石步河水庫工程碾壓混凝土重力壩設(shè)計

孫 翔，潘自恒，張志彥，王 軍

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450004;2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 南陽 473000; 3.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 南陽 473000)

石步河水庫工程碾壓混凝土重力壩設(shè)計

孫 翔1，潘自恒2，3，張志彥2，3，王 軍1

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450004;2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 南陽 473000; 3.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 南陽 473000)

石步河水庫最大壩高26.1m，壩長228m，為小型碾壓混凝土重力壩，其相對于大型碾壓混凝土重力壩，施工倉面相對較小，影響施工速度因素較多。為此，本文在對石步河碾壓混凝土重力進行全面介紹基礎(chǔ)上，重點介紹設(shè)計施工中采用的多項加快施工速度的措施及新的設(shè)計理念，為同類工程的設(shè)計提供了借鑒。

碾壓混凝土重力壩;石步河水庫;結(jié)構(gòu)設(shè)計

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.035

1 工程概述

石步河水庫位于河南省桐柏縣城西北，唐河支流三夾河上游石步河上?？刂屏饔蛎娣e 335km2，水庫總庫容2892萬 m3，是一座以防洪、供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、旅游開發(fā)等綜合利用的中型水利樞紐工程。

工程由大壩、排砂洞、供水管道、管理房屋及管理道路等組成。設(shè)計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1000年一遇。

壩址處河谷為“U”型谷，寬度97m，兩岸山體不對稱，左岸較陡，右岸稍緩，右岸發(fā)育有一階地，寬57m。左岸自然坡度60～65°，右岸自然坡度45～50°。壩址區(qū)地層較單一，主要為加里東期片麻狀花崗巖及第四系松散堆積物，無大的構(gòu)造斷裂通過，巖層走向與河谷近垂直，傾向偏向上游。地震基本烈度為Ⅵ度。

2 碾壓混凝土重力壩布置

石步河水庫碾壓混凝土重力壩最大壩高26.1m，壩頂高程154.10m，壩軸線長228m，由左右岸擋水壩段和河床溢流壩段組成，共分11個壩段(見圖1)。

圖1 石步河水庫大壩上游立面圖

左岸擋水壩段長74m，共4個壩段，除1#接頭壩段長14m外，其余均為20m;右岸擋水壩段長50m，分3個壩段，除11#接頭壩段長10m外，其余均為20m;溢流壩段長104m，分4個壩段，依次為29m、23m、29m、23m。在溢流壩段設(shè)9孔10m×5.1m溢流表孔，為WES堰，溢流面堰頂高程146.00m，挑流消能。在3#壩段布設(shè)有排砂和洞供水洞，排沙洞為無壓底孔，孔口尺寸為3.0m× 3.5m，孔口底高程138.00m，挑流消能;供水洞孔口尺寸為2m×2m，后接內(nèi)徑2m引水鋼管。

3 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 壩體材料分區(qū)

根據(jù)壩體應(yīng)力計算和穩(wěn)定計算成果，類比工程經(jīng)驗對壩體結(jié)構(gòu)混凝土進行分區(qū)設(shè)計［1，2］。典型斷面見圖2、圖3。根據(jù)規(guī)范的要求及本工程的氣溫情況，按照不同部位的工作條件和環(huán)境條件進行混凝土材料分區(qū)，見表1［3］。

表1 壩體材料分區(qū)表

圖2 擋水壩段典型剖面圖

圖3 溢流壩段典型剖面圖

壩體混凝土方量為6.42萬m3，其中碾壓混凝土方量為4.82萬m3，占壩體總混凝土量的75%。壩體主要材料采用C9015三級配碾壓混凝土;上游153.00m高程以下防滲層及下游142.94m高程以下迎水面采用C9020W 4F50二級配碾壓混凝土。根據(jù)混凝土設(shè)計指標經(jīng)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，經(jīng)分析比較后的主要混凝土配合比見表2。

表2 大壩碾壓混凝土配合比

3.2 壩體防滲及排水設(shè)計

壩體防滲層均采用C20W 4F50二級配碾壓混凝土及上游模板周邊變態(tài)混凝土防滲，相對于采用“金包銀”模式防滲結(jié)構(gòu)，可大幅度提高壩體混凝土澆筑速度。根據(jù)規(guī)范［3］，碾壓混凝土防滲層的有效厚度，宜為壩面水頭的1/30～1/15。壩體上、下游面防滲厚度根據(jù)壩前水位不同并結(jié)合施工要求，壩前取2.0m，壩下游取1.5m。

壩體排水管設(shè)上游防滲層后，孔間距3.0m。非溢流壩段排水管上部通至153.0m，溢流壩段排水管上部通至143.92m高程，下部至基礎(chǔ)灌漿廊道。壩體滲水通過廊道排水溝，匯流至集水井后抽排至壩體外。

