中咀坡水庫面板堆石壩設計

蒲榮松，萬學淵

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶市 400020)

1 工程概況

中咀坡水庫位于重慶市，正常蓄水位546.00 m，相應庫容1 491萬m3，校核洪水位547.84 m，總庫容1 578萬m3，為Ⅲ等中型水庫工程。水庫樞紐由鋼筋混凝土面板堆石壩、左岸洞式溢洪道、取水口及導流兼放空洞等建筑物組成。

壩區(qū)出露中、古生界二疊系、三疊系地層及第四系地層零星分布。趾板線位置河床寬19.6 m，基巖為Ⅲc類炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖夾薄層灰?guī)r巖體，為較軟巖類。左岸坡為順向坡，坡度為45.5°，下部為大隆組(P2d)地層，主要由炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖夾薄層灰?guī)r構(gòu)成，層理發(fā)育，局部有松動蠕變巖體分布；上部為吳家坪組(P2w)厚層塊狀灰?guī)r，屬Ⅲ1A類巖體，為堅硬巖類。岸坡地表覆蓋層分布少，主要為裸露基巖，巖體強風化薄。右岸為逆向坡，坡度為45°，強風化層以下巖體切坡穩(wěn)定性好，岸坡地表覆蓋層分布少，主要為裸露基巖，巖體強風化薄。

2 大壩設計

2.1 面板壩布置

中咀坡水庫壩址河段位于后溪河榔頭溪以下至公路橋間相對順直河道，避開了榔頭溪上游右岸發(fā)育五尺巖溝和小河溝兩條深切沖溝。同時，公路橋下游為轉(zhuǎn)彎段，兩岸地形對稱性較差，核部段巖溶較發(fā)育。壩軸線位于后溪河與其支流三莊溪匯合口以下約4.0 km的中咀坡處，該壩線河流順直，兩岸岸坡為均勻斜坡，岸坡穩(wěn)定性較好。大壩最大壩高111 m，壩頂高程549.0 m，壩頂寬8 m，上下游壩坡均為1∶1.4，壩體總填筑方量170萬m3。

2.2 壩頂結(jié)構(gòu)

壩頂寬8 m，上游側(cè)設高為3.6 m的鋼筋混凝土防浪墻，防浪墻底部高程高于水庫正常運用水位，并與面板頂部有1個接縫且設止水。

2.3 壩體分區(qū)與壩料設計

根據(jù)試驗及經(jīng)濟比較確定大壩主要填筑分區(qū)如下：

(1)上游粉質(zhì)粘土鋪蓋區(qū)。鋪蓋頂部高程為478.00 m，頂寬3.0 m，上游邊坡1∶1.5。

(2)蓋重區(qū)。覆蓋在上游粘土鋪蓋上，維持上游鋪蓋區(qū)的穩(wěn)定，并起保護作用。選用大壩開挖的棄碴料填筑，頂部高程為480.00 m，頂寬3.0 m，上游邊坡1∶2.8。

(3)特殊墊層區(qū)。此處有出現(xiàn)漏水的可能性，為加強對周邊縫的滲漏控制，在趾板周邊縫下游側(cè)設置特殊墊層區(qū)，該區(qū)材料為料場人工破碎篩分后配制的灰?guī)r料。最大粒徑為40 mm，小于5 mm的顆粒含量為35%～60%，小于0.75 mm的顆粒含量控制在5%～10%。薄層碾壓密實(碾壓層厚0.2 m，適量加水)，以盡量減少周邊縫的位移，同時起到反濾作用。

(4)墊層區(qū)。通常認為是面板壩防滲的第二道防線，本工程墊層區(qū)水平寬度3.0 m，以1∶1.4的坡等寬布置。材料為料場人工破碎篩分后配制的灰?guī)r料，最大粒徑為80 mm，小于5 mm的顆粒含量為30%～45%，小于0.75 mm的顆粒含量控制在4%～6%。設計干密度2.2 g/cm3，孔隙率18.5%，滲透系數(shù)1×10-4cm/s，碾壓層厚0.4 m，適量加水。墊層上游坡面為擠壓混凝土邊墻，以滿足面板施工及臨時度汛的要求。擠壓式邊墻斷面為梯形，以鉸接的方式使邊墻可適應墊層區(qū)的變形，其底部不會形成空腔，可有效避免空腔對面板的不利影響。墻高度為墊層料的設計鋪填厚度，邊墻上游側(cè)坡度與混凝土面板堆石壩的上游壩坡相同，為1∶1.4。本工程頂部寬度確定為10cm，邊墻下游側(cè)坡度采用8∶1。

