新疆狹窄河谷混凝土面板堆石壩設(shè)計

王恩輝

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)01—0038—04

新疆狹窄河谷混凝土面板堆石壩設(shè)計

王恩輝

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

新疆某狹窄河谷混凝土面板堆石壩，最大壩高106 m，壩長141.3 m，寬高比1.3，壩址區(qū)地處河流出山口峽谷河段，河床寬度8～16 m。為改善不良地形地質(zhì)缺陷,本工程借鑒和吸收了國內(nèi)外已建面板壩的成功經(jīng)驗，采用了高址墻、貼坡趾板、設(shè)置特殊碾壓區(qū)等筑壩技術(shù)，并將上游圍堰與混凝土面板堆石壩壩體相結(jié)合，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

狹窄河谷；混凝土面板堆石壩；高趾墻；特殊碾壓區(qū)

1 工程概況

1.1 工程簡介

新疆某狹窄河谷混凝土面板堆石壩位于河流出山口的峽谷河段，地域氣候夏季較濕潤、溫和、降雨豐沛，冬季寒冷，積雪較深，極端最高氣溫34.4 ℃，極端最低氣溫-38.5 ℃。電站壩址以上流域面積2 364 km2，多年平均徑流量為14.41×108m3，電站正常蓄水位1 930 m，正常庫容1.298×108m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫，電站裝機110 MW，多年平均發(fā)電量3.615億kWh。最大壩高106 m，壩長141.3 m，寬高比1.3，屬大(2)型工程，大壩為1級建筑物。壩址區(qū)50年超越概率10%的A區(qū)峰值加速度為0.193g，B區(qū)峰值加速度為0.216g，確定壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 地形、地質(zhì)條件

本工程壩址區(qū)位于河流出山口的峽谷河段，河谷呈基本對稱“V”形，左岸山體雄厚，岸坡較陡，坡度多在40°～80°，局部為陡坎，基巖裸露，山頂高程1 915.00～1 936.00 m；右岸山體高陡，坡度多在50°～85°，局部近直立，基巖裸露，山頂高程1 965.00～1 970.00 m。壩址現(xiàn)代河床寬8～16 m，正常水位1 930.00 m高程處，谷寬約116 m。

壩址區(qū)兩岸基巖裸露，巖性為黑云母花崗巖。岸坡無大的斷層發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育。左岸對壩肩穩(wěn)定有影響的節(jié)理裂隙相互切割使巖體呈塊狀，在高程1 860.00 m以上形成不穩(wěn)定體BT1。右岸對壩肩穩(wěn)定有影響的節(jié)理裂隙，使右岸巖體呈次塊狀～塊狀，尤其是傾向坡外的3組緩傾角節(jié)理裂隙對右壩肩的穩(wěn)定影響較大，并且這3組緩傾角節(jié)理裂隙與陡傾角切割在高程1 920.00 m以上形成一不穩(wěn)定體BT2。

2 壩體設(shè)計

大壩壩頂高程為1 934.50 m，最大壩高106 m，壩頂長141.23 m。上游壩坡采用1∶1.6，下游坡度為1∶1.5(綜合壩坡1∶1.86)，下游自壩頂向下設(shè)10 m寬的之字形道路至1 904.00 m高程，與壩體施工道路相接以完成1 904.00 m高程以上的壩體填筑，同時在1 890.00、1 870.00 m高程各設(shè)置1道2 m寬的馬道，下游壩坡采用0.4 m厚的干砌石護坡。壩體填筑橫剖面見圖1。