3.3 壩體分縫及止水

大壩壩基最大寬度29m，為適應(yīng)碾壓混凝土快速施工的特點，只設(shè)橫縫不設(shè)縱縫。橫縫間距根據(jù)地質(zhì)條件、壩體布置、溫度應(yīng)力計算、施工強度等確定，共設(shè)10條橫縫。橫縫采用切縫機切縫形成，縫寬0.02m，采用“先切后碾”，縫內(nèi)采用聚乙烯閉孔塑料板填塞。間歇層面采用刷毛或沖毛清除混凝土表面的浮漿及松動骨料。處理合格后，均勻刮鋪2cm厚與混凝土同標號的水泥砂漿，然后在其上攤鋪RCC混凝土碾壓。

上游壩面壩體橫縫處設(shè)置兩道止水片，分別為紫銅止水和橡膠止水，置于防滲層內(nèi)。第一道止水距上游壩面0.5m，第二道止水距上游壩面0.9m，縫內(nèi)填塞聚乙烯閉孔塑料板，止水片埋入基巖內(nèi)0.5m，止水槽用錨筋與基巖連接，用微膨脹混凝土回填。壩體下游面橫縫處設(shè)置一道橡膠止水，置于防滲層內(nèi)。為防止壩體廊道橫縫處滲水，在壩體廊道跨橫縫處設(shè)PVC止水帶，縫內(nèi)填聚乙烯閉孔塑料板。

3.4 大壩基礎(chǔ)處理

壩基礎(chǔ)屬于花崗片麻巖，巖石呈弱風化，為微～中等透水。大壩基礎(chǔ)處理除了防滲帷幕灌漿及壩基排水外，主要是固結(jié)灌漿和斷層處理。

固結(jié)灌漿:為提高壩基巖石的整體性與均質(zhì)性，提高壩基巖石的抗壓強度與彈性模量對主河槽段壩基進行固結(jié)灌漿。孔距排距均為3m，上下游各布置3排。固結(jié)灌漿孔孔深為5m，均是鉛直孔。

斷層處理:根據(jù)地質(zhì)資料分析，壩址附近斷層總計3條，F(xiàn)4、F5與壩軸線斜交，壩基F8斷層;從地質(zhì)勘探情況看，壩址附近2處斷層對壩體影響較小。對于壩基F8斷層，采用加大開挖深度，并采用混凝土塞回填，結(jié)合壩基固結(jié)灌漿加密為間距為1.5m×1.5m;并采取加密帷幕灌漿孔距、加深長度措施。

4 石步河大壩設(shè)計特點

4.1 合理采用預(yù)制構(gòu)件

石步河碾壓混凝土大壩為低壩，碾壓混凝土倉面最大大寬度20m，最小寬度4.5m。為保證施工質(zhì)量的同時又能加快施工速度，對于部分部位采用預(yù)制構(gòu)件。

4.1.1 下游面采用預(yù)制塊代替模板

擋水壩段背水坡坡比為1∶0.7，常規(guī)施工方法需先立模，后澆筑。由于是斜坡澆筑無論是固定模板或采用爬模，混凝土混凝土內(nèi)氣泡都不易排出，易造成外觀蜂窩麻面，影響外觀，同時要經(jīng)歷立模，拆模及拆模后模板處理等工序，降低施工效率。經(jīng)設(shè)計論證比較后采用預(yù)制混凝土擋塊［4］作為替代模板使用，同時擋塊作為大壩的一部分，避免了立模、拆模等工序，加快施工速度，又使得大壩坡面整齊美觀。

4.1.2 預(yù)制廊道減少模板使用

壩體布置一條1條縱向灌漿排水廊道，廊道底高程133.00～142.94m，斷面為城門洞形，尺寸為2.5m×3.5m。廊道側(cè)墻為變態(tài)混凝土，拱頂采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，見圖4。施工時后可直接碾壓廊道側(cè)墻變態(tài)混凝土，吊裝預(yù)制拱頂后可接著碾壓上層混凝土。最大限度減少廊道施工工期。

圖4 拱頂預(yù)制段廊道剖面圖

4.2 壩體排水管采用鉆孔代替預(yù)埋排水管

壩體排水管一般采用預(yù)埋混凝土管或塑料管，施工時采用拔節(jié)法先安裝排水管，且排水管周圍不能采用碾壓施工。石步河大壩壩體排水管距上游面3m，間距為3m，采用常規(guī)壩體排水管設(shè)計將使得碾壓混凝土施工倉面更加小，施工效率大大降低，因此設(shè)計采用先整體壩體施工，在壩體碾壓混凝土全部施工完成后，采用在壩頂鉆孔形成壩體排水孔，加快了施工速度。