(5)過渡層區(qū)。過渡區(qū)水平寬度4.0 m，等寬布置，材料為料場人工破碎灰?guī)r料。最大粒徑為30 mm，小于5.0 mm含量20%～30%，設計干密度2.15 g/cm3，相應孔隙率20.0%，滲透系數(shù)1×10-3cm/s，填筑層厚度0.4 m，適量加水?？紤]到本工程兩岸較陡，為減小變形梯度，兩岸接觸帶采用1.5 m厚過渡料碾壓填筑。

(6)主堆石區(qū)。主、次堆石區(qū)的分界線從543.96 m高程開始以向下游1∶0.5的坡至454.0 m高程。主堆石區(qū)是面板堆石壩的主要受力區(qū)，要求用良好的級配，堅硬的石料填筑，壓實后能自由排水。本工程主堆石料選用新鮮灰?guī)r料，最大粒徑600 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%，設計干密度2.1 g/cm3，相應孔隙率21.0%，滲透系數(shù)1×10-2cm/s，填筑層厚度0.8 m，適量加水。

(7)次堆石區(qū)。次堆石區(qū)由于其變形對壩體和面板變形影響不大，材料選用微風化灰?guī)r料，部分采用泄洪洞開挖料填筑。最大粒徑80 mm,粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不超過5%，設計干密度2.05 g/cm3，孔隙率22%，填筑層厚度1.0 m，適量加水。另外，在下游壩坡最外層砌筑粒徑大于60 cm的干砌石幫砌整齊作為護面。

(8)濾水壩趾區(qū)。在大壩下游591 m以下設置堆石棱體,材料選用微風化灰?guī)r料。最小粒徑1.0 m,設計干密度2.0 g/cm3,孔隙率23%，填筑層厚度1.2 m。

2.4 面板、趾板與接縫止水設計

(1)鋼筋混凝土面板底部最大厚度為0.62 m。面板采用單層雙向配筋，各向平均含筋率為0.4%，河床段4塊面板頂部(523.00 m高程以上)的面板配筋率采用0.5%。面板混凝土標號C25W12F100，二級配，水灰比小于0.50。

(2)本工程壩址位于高山峽谷地帶，趾板寬度減小可降低開挖邊坡及工程量，但趾板縮窄，也應采取措施滿足滲徑要求。因此，本工程趾板采用等寬窄趾板，趾板等寬5 m，厚度0.5 m～0.6 m，趾板下游設“X”防滲板，采用掛網(wǎng)噴20 cm厚C20混凝土，既起到延長滲徑的作用，又起到灌漿側(cè)向蓋板的作用。趾板混凝土C25W12F100，頂部設配筋率0.35%單層雙向鋼筋。沿趾板線全長布置錨筋和固結(jié)灌漿。

(3)止水系統(tǒng)在混凝土面板堆石壩中是比較關鍵的環(huán)節(jié)。為了適應壩體的沉降變形，在面板與趾板之間設置周邊縫，面板與面板之間設置垂直縫，趾板之間設置伸縮縫，防浪墻與面板設水平縫。根據(jù)縫的不同作用和要求，采用了以下幾種不同的止水構(gòu)造型式：

①周邊縫

周邊縫設三道止水，即底部銅片止水，中部為橡膠止水，周邊縫表面設柔性填料止水，其上用橡膠膜密封保護，兩側(cè)用扁鋼固定并保護。周邊縫采用瀝青浸漬木板嵌縫，厚度為12 mm。

