面板堆石壩上游鋪蓋體型優(yōu)化探討

詹雙橋，楊志明，鄭 洪

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007)

混凝土面板堆石壩在20世紀(jì)80年代引入中國，雖然時(shí)間不是很長，但是發(fā)展卻非常迅速。中國以現(xiàn)代技術(shù)建設(shè)混凝土面板堆石壩始于1985年，第一座開工建設(shè)的是湖北西北口水庫大壩(最大壩高95m)，與國外相比，我國雖起步較晚，但起點(diǎn)高、發(fā)展快。大量混凝土面板堆石壩在我國相繼建成，為類似工程提供了借鑒，同時(shí)也積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念、施工工藝也日漸成熟。

從國內(nèi)最早的DL 5016—93《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》到最新的SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》均規(guī)定，“100m以上的高壩宜在面板上游低部位設(shè)置上游鋪蓋區(qū)及蓋重區(qū)”。上游鋪蓋覆蓋在面板及周邊縫表面，起輔助防滲或自愈作用；蓋重覆蓋在鋪蓋表面，維持上游鋪蓋區(qū)的穩(wěn)定，并起保護(hù)作用。相關(guān)規(guī)范條文同時(shí)規(guī)定，上游鋪蓋區(qū)頂部高程應(yīng)綜合考慮壩高及滿足放空檢修條件確定，上游鋪蓋以上的面板、趾板、接縫止水等應(yīng)具備降低水位檢修的條件，故其頂高程應(yīng)與泄水設(shè)施降低水位的能力相適應(yīng)，一般達(dá)到1/3壩高附近。另外，庫水位降低檢修面板時(shí)，上游蓋重可以起到一定的壓重作用，防止反向水壓力損壞面板。

國內(nèi)外已建成的百米級(jí)高面板堆石壩基本上均設(shè)置了上游鋪蓋和蓋重，蓄水運(yùn)用后，部分大壩滲漏量逐漸增大或突然增大，經(jīng)過面板破損修復(fù)或止水修復(fù)后滲漏量減小到正常范圍，但也有少量大壩主要滲漏通道在上游鋪蓋下部，且極不易查明。早期建設(shè)的白云、株樹橋面板壩，面板上游也設(shè)置了鋪蓋及蓋重，但在蓄水運(yùn)行3—5年后相繼出現(xiàn)滲漏量明顯增大并持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象，鋪蓋盡管起到了一定抑制滲流的作用，但無法完全堵塞滲漏通道，多家科研檢測(cè)單位反復(fù)探測(cè)均難以查清滲漏通道的位置與規(guī)模，運(yùn)行10年左右均不得恢復(fù)圍堰與導(dǎo)流洞，放空水庫，清除蓋重與鋪蓋，進(jìn)行破損面板修復(fù)，施工難度非常大。

國內(nèi)目前在建或擬建的混凝土面板堆石壩工程一般設(shè)有水庫放空設(shè)施，庫水位降低后，大部分趾板、面板及接縫止水可以外露；且隨著國內(nèi)潛水技術(shù)的進(jìn)步，水下機(jī)器人檢測(cè)、施工技術(shù)日漸成熟，目前可以實(shí)現(xiàn)水下60m的檢測(cè)與修復(fù)施工，并正向100m以下探索發(fā)展。因此，能否對(duì)傳統(tǒng)意義上的上游鋪蓋和蓋重區(qū)體型進(jìn)行優(yōu)化，甚至取消，或采取其他的輔助防滲措施，以方便大壩面板、接縫止水的檢修維護(hù)，從而保證大壩安全。本文將以涔天河水庫擴(kuò)建工程混凝土面板堆石壩為例對(duì)此問題展開探討。

1 工程概況

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南省江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游。工程開發(fā)的主要任務(wù)是灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電，兼顧航運(yùn)等綜合利用，水庫總庫容15.1億m3，正常蓄水位313m，死水位270m，為Ⅰ等大(1)型水利水電樞紐工程。新建大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程324.0m，最大壩高114m，上、下游坡比1∶1.4。

涔天河老壩為20世紀(jì)60年代修建的支墩壩，壩頂高程257m，兼做施工期上游圍堰，后期不拆除。新建混凝土面板堆石壩的河床趾板上距老壩壩趾12m，面板上游鋪蓋及蓋重布置在新老壩體之間。前期設(shè)計(jì)大壩面板上游鋪蓋及蓋重頂高程260m，最大填筑高度48.0m，填筑方量約22.5萬m3。