4.3 合理簡化溫控設(shè)計

大壩采用天瑞集團南召水泥有限公司生產(chǎn)的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，混凝土摻和料采用南陽鴨河口發(fā)電廠生產(chǎn)的分選的Ⅰ級粉煤灰，石子采用姚河村采石場的花崗巖人工碎石，砂采用在壩址上游河床內(nèi)開采篩選的礫砂。

根據(jù)計算，并參照規(guī)范和其他已建工程，大壩強約束區(qū)基礎(chǔ)溫差控制標準:混凝土最低13℃;常態(tài)混凝土最低15℃。相鄰塊高差不超過12m［3-8］。碾壓混凝土澆筑應(yīng)薄層連續(xù)短間歇式上升，層間歇時間不大于10d。低溫季節(jié)澆筑溫度不低于5℃，基礎(chǔ)強約束區(qū)澆筑溫度不高于過20℃，非約束區(qū)不高于24℃。

鑒于石步河攔河壩為低壩，采用對主河槽段基礎(chǔ)強約束區(qū)在低溫季節(jié)施工，對于高溫季節(jié)澆筑混凝土，不采用冷卻水管而是采用以下簡易措施:加大料堆高度、地垅取料;在料堆上搭設(shè)遮陽棚防曬，噴冷水(機井水)降溫;倉面噴霧;采用保溫泡沫板覆蓋;避開高溫時段澆筑;混凝土運送設(shè)備采取遮陽防曬措施;水泥罐、粉煤灰罐及拌和樓采取防曬隔熱措施等。低溫季節(jié)主要是采用保溫泡沫板保溫。施工實踐證明上述措施完全滿足溫控設(shè)計要求，不但節(jié)約的投資，更提高了施工速度。

4.4 結(jié)合景觀工程的大壩設(shè)計

近年來我國的水利工程，越來越注重水利工程的景觀和美學要求。石步河水庫把“大美”理念、工程美學理念，融入在設(shè)計之中，在保證大壩安全，滿足功能要求的前提下，對大壩進行精心處理。如大壩上部的泄洪閘閘房、排砂洞閘房采用現(xiàn)代風格，大壩、泄洪閘閘房、橋頭堡依次突出其層次感，并在外墻涂料、房頂琉璃瓦等顏色選擇都與整體環(huán)境協(xié)調(diào)，宛如大壩帶上一定優(yōu)雅別致的帽子。將壩頂防浪墻采用定型模板澆筑，凸凹有致，壩段下游面采用漢白玉欄桿，典雅大方，擋水壩段背水坡面預(yù)制塊砌筑使得坡面整齊劃一，使得大壩雄厚而不笨拙。

4.5 改變泄洪閘啟閉機方式

在可行性研究階段，泄洪閘閘門采用了液壓啟閉機，雖然液壓啟閉機具有布置緊湊，體積小，重量輕;緩沖能力好、轉(zhuǎn)動平穩(wěn);液壓傳動與電氣控制相結(jié)合，便于實現(xiàn)自動化;易于防止過載，工作安全可靠等優(yōu)點。但液壓啟閉相對卷揚啟閉機對操作要求較高、維護保養(yǎng)和運行成本較高等缺點，由于石步河水庫管理機人員由縣級水利局抽調(diào)組建，管理水平不高，且加上水庫直接收益不高，運行經(jīng)費可能較為緊張。在工程初設(shè)階段，經(jīng)對水庫運行調(diào)度進行詳細計算基礎(chǔ)上，考慮水庫后期運行管理的實際情況，經(jīng)對比，泄洪閘閘門由液壓啟閉機改為卷揚啟閉機。

5 結(jié)論

石步河水庫大壩于2011年4月開工建設(shè)，2011年12月基礎(chǔ)開挖完成。2013年11月工程合同完工驗收。并經(jīng)受2014年汛期超過水庫20一遇設(shè)計標準的洪水考驗。在針對石步河水庫作為小型碾壓混凝土壩，經(jīng)過精心設(shè)計研究，對材料分區(qū)、預(yù)制構(gòu)件采用、優(yōu)化施工方法等多種措施，盡量發(fā)揮碾壓混凝土施工的優(yōu)點，大大加快施工進度，為中小型碾壓混凝土大壩提供值得借鑒的經(jīng)驗。同時在設(shè)計中結(jié)合景觀設(shè)計融入工程美學，并結(jié)合工程后期運行維護等因素，體現(xiàn)工程全壽命周期設(shè)計的理念，這些也給水利工程設(shè)計提供新的思路。

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1672-2469(2016)08-0109-04

2015-03-31

孫 翔(1977年—)，男，高級工程師。