②面板垂直縫

垂直縫分為壓性縫和張性縫兩種。

張性垂直縫：共11條，縫間距為12 m，該縫設二道止水，即底部止水銅片，頂部設柔性填料止水。

壓性垂直縫：左、右岸各5條，縫間距為6 m，設二道止水，即底部止水銅片，頂部設柔性填料止水；河床部位面板壓性垂直縫間增設12 mm厚瀝青浸漬杉木板。

③趾板伸縮縫

趾板伸縮縫與面板分縫錯開，而且垂直于“x”線，設二道止水，頂部設柔性填料止水，中部設一道橡膠止水，并與周邊縫止水構(gòu)成封閉系統(tǒng)。

④壩頂縫

防浪墻伸縮縫間距為15 m，與面板垂直縫錯開，設一道橡膠止水。

防浪墻與面板縫間設二道止水，即底部止水銅片，頂部設柔性填料止水。結(jié)構(gòu)與面板壓性垂直縫相同。

2.5 岸坡開挖與壩基處理

壩基開挖主要根據(jù)地質(zhì)條件及面板堆石壩的受力情況，分別確定不同的建基高程，以便達到既滿足穩(wěn)定和沉降的要求，又減少工程量的目的。

根據(jù)面板的受力特點，壩軸線以上區(qū)域基礎的變形，將直接影響面板的變形和安全。因此趾板及壩軸線上游范圍內(nèi)的壩基基礎建在弱風化巖上部，即基巖面下1.5～3.0 m。堆石體其他部位基礎只需清除覆蓋層和松散巖體，趾板基礎與堆石體基礎用不陡于1∶2的底坡相連接。

堆石體地基壩軸線上游岸坡開挖成不陡于1∶0.5的坡度，當局部岸坡很陡時，開挖成不陡于1∶0.25的穩(wěn)定邊坡，回填M7.5漿砌塊石補坡；壩軸線下游壩體岸坡地基須清除覆蓋層至巖基，確保平順，并清除表面松動石塊和突出巖石，避免陡坎、反坎和不穩(wěn)定邊坡。

位于趾板、墊層、過渡層范圍內(nèi)的鉆孔，采用掃孔、洗孔、灌漿及封孔處理；位于趾板、墊層、過渡層范圍內(nèi)的探槽、探坑采用C15混凝土回填，其上采用級配反濾料覆蓋；位于趾板、墊層、過渡層范圍內(nèi)的探硐采用C15埋石混凝土封堵，并作回填灌漿處理；位于堆石體范圍內(nèi)的探硐采用C15埋石混凝土回填。

2.6 壩基及兩岸防滲

趾板基礎垂直防滲采用帷幕灌漿，在進行帷幕灌漿之前先進行固結(jié)灌漿，帷幕灌漿為單排，孔距2 m，與中間固結(jié)灌漿孔相結(jié)合。左岸巖體為中等可溶巖類，但不存在深巖溶現(xiàn)象，巖體完整性好，但存在沿層理面產(chǎn)生裂隙性滲漏問題，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，孔深深入基巖相對隔水層(q≤3 Lu)以下30 m；其余部分為非可溶性巖溶，孔深深入基巖相對隔水層(q≤3 Lu)以下5 m，在谷底段帷幕深度為27～47 m，兩岸坡為5.53～72 m。

根據(jù)地質(zhì)所提供資料，帷幕兩岸向山里延伸接相對隔水層。左、右岸將壩基防滲帷幕沿壩軸線方向延伸至正常蓄水位與相對隔水層線相交，左岸延伸161 m，右岸延伸72 m。

2.7 壩體反壓排水設計

為防止施工期壩體反向滲流破壞墊層或面板，工程采用在大壩上游壩體內(nèi)設置反向排水鋼管自由排水至上游集水坑的措施。壩體反向排水管布置在河床趾板及其后部的墊層、過渡層及主堆石區(qū)域，共布置2根，間距20 m，每根長約25.0 m，材料為鍍鋅鋼管DN203，其下游端部2 m段為外包二層不銹鋼濾網(wǎng)的花管，內(nèi)層采用1 mm的濾網(wǎng)，外層采用5 mm的濾網(wǎng)。排水花管周圍包填卵石料。反向排水管汛期保護：排水管在度汛期不封堵，安裝逆止閥以防止洪水灌入管內(nèi)，但汛前在逆止閥進口安裝1層1 mm的不銹鋼濾網(wǎng)保護。蓄水前，對反向排水鋼管進行封堵。

2.8 安全監(jiān)測設計

大壩安全監(jiān)測主要包括表面變形監(jiān)測、大壩內(nèi)部變形監(jiān)測、壩體壩基滲流監(jiān)測、繞壩滲流監(jiān)測、應力監(jiān)測(混凝土面板應力，包括面板混凝土應力、應變、無應力應變、鋼筋應力)、環(huán)境量監(jiān)測(庫水位、氣溫、降雨量)。

3 結(jié) 語

中咀坡水庫面板堆石壩位于高山峽谷地區(qū)，且溶蝕發(fā)育，兩岸岸坡較陡，壩體與岸坡接觸帶采用細粒料填筑，確保岸坡接觸帶填筑質(zhì)量，趾板采用5+X型式，減少開挖，對趾板地基加強灌漿處理，達到了工程建設要求。水庫自2015年蓄水以來，未見異?，F(xiàn)象，為今后類似工程設計積累了經(jīng)驗。