2 鋪蓋優(yōu)化緣由

涔天河擴(kuò)建面板堆石壩面板上游鋪蓋處于老壩與新壩之間形成的一個(gè)45m高差的深基坑內(nèi)，兩岸為人工開挖形成的高陡邊坡，基本不具備布置下基坑施工道路的條件，大型機(jī)械設(shè)備不能進(jìn)出基坑，黏土鋪蓋及蓋重料填筑施工難度非常大。工程運(yùn)行后，如需對(duì)鋪蓋以下面板、趾板或周邊縫止水進(jìn)行檢修，需揭開面板上的鋪蓋及蓋重，將渣料運(yùn)出基坑外，施工難度將更大。

涔天河水庫工程設(shè)有放空設(shè)施，放空洞進(jìn)口底板高程240m，上游老壩堰頂高程241m，擴(kuò)建工程完全具備放空水庫、排干老壩與新壩間基坑，檢修下部面板或趾板的有利條件。從滿足大壩檢修需要的角度分析，降低上游鋪蓋填筑高度甚至取消是可行的。

另外，受老溢流壩泄洪沖刷影響，老壩下游形成了沖刷坑，堆石壩壩基上游河床高程低于下游河床高程，河床趾板基面高程212m，下游河床高程約218m，存在施工期面板反向水壓力的問題。施工期河床趾板內(nèi)埋設(shè)了反向排水管，蓄水前進(jìn)行封堵，封堵前需在面板上形成一定的壓重，保證面板在反向水壓力作用下不發(fā)生失穩(wěn)破壞，可見，完全取消上游蓋重可能危及蓄水前上游面板安全。

根據(jù)面板堆石壩上游鋪蓋及蓋重的作用機(jī)制，結(jié)合本工程實(shí)際情況分析認(rèn)為，本工程大壩上游鋪蓋體型具備優(yōu)化的條件。鋪蓋填筑高度減小后，面板及接縫止水受保護(hù)的范圍減小，鋪蓋輔助防滲的功能減弱，但是方便施工，特別是為今后降低庫水位檢修下部面板及接縫止水創(chuàng)造了有利條件，利大于弊。

3 鋪蓋優(yōu)化方案

3.1 思路

(1)上游面板存在反向水壓力的問題，蓄水前反向排水系統(tǒng)封堵后可能危及面板安全，宜設(shè)置適當(dāng)?shù)纳w重后才能封堵反壓排水系統(tǒng)。

(2)大壩上游基坑施工道路布置困難，交通不便，鋪蓋填筑施工難度大，宜盡量減小鋪蓋及蓋重填筑方量；水庫蓄水后，面板壩若出現(xiàn)較強(qiáng)滲漏，可能需放空水庫、排干上游基坑進(jìn)行面板或接縫止水檢修，大量鋪蓋及蓋重料難以運(yùn)出，宜盡量控制方量不需外運(yùn)。

(3)面板垂直縫及周邊縫縫面表層止水的蓋板易老化破損，對(duì)更換、修復(fù)難度較大部位的面止水蓋板增設(shè)輔助防滲層，對(duì)原鋪蓋以下面板及趾板增設(shè)防滲涂層，增強(qiáng)混凝土耐久性與防滲效果。

3.2 措施

3.2.1鋪蓋體型調(diào)整

根據(jù)面板在反向水壓力作用下的穩(wěn)定需要，并結(jié)合本工程基坑特點(diǎn)，考慮今后檢修鋪蓋料轉(zhuǎn)運(yùn)平衡，擬定上游鋪蓋體型。

3.2.1.1 面板穩(wěn)定需要

大壩河床段趾板建基面高程212m，大壩下游河床基巖面最低高程218m，河床建基面自上游至下游呈現(xiàn)逐步抬高的趨勢(shì)，施工期面板或擠壓邊墻存在反向水壓的問題，上游趾板下設(shè)置了反壓排水系統(tǒng)。為了保證蓄水前反壓排水封堵時(shí)面板的安全，在面板上游填筑一定體量的鋪蓋和蓋重兼顧輔助防滲并解決施工期和運(yùn)行檢修期面板壓重的問題是必要的。因此，根據(jù)下游水位及河床趾板建基面高程，在保證面板抗浮安全的前提下，計(jì)算確定上游鋪蓋及蓋重填筑的最優(yōu)體型。