圖1 壩體填筑橫剖面圖 單位：m

2.1 趾墻設(shè)計

由于主河床河谷狹窄，施工期上游圍堰的調(diào)蓄能力較差，本工程借鑒瀝青心墻壩設(shè)計理念，將上游圍堰與上游壩體相結(jié)合，同時為解決面板壩防滲體閉合問題，將上游圍堰設(shè)計為一座堰頂較寬的剛性混凝土心墻壩，圍堰堰體和防滲體按大壩主體工程的要求進行設(shè)計和施工，上游圍堰中的剛性混凝土心墻，即混凝土面板砂礫石壩在河床底部的高趾墻，在趾墻頂部通過連接板與混凝土面板砂礫石壩趾板相連。趾墻最大墻高31.5 m，墻體頂寬2.0 m，上游采用垂直坡，下游坡度1∶0.25，底部最大寬度7.98 m，趾墻基礎(chǔ)位于強風(fēng)化層底部相對堅硬的巖石上，縱向10 m設(shè)1條垂直伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)銅止水，對底部基礎(chǔ)進行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。上游圍堰與壩體上游面的結(jié)合同時縮短了面板向上游的延伸距離，解決狹窄河谷中趾板布置的復(fù)雜性并使面板整體體型受力良好，減少不均勻變形。為避免趾墻與趾板之間的變形過大，破壞止水系統(tǒng)，在趾墻頂部與河谷趾板之間設(shè)置3.0 m寬水平連接板。

2.2 基礎(chǔ)開挖

(1) 壩軸線上游陡岸按不陡于1∶0.5邊坡開挖，壩軸線下游岸坡僅需挖除覆蓋層。

(2) 壩軸線上 、下游開挖邊坡連接過渡角在平面上按不大于30°控制。

(3) 全部挖除壩體輪廊范圍的覆蓋層，并清除表面松動石塊、凹槽內(nèi)積土和突出的巖石，以及樹根草皮。

(4) 趾板下游10 m范圍內(nèi)，挖出全部覆蓋層及沖洪積層和強風(fēng)化層巖石，其后接1∶3.0緩坡與壩體下游基礎(chǔ)開挖面相接。

(5) 壩體基礎(chǔ)在趾板下游0.3～0.5倍壩高范圍內(nèi)的岸坡很陡時，可開挖成不陡于1∶0.25的穩(wěn)定坡度，但需設(shè)置低壓縮堆石區(qū)或回填混凝土補坡，其下游至壩軸線間的岸坡應(yīng)開挖成1∶0.25的坡度。

2.3 壩體填筑分區(qū)

壩體填筑分區(qū)遵循既滿足受力和滲流要求又滿足簡單和經(jīng)濟的原則，從上游至下游依次為上游壓重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層、過渡層、主堆石區(qū)、下游次堆石料區(qū)。

墊層料水平寬為3 m，為改善岸坡部位填筑料不易壓實、變形大的缺點，在岸坡部位墊層料和過渡料均向下游延伸，根據(jù)地形和填高要求延伸長度為10～70 m；為減小趾墻下游側(cè)填筑料沉降變形，防止趾墻頂部止水因沉降變形破壞，在趾墻下游與巖石陡坡之間仍采用墊層料填筑。過渡料頂寬3 m，底寬10 m，在岸坡部位順應(yīng)墊層料的需要，向下游延伸將墊層料包住。次堆石料位于壩軸線下游壩坡附近，為壩體受力最小部位，結(jié)合樞紐開挖進度，采用開挖有用料填筑，開挖料有用率65%。

(1) 上游鋪蓋區(qū)：位于面板上游，采用黃土料，頂高程1 873.00 m，頂寬5.0 m，上游坡度1∶2，高程1 860.0 m以下沿趾墻上游面設(shè)置2.0厚鋪蓋料，增強趾墻結(jié)構(gòu)縫的止水效果。

(2) 上游蓋重區(qū)：位于上游鋪蓋區(qū)上游，頂高程1 873.00 m，頂寬10.0 m，在1 860.00 m高程設(shè)置一平臺，平臺寬度27.72 m，再采用1∶2.5的坡度與截流堤上游邊坡相連。該部位屬于上游圍堰的一部分，為趾墻的上游支撐結(jié)構(gòu)，采用壩體主堆石區(qū)料源填筑，填筑要求同主堆石區(qū)。

(3) 墊層：設(shè)于面板下游，水平寬度3 m，墊層料要求Dmax≤80 mm，小于5 mm的顆粒含量為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含量宜少于8%，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s。

(4) 過渡層：設(shè)于墊層下游，水平寬度3 m，過渡選料要求Dmax≤150 mm，小于5 mm的含量為30%～50%，小于0.1 mm含量<8%，滲透系數(shù)控制在10-2～10-3cm/s。

