèi)拉式模板，其中內(nèi)拉式模板靠近模板處堆石采用人工輔助碼放。針對(duì)該工程在水平呈曲線形同時(shí)在高度呈收縮狀的特點(diǎn)，采用專門加工的異型模板，同時(shí)將以往內(nèi)拉式斜拉鋼筋改成平拉鋼筋與預(yù)先澆筑的C30混凝土柱牢固聯(lián)接，大幅度提高堆石碼放機(jī)械化程度。

4 壩體平面布置和分部設(shè)計(jì)

壩體采用單曲拱壩結(jié)合兩側(cè)重力墩（兼做拱座）的復(fù)合壩型，壩總長(zhǎng)130m，其中中間拱壩段68m，拱壩壩頂外弧半徑為50m，最大中心角為78°；左、右端重力墩（含拱座）長(zhǎng)28.46m和33.54m，分別與兩岸道路連接。壩體平面布置見圖1。

拱壩壩頂寬度為4.0m，最大底寬為10.0m。壩體斷面上游面為鉛直面，下游面為折坡，上部3m為直線段，下部坡比為1：0.33。壩頂設(shè)4孔溢流堰，總凈寬20m。下游設(shè)10m長(zhǎng)消力池，垂直水流方向長(zhǎng)22m。左、右岸重力墩頂寬分別為4m和3m，重力墩斷面上游面為鉛直面，下游面為折坡，上部3m為直線段，下部坡比為1：0.6。

放水洞位于拱壩壩體右側(cè)，采用直徑1.0m的鋼管（壁厚12mm），鋼管每隔1m設(shè)一道止推鋼環(huán)，高150mm，洞身外包一層C25鋼筋混凝土。放水洞進(jìn)口底高程為798.50m，攔污柵嵌于壩體上游側(cè)；控制用手電兩用蝶閥安裝于出口閘閥室（長(zhǎng)3m×寬4.2m）內(nèi)。

5 壩基處理

工程地處蒙山高處，河谷狹窄，壩基基巖裂隙發(fā)育，塊亂石覆蓋層較厚，滲透性較強(qiáng)，為此需清基至新鮮巖面，并進(jìn)行防滲處理。在建基面上設(shè)C25混凝土墊座，厚1m，底部采用？準(zhǔn)25錨筋嵌入基巖3m，錨筋呈梅花狀布置，間隔2m。全壩段壩基面進(jìn)行帷幕灌漿，其中左岸向上游延伸20m，右岸向上游延伸10m，總長(zhǎng)158.50m。灌漿上限為壩基混凝土墊座，下限至基巖透水率為10Lu的巖面，灌漿孔采用單排四序孔，終孔間距為1.5m。

為加強(qiáng)基巖完整性，對(duì)左、右岸重力墩下部基巖采用固結(jié)灌漿。灌漿孔距為4m，呈梅花狀布置，灌漿深度5m。灌漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

6 混凝土面板設(shè)計(jì)

主體工程全部采用C25堆石混凝土，上游面設(shè)有30cm厚的防滲面板，采用高自密實(shí)性能混凝土一體澆筑成型方案，采用雙層雙向￠10@150配筋。

7 接縫和止水

接縫止水設(shè)計(jì)的原則，能適應(yīng)接縫處的位移和滿足防滲要求，有利于施工及保證工程質(zhì)量，各道止水間應(yīng)形成統(tǒng)一的防滲系統(tǒng)。

主體工程沿壩軸線方向設(shè)7道橫縫，封間設(shè)鍵槽，待壩體澆注完成兩個(gè)月后利用跨縫拔管水平灌漿技術(shù)封拱，灌漿水泥采用膨脹水泥，封拱時(shí)壩體溫度滿足設(shè)計(jì)封拱溫度15°的要求。迎水面采用1.2mm厚的銅片止水，背水面采用2mm厚的鍍鋅止?jié){鐵片。

8 幾點(diǎn)體會(huì)

8.1 平面布置

蒙山天池堆石混凝土拱壩布置充分考慮地形地質(zhì)條件，使主體工程座落在較為完整的基巖上，將壩體設(shè)計(jì)為單曲拱壩結(jié)合兩側(cè)重力墩（兼做拱座）的復(fù)合壩型，重力墩分別與兩岸連接，使堆石混凝土拱壩工程與周邊景觀融為一體。

8.2 壩體分區(qū)

壩體采用單曲拱壩結(jié)合兩側(cè)重力墩（兼做拱座）的復(fù)合壩型，其中中間拱壩段68.0m，左端重力墩28.46m（包括拱座），右端重力墩33.54m（包括拱座），分別與兩岸連接。主體工程上游面設(shè)有300mm厚的防滲面板。

8.3 筑壩材料

大壩主體工程全部采用C25堆石混凝土，即利用高自密實(shí)性能混凝土填注堆石體的空隙，形成完整、密實(shí)、具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度的大體積混凝土。堆石混凝土的原材料包括堆石料、石粒顆粒（粗骨料）、砂粒（細(xì)骨料）、粉煤灰、水泥、水、外加劑。

