鶴崗市關(guān)門嘴子水庫(kù)重力壩壩型比選分析

溫　州，王秀麗，郭佳樂

技術(shù)論壇

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

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鶴崗市關(guān)門嘴子水庫(kù)重力壩壩型比選分析

溫州，王秀麗，郭佳樂

技術(shù)論壇

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

摘要：文章對(duì)正在進(jìn)行可研編制工作的鶴崗市關(guān)門嘴子水庫(kù)重力壩壩型進(jìn)行了比選分析，根據(jù)筑壩材料的不同，擬定了常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、堆石混凝土重力壩三種不同壩型。通過對(duì)其投資、材料特性、施工條件及溫控措施、運(yùn)行條件等方面的綜合考量，最后選定常態(tài)混凝土重力壩作為選定壩型。

關(guān)鍵詞：重力壩；壩型；常態(tài)；碾壓；堆石

關(guān)門嘴子水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐。在可研編制過程中對(duì)土石壩、重力壩等壩型進(jìn)行了綜合比選，最終確定了重力壩為代表壩型。文章對(duì)重力壩的幾種典型壩型進(jìn)一步比選，選定常態(tài)混凝土重力壩作為選定壩型。

1壩型方案

混凝土重力壩選取常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、堆石混凝土重力壩共3種型式進(jìn)行比較。通過比較，選擇經(jīng)濟(jì)合理的壩型作為混凝土重力壩的代表壩型。各種壩型方案樞紐布置均相同，大壩填筑材料和混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)不同。

1.1常態(tài)混凝土壩

非溢流壩段內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配常態(tài)混凝土。在大壩迎水面設(shè)置2.5 m厚C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土，防滲混凝土上游面在正常蓄水位146.50 m以下設(shè)15 mm厚丙乳砂漿噴涂層。在壩頂以下及大壩背水面外層設(shè)置2.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的常態(tài)防滲混凝土，根據(jù)下游最高水位，在高程127.80 m以上為三級(jí)配常態(tài)混凝土，在高程127.80 m以下為二級(jí)配常態(tài)混凝土?；A(chǔ)墊層采用1.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土。在灌漿排水廊道周圍采用0.5 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配常態(tài)混凝土。壩體混凝土分區(qū)的常態(tài)混凝土重力壩典型斷面圖見圖1。

圖1常態(tài)混凝土重力壩典型斷面圖

溢流壩段在130.00 m以下的壩體內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配常態(tài)混凝土。在大壩迎水面設(shè)置C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土，二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土厚度以上游水頭的1/15為控制高度，以上取2.0 m厚，以下取3.0 m厚。在大壩背水面設(shè)置2.5 m厚C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土。在高程130.00 m以上至壩頂及溢流堰表面1.0 m厚采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的二級(jí)配常態(tài)混凝土。基礎(chǔ)墊層采用1.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土[1]。

1.2碾壓混凝土壩

除灌溉進(jìn)水口壩段和供水、發(fā)電、環(huán)境進(jìn)水口壩段兩個(gè)壩段為常態(tài)混凝土壩段，其它26個(gè)壩段均為碾壓混凝土壩段。常態(tài)混凝土壩段混凝土分區(qū)與方案1相同。碾壓混凝土非溢流壩段壩體內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配碾壓混凝土。在大壩迎水面設(shè)置50 cm厚變態(tài)混凝土，變態(tài)混凝土上游面設(shè)15 mm厚丙乳砂漿噴涂層，變態(tài)混凝土下游采用2.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配碾壓防滲混凝土。在大壩背水面設(shè)置2.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配碾壓防滲混凝土，根據(jù)下游最高水位，在高程127.80 m以上為三級(jí)配碾壓混凝土，在高程127.80 m以下為二級(jí)配碾壓混凝土。為保證壩體碾壓混凝土的施工質(zhì)量與速度，為施工機(jī)械保留足夠的作業(yè)面寬度，在高程134.25 m以上、至壩頂均采用強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土?；A(chǔ)墊層采用1.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土。在灌漿排水廊道周圍采用變態(tài)混凝土，變態(tài)混凝土厚度采用0.5 m。壩體混凝土分區(qū)的碾壓混凝土重力壩典型斷面圖見圖2。

溢流壩段在130.00 m以下的壩體內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配碾壓混凝土。在大壩迎水面設(shè)置50 cm厚變態(tài)混凝土，變態(tài)混凝土下游采用強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配碾壓防滲混凝土。二級(jí)配碾壓防滲混凝土厚度以上游水頭的1/15為控制高度，以上取2.0 m厚，以下取3.0 m厚。在高程130.00 m以上至壩頂及溢流堰表面1.0 m厚采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的二級(jí)配常態(tài)混凝土。在大壩背水面設(shè)置2.5 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配碾壓防滲混凝土。在灌漿排水廊道周圍采用厚度0.5 m的變態(tài)混凝土[2]。