(5) 主堆石區(qū)：位于墊層下游，是面板的主要支撐結(jié)構(gòu)。頂高程1 932.00 m，底部位于壩基；采用C2料場的砂礫料，小于5 mm的含量為30%～50%，含泥量小于5%。滲透系數(shù)控制在10-2～10-3cm/s。

(6) 下游次堆石區(qū)：即建筑物開挖即有用料，采用建筑物爆破開挖所得的新鮮或弱分化石料。

2.4 岸坡設(shè)計

由于壩區(qū)河谷狹窄，邊坡較陡，為了改善壩體與陡岸坡的連接，采取了以下措施：

(1) 設(shè)置貼坡趾板，為減少岸坡石方開挖量，岸坡趾板設(shè)置了“L”形貼坡趾板，趾板水平寬度3.5 m，然后采用向上游開挖坡進行貼坡澆筑余下的趾板寬度。趾板總寬度按地基允許滲透比降和施工灌漿要求確定。

(2) 設(shè)特別碾壓區(qū)，以提高接觸帶的壓實密度和變形模量，減少堆石滑移，即使壩料沿岸坡滑移后也不易出現(xiàn)空隙。特別碾壓區(qū)填筑層厚40 cm，寬50～40 m。

(3) 趾板水平及貼坡段均設(shè)置錨桿和基巖連接。

(4) 為保證止水的有效性，除設(shè)置周邊縫止水外，在貼坡趾板的頂部與巖石接觸部位增設(shè)1道止水，設(shè)置GBW止水，并涂刷2 mm厚聚脲。

2.5 防滲結(jié)構(gòu)

(1) 混凝土面板垂直縫

本工程由于河谷狹窄，壩體填筑料因岸坡陡峭，將產(chǎn)生垂河向位移變形，造成岸坡面板結(jié)構(gòu)縫多為張性縫，對河谷中心面板結(jié)構(gòu)縫產(chǎn)生巨大擠壓應(yīng)力，可能造成河谷面板結(jié)構(gòu)縫發(fā)生積壓破壞。故在岸坡與河谷接觸部位面板垂直縫中設(shè)置閉孔塑料板，協(xié)調(diào)壩體擠壓變形，另外面板垂直縫均設(shè)2道止水，即底部銅片止水，頂部填充料止水，同時為防止冬季冰力對頂止水膨脹螺栓的破壞，在水位變化區(qū)部位采用沉頭螺栓，水位變化區(qū)以下部分采用普通螺栓，螺栓間距為25 cm。

(2) 周邊縫

由于本工程1 860.00 m高程以下采用高趾墻型式，所以本工程周邊縫起始高程為1 860.00 m，周邊縫實際作用水頭70 m，設(shè)置2道止水。同時考慮到本工程壩體設(shè)防烈度達8度，為確保強震情況下周邊縫仍能有效止水，銅片安置在PVC墊片上，墊片則鋪設(shè)在砂墊塊上，砂墊塊坐落在墊層特別級配區(qū)，頂部止水為“GB”填料，其上以具有一定強度和柔性的薄層覆蓋保護，縫內(nèi)以瀝青杉木板填充，板厚25 mm，與周邊縫等寬。

(3) 防浪墻與面板的接縫

鑒于溝后水庫因未重視防浪墻與面板的接縫止水設(shè)計而導(dǎo)致垮壩，考慮到本工程位于8度震區(qū)，地震工況下勢必造成較大的防浪墻變位和較高的涌浪，為確保任何工況下均不致因庫水通過進入壩體，從而危及壩體安全，防浪墻與面板的接縫設(shè)置1道底部銅片止水和1道頂部柔性填料止水。

為避免防浪墻因溫度應(yīng)力或壩體不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫，沿其長度方向每隔9 m設(shè)1道變形縫，變形縫位置應(yīng)同面板接縫錯開，縫內(nèi)設(shè)1道橡膠止水帶。

3 面板壩應(yīng)力應(yīng)變分析

本工程對混凝土面板砂礫石壩進行了三維有限元靜力應(yīng)力應(yīng)變和動力響應(yīng)計算分析。靜力分析中壩體填筑料采用鄧肯-張(Ducan-Chang)E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬，混凝土防滲墻與地基土的接觸面采用薄層接觸面單元模擬；動力計算中采用等效線性總應(yīng)力法進行分析。計算結(jié)果如下：