8.3.1 堆石料的品質(zhì)。堆石料應(yīng)新鮮、完整、質(zhì)地堅(jiān)硬。堆石料粒徑不宜小于300mm；堆石料最大粒徑不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)斷面最小邊長(zhǎng)的1/4。堆石料的飽和抗壓強(qiáng)度宜≥50MPa；堆石料的含泥量應(yīng)≤0.5%。

8.3.2 高自密實(shí)性能混凝土骨料。粗骨料最大粒徑不超過20mm；針片狀顆粒含量不超過8%。

8.3.3 水泥。當(dāng)膠凝材料中摻入粉煤灰時(shí)，水泥宜優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥。

8.3.4 摻合料。高自密實(shí)性能混凝土宜使用摻合料，并應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的試配試驗(yàn)。高自密實(shí)性能混凝土使用Ⅱ級(jí)粉煤灰。

8.3.5 外加劑。高自密實(shí)性能混凝土使用以聚羧酸鹽高分子為主要原料的高性能減水劑。

8.3.6 自密實(shí)性能混凝土配合比。自密實(shí)性能混凝土配合比指標(biāo)見表1。

8.4 施工質(zhì)量控制

8.4.1 原材料質(zhì)量控制。定期對(duì)中砂的級(jí)配情況進(jìn)行檢查，若發(fā)生變化則重新進(jìn)行配合比調(diào)整試驗(yàn)；定期對(duì)石子檢查，當(dāng)粒徑超過20mm的石子比率超過5%時(shí)，將超徑部分篩出后再進(jìn)行自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)；自密實(shí)混凝土生產(chǎn)前對(duì)所使用的粗、細(xì)骨料進(jìn)行含水率測(cè)定，若自密實(shí)混凝土生產(chǎn)過程中天氣變化較大時(shí)或者取料部位發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)對(duì)含水量重新測(cè)定進(jìn)而調(diào)整實(shí)際用水量。

8.4.2 倉(cāng)面清理。堆石入倉(cāng)之前，將倉(cāng)面的混凝土乳皮、表層裂縫、由于泌水造成的低強(qiáng)混凝土以及嵌入表面的松動(dòng)堆石予以清除，并進(jìn)行鑿毛處理；同時(shí)保證倉(cāng)面清潔、無積水。驗(yàn)收合格后再進(jìn)行堆石。

8.4.3 堆石過程質(zhì)量控制。堆石必須清洗，對(duì)于石料表面附著的泥土，必須清理干凈，堆石料含泥量和泥塊含量應(yīng)符合《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定；在堆石過程中，堆石料粒徑不宜小于300mm；堆石體外露面所含有的粒徑小于200mm的石塊數(shù)量不得超過10塊/m2；對(duì)于表面集中堆放的小于200mm的堆石碎塊應(yīng)予以清除。

8.4.4 自密實(shí)混凝土生產(chǎn)控制。自密實(shí)混凝土工作性能的檢測(cè)方法主要采用坍落度試驗(yàn)、坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)和V型漏斗試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)試驗(yàn)得到的坍落度、坍落擴(kuò)展度以及V型漏斗通過時(shí)間三項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)滿足表2的范圍要求。

自密實(shí)混凝土的用水量應(yīng)在施工配合比的基礎(chǔ)上扣除骨料含水；不合格的自密實(shí)混凝土嚴(yán)禁入倉(cāng)，已入倉(cāng)的不合格自密實(shí)混凝土必須予以清除；在澆筑過程中澆筑點(diǎn)應(yīng)均勻布置于整個(gè)倉(cāng)面，其間距不得超過3m，必須在澆筑點(diǎn)的自密實(shí)混凝土填滿后方可移至下一澆筑點(diǎn)澆筑，澆筑順序應(yīng)做到單向順序，不可在倉(cāng)面上往復(fù)澆筑；除表層自密實(shí)混凝土外，每一倉(cāng)的澆筑頂面應(yīng)留有塊石棱角，塊石棱角的高度高于自密實(shí)混凝土頂面約為50mm～150mm，以便于下一倉(cāng)的粘結(jié)。

9 結(jié)束語(yǔ)

蒙山天池水庫(kù)是堆石混凝土技術(shù)在山東省的首次應(yīng)用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩，最大壩高24.0m，于2013年4月建成安全運(yùn)行至今。

通過三維非線性有限元計(jì)算，得出壩體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布符合一般變形規(guī)律，驗(yàn)證了壩體應(yīng)力和位移分布的合理性；壩體在各工況下，最大壓（拉）應(yīng)力值均滿足規(guī)范強(qiáng)度要求。

經(jīng)檢測(cè)結(jié)果表明，工程所用原材料質(zhì)量合格；混凝土拌合質(zhì)量良好，混凝土的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土試塊抗凍、抗?jié)B滿足設(shè)計(jì)要求；從鉆孔拍照、攝像資料看，堆石混凝土密實(shí)無空隙。

已有的監(jiān)測(cè)分析成果表明，堆石混凝土拱壩的各種監(jiān)測(cè)值均未超過設(shè)計(jì)允許值，亦表明蒙山天池堆石混凝土拱壩的設(shè)計(jì)、施工中所采用的技術(shù)是合適的。

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作者簡(jiǎn)介：劉剛（1964，2-），男，大學(xué)，漢族，山東青州人，高級(jí)工程師，研究方向：水工設(shè)計(jì)，山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院。