1.3堆石混凝土壩

除灌溉進(jìn)水口壩段和供水、發(fā)電、環(huán)境進(jìn)水口壩段兩個(gè)壩段為常態(tài)混凝土壩段，其它26個(gè)壩段均為堆石混凝土壩段。常態(tài)混凝土壩段混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)與方案1相同。

非溢流壩段內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配堆石混凝土，在大壩迎水面設(shè)置1 m厚C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土，防滲混凝土上游面設(shè)15 mm厚丙乳砂漿噴涂層。根據(jù)下游最高水位，在高程127.80 m以下的背水面外層設(shè)置2.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土?；A(chǔ)墊層采用1.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土。壩體混凝土分區(qū)見圖3堆石混凝土重力壩典型斷面圖。

圖2碾壓混凝土重力壩典型斷面圖

溢流壩段在130.00 m以下的壩體內(nèi)部采用強(qiáng)度等級(jí)為C15的三級(jí)配堆石混凝土。在大壩迎水面設(shè)置C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土，二級(jí)配碾壓防滲混凝土厚度以上游水頭的1/15為控制高度，以上取2.0 m厚，以下取3.0 m厚。在大壩背水面設(shè)置2.5 m厚C25的二級(jí)配常態(tài)防滲混凝土。在高程130.00 m以上至壩頂及溢流堰表面1.0 m厚采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的二級(jí)配常態(tài)混凝土。基礎(chǔ)墊層采用1.0 m厚強(qiáng)度等級(jí)為C25的三級(jí)配常態(tài)混凝土[3]。

圖3堆石混凝土重力壩典型斷面圖

2重力壩代表壩型方案比選

2.1地形、地質(zhì)條件

地形、地質(zhì)條件適合布置混凝土重力壩，3種壩型均適合。

2.2樞紐布置

3種壩型對(duì)樞紐布置無影響。

2.3筑壩材料

3種壩型所需的填筑材料都可以滿足要求。但碾壓混凝土壩可以用一定比例的粉煤灰代替水泥，鶴崗市是產(chǎn)煤城市，市內(nèi)電廠可以供應(yīng)粉煤灰，粉煤灰價(jià)格低廉，運(yùn)距短，所以采用碾壓混凝土壩可以節(jié)省水泥用量，減少投資。常態(tài)混凝土壩設(shè)計(jì)摻埋石20%，可節(jié)省部分水泥用量。堆石混凝土壩可使用大量的塊石作為主要建筑材料，節(jié)省水泥用量，節(jié)省投資，但工程所在地粉煤灰價(jià)格低廉故不及碾壓混凝土壩單位造價(jià)低。

2.4施工條件及混凝土溫控防裂

1)常態(tài)混凝土壩：振搗，冷卻水管等工序較多，水化熱高，溫控復(fù)雜，容易開裂成本較高。

2)碾壓混凝土壩：要求大倉(cāng)面重型機(jī)械?？梢员哟髠}(cāng)面澆筑碾壓，便于連續(xù)施工，因而施工速度快，工期短。但本工程攔河壩最大拔高33.23 m，壩軸線全長(zhǎng)523 m，13#為灌溉進(jìn)水口壩段，14#為供水、發(fā)電、環(huán)境進(jìn)水口壩段，這兩個(gè)壩段設(shè)計(jì)為常態(tài)混凝土壩段，因此碾壓混凝土大倉(cāng)面澆筑的優(yōu)勢(shì)不明顯。

3)堆石混凝土壩：機(jī)械化程度較低，質(zhì)量控制難，隨著人工成本的增加，優(yōu)勢(shì)降低。堆石混凝土壩施工混凝土免振搗自密實(shí)，施工工藝簡(jiǎn)單，但堆石混凝土壩是專利技術(shù) ，施工需有專門的技術(shù)支持。

4)碾壓混凝土壩：碾壓混凝土膠凝材料用量少，并用粉煤灰代替部分水泥，水化熱較常規(guī)混凝土少，所以一般情況下碾壓混凝土壩體不設(shè)置冷卻水管，因此碾壓混凝土施工的溫控要求也更為嚴(yán)格。碾壓混凝土壩施工時(shí)比澆常規(guī)混凝土溫度提升更快，因?yàn)樗缮顟B(tài)的碾壓混凝土顆粒間充滿了流動(dòng)的空氣，加快了碾壓混凝土與外界的熱交換。因此運(yùn)輸路程應(yīng)盡量短，碾壓應(yīng)及時(shí)。另外，盡量減少碾壓混凝土層面在空氣中的暴露時(shí)間，加快鋪筑速度。