(1) 壩體在自重作用下的沉降量最大為24 cm，壩體的變形在壩高的1%以內(nèi)，而且蓄水后引起的壩體變形也不大，面板的撓度最大為8 cm，壩體的最大沉降為25 cm。從應(yīng)力水平分布來看，除兩岸局部地形陡變部位外，無論竣工期還是蓄水期，壩體絕大部分區(qū)域的應(yīng)力水平總體上較小。

(2) 面板順坡向應(yīng)力在中上部以壓應(yīng)力為主，在面板的下部以及周邊出現(xiàn)一定數(shù)值的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為3 MPa。面板的水平向應(yīng)力在中部壩段出現(xiàn)壓應(yīng)力，兩岸壩肩的壩段出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，尤其在左岸陡坡部位面板的拉應(yīng)力最大值2 MPa。

(3) 面板豎縫在河谷中間部位表現(xiàn)為壓縮，在兩岸壩段表現(xiàn)為張開。面板周邊縫的沉陷變形不大，張開變形較大，在左岸陡坡部位的周邊縫張開量12.1 mm。

(4) 竣工期，在土壓力作用下，高趾墻向上游變形，量值約0.6 cm；高趾墻的壓應(yīng)力最大約為3 MPa，發(fā)生在墻蹱部位，基本沒有拉應(yīng)力。蓄水期，由于水壓力的作用，高趾墻發(fā)生向下游的變形，量值約3.5 cm；在墻趾部位產(chǎn)生8 MPa的壓應(yīng)力，在墻蹱部位產(chǎn)生約3 MPa的拉應(yīng)力。高趾墻與連接板間的縫、連接板與趾板間的縫、趾板與面板間的縫都呈壓縮狀態(tài)。說明這種結(jié)構(gòu)形式的防滲是安全的。

(5) 在50年超越概率10%的設(shè)計地震波輸入下，壩頂順河向加速度峰值約為7.3 m/s2，放大系數(shù)約為3.2，豎向加速度峰值約為3.5 m/s2，放大系數(shù)約為2.3。壩體的殘余變形較大，最大沉降量在16 cm左右，最大順河向位移8 cm。震后面板發(fā)生殘余變形，最大撓度達到14 cm，面板兩岸的豎縫及周邊縫張開，最大張開值9 mm。

4 結(jié) 語

根據(jù)國內(nèi)外面板壩工程的實踐，結(jié)合本工程計算結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1) 將上游圍堰建成一座剛性混凝土心墻壩，圍堰堰體和防滲體按大壩主體工程的要求進行設(shè)計和施工，不僅優(yōu)化了樞紐布置，提高了工程的度汛安全度，同時減少了高陡邊坡趾板布置的難度和面板向上游河床延伸的長度。

(2) 岸坡設(shè)計中，應(yīng)采取綜合處理措施，降低工程施工難度，確保壩體與陡邊坡的連接質(zhì)量，減少壩體軸向位移。

(3) 狹窄河谷受岸坡約束影響，壩料三維拱效應(yīng)顯著。需有效劃分填筑分區(qū)和提高壩料填筑要求，是工程質(zhì)量的關(guān)鍵。

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Design of Concrete Face Rockfill Dam in Narrow Valley

WANG En-hui

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

In a narrow valley in Xinjiang, one CFRD is 106 m high at maximum, 141.3 m long and its ratio of width to height is 1.3,The dam is seated at the valley outlet where the river valley is narrow and the riverbed is 8～16 m wide. To improve the unfavorable geological and topographical conditions, the project borrows the successful experience in design of CFRD at home and abroad, the dam building technology such as high water retaining wall, slope plinth and provision of special compaction zone, etc is applied. Furthermore, the upstream cofferdam and the CFRD body are integrated. Accordingly, the outstanding economic benefit is achieved.

narrow valley; CFRD; high retaining wall; special compaction zone

2014-07-01

王恩輝(1980- )，男，湖北省滄州市人，工程師，從事水利水電工程的設(shè)計工作.

TV641.4+3

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.010