碾壓混凝土的層面比常規(guī)混凝土多, 施工中常易產(chǎn)生主骨料分離, 層面黏結(jié)不良等缺陷。因此, 要防止水平層面開裂,應(yīng)注意加強(qiáng)層面黏結(jié)、上游防滲措施與溫控防裂措施相結(jié)合。

2.5施工工期

碾壓混凝土壩施工工期為3 a，常態(tài)混凝土壩初擬工期4 a。堆石混凝土壩工藝簡(jiǎn)單也節(jié)省工期與碾壓混凝土壩工期相當(dāng)。

2.6運(yùn)行條件

2.6.1碾壓混凝土壩較高的徐變防裂能力

碾壓混凝土的抗拉強(qiáng)度與常規(guī)混凝土相似，但碾壓混凝土徐變度大。由于粉煤灰在一年以后還有一定的活性，能夠繼續(xù)形成水化物晶體，使晶體間由于應(yīng)力產(chǎn)生的微裂隙得以穿插交錯(cuò)，恢復(fù)為整體。也即其慢速極限拉伸變形遠(yuǎn)大于常態(tài)混凝土，對(duì)基礎(chǔ)約束的抗裂能力大于常態(tài)混凝土壩。

2.6.2碾壓混凝土壩較高的抗溶蝕能力

碾壓混凝土的粉煤灰摻量很高，具有足夠的一氧化硅與水泥水化產(chǎn)物相結(jié)合，對(duì)常見的泛酸性侵蝕、溶出性侵蝕和游離一氧化碳侵蝕有足夠的抗侵蝕能力。因此，即使漏水也很少出現(xiàn)上游側(cè)縫面被侵蝕，下游側(cè)縫面析出鈣質(zhì)沉淀物現(xiàn)象，不致造成嚴(yán)重溶蝕。

2.6.3混凝土壩抗裂保溫措施

無論哪種混凝土壩型，混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外因素的作用不可避免地存在裂縫，而裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因。除了在拌合料種摻加外加劑，在混凝土壩迎水面表面設(shè)一層丙乳砂漿噴涂層，丙乳砂漿具有黏結(jié)、抗裂、防水、防氯離子滲透、耐磨、耐老化等性能。北方冬季天氣寒冷，混凝土壩在運(yùn)行期間需要采用土工膜等保溫措施。

2.7投資對(duì)比

3種混凝土壩型方案的投資見表1。

表1　混凝土重力壩代表壩型比較投資成果

3結(jié)論

常態(tài)混凝土壩的投資為14226萬元，碾壓混凝土壩的投資為13356萬元，堆石混凝土壩的投資為13192萬元。堆石混凝土壩投資最省，比碾壓混凝土壩省164萬元，比常態(tài)混凝土壩省1034萬元。碾壓混凝土壩比常態(tài)混凝土壩投資省870萬元。各種混凝土壩型方案投資相差不多。雖然堆石混凝土壩投資最省，但機(jī)械化程度較低，質(zhì)量控制難，隨著人工成本的增加，優(yōu)勢(shì)降低。在投資相差不多的情況下可對(duì)堆石混凝土壩型不予考慮。碾壓混凝土壩比常態(tài)混凝土壩節(jié)省投資870萬元，但本工程壩高33.23 m，壩高不太高，非溢流壩段長(zhǎng)520 m，施工作業(yè)面較窄，碾壓混凝土大倉(cāng)面澆筑的優(yōu)勢(shì)不明顯，碾壓混凝土壩溫控比常態(tài)混凝土壩更加嚴(yán)格，而且碾壓混凝土的施工層面多, 施工中易產(chǎn)生主骨料分離, 層面黏結(jié)不良等缺陷。所以本階段推薦常態(tài)混凝土壩型作為混凝土重力壩的代表壩型。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)水利部.SL319—2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2005.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL314—2004碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3]水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2版)：混凝土壩[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001:84-92.

Alternative on Gravity Dam Type of Guanmenzuizi Reservoir in Hegang City

WEN Zhou; WANG Xiu-li and GUO Jia-le

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：The gravity dam types of the Guanmenzuizi reservoir being at the stage of working out the infeasibility study were compared and analyzed in the paper.In accordance with the different construction material of the dam, three types of various dams composed of concrete gravity dam in normal state, rolled concrete gravity dam and rock-filled concrete gravity dam were proposed.By the comprehensive considerations on the cost, material characteristics, construction conditions, temperature control measures and operation conditions, the concrete gravity dam in normal state was selected finally as the dam type.

Key words：gravity dam; type of dam; normal state; compaction by rolling; rockfill

中圖分類號(hào)：TV642.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[作者簡(jiǎn)介]溫州(1983-)，男，黑龍江省鶴崗人，工程師；王秀麗(1967-)，女，黑龍江哈爾濱人，高級(jí)工程師；郭佳樂(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師。

[收稿日期]2015-09-28

文章編號(hào)：1007-7596(2016)01-0039-04