3.2.1.2 運(yùn)行期檢修鋪蓋料倒運(yùn)需要

面板上游基坑空間狹小，兩岸地形陡峻，施工道路布置困難，不具備大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)出施工的條件，今后如果需要揭開鋪蓋檢修面板，應(yīng)盡可能做到鋪蓋及蓋重料不需要外運(yùn)出基坑，根據(jù)基坑現(xiàn)有容積及鋪蓋料自然穩(wěn)定坡比要求，考慮將鋪蓋料揭開堆放于老壩壩趾附近，計(jì)算確定鋪蓋及蓋重的填筑量。

3.2.1.3 鋪蓋材料選擇

為了盡量減少鋪蓋及蓋重填筑量，結(jié)合工地人工砂石料場(chǎng)的廢料情況，鋪蓋采用粉細(xì)沙(粒徑小于0.2mm)，蓋重采用砂卵石(粒徑4～8cm)，從老壩壩頂傾倒入倉和新壩壩面溜槽入倉、反鏟平倉施工。

3.2.1.4 上游鋪蓋優(yōu)化體型

根據(jù)上述原則確定面板上游防滲鋪蓋及蓋重的填筑體型。防滲鋪蓋頂高程230m，頂寬3m，坡比1∶1.6；蓋重頂寬3m，坡比1∶2.3,體型優(yōu)化后粉細(xì)沙鋪蓋0.8萬m3、砂卵石蓋重1.5萬m3。上游鋪蓋優(yōu)化示意圖如圖1所示。

圖1 上游鋪蓋優(yōu)化示意圖

3.2.2反向排水管封堵

大壩填筑施工期間，上游壩體內(nèi)埋設(shè)了反向排水系統(tǒng)，通過趾板下4根排水管引至上游基坑，排水管端口設(shè)置拍門，施工期遇洪水基坑沖水時(shí)拍門自動(dòng)關(guān)閉，汛后基坑水位下降到一定高度，拍門自動(dòng)打開。該反向排水系統(tǒng)有效解決了施工期面板和擠壓邊墻承受反向水壓力的問題。

水庫蓄水前，反向排水管封堵方案如下：上游鋪蓋及蓋重填筑時(shí)，排水管處按臨時(shí)穩(wěn)定坡比填筑以留出排水管封堵施工空間，蓋重填筑到頂后，大壩下游量水堰截水墻220m高程的2個(gè)φ150排水孔打開，封堵上游反向排水管，再按設(shè)計(jì)最終輪廓線進(jìn)行補(bǔ)坡完成蓋重填筑，然后進(jìn)行上游基坑充水，至上游水位高于228m后，關(guān)閉下游量水堰截水墻上的排水孔。

3.2.3輔助防滲措施

面板上游鋪蓋優(yōu)化后鋪蓋保護(hù)范圍降低至EL230m，鋪蓋以上面板及接縫止水缺少了輔助防滲鋪蓋的保護(hù)。為了減少放空庫容檢修面板及接縫止水的頻次，加強(qiáng)死水位以下面板和接縫止水的保護(hù)、提高面板混凝土的耐久性，結(jié)合面板裂縫處理，對(duì)255m高程以下面板、趾板及接縫面止水上刮涂聚脲保護(hù)層。

聚脲涂層具有耐老化性能好、無毒、強(qiáng)度高、延伸率大、抗?jié)B性能好，與基礎(chǔ)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度大、施工簡單等特點(diǎn)，完全可以滿足工程大壩面板輔助防滲的功能要求。

4 結(jié) 語

涔天河水庫工程面板堆石壩上游鋪蓋的優(yōu)化，鋪蓋填筑方量大大減少，施工難度大大降低，加快了施工進(jìn)度；同時(shí)對(duì)原鋪蓋以下的面板和接縫止水涂刷聚脲進(jìn)行輔助防滲，大大提高了面板混凝土和面止水材料的耐久性，提高大壩防滲性能，節(jié)省工程投資178萬元，并為今后面板及接縫止水檢修創(chuàng)造了有利條件。

水庫自2016年12月下閘后開始蓄水，2017年4月庫水位蓄至282m高程并維持該水位運(yùn)行至今，已有一年有余，大壩各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)正常，滲漏量很小(2～5L/s)。初期蓄水運(yùn)行表明，大壩上游鋪蓋體型優(yōu)化后防滲效果良好。

涔天河工程面板堆石壩最大壩高114m，壩體采用灰?guī)r料填筑，在國內(nèi)外面板壩工程中具有一定的代表性，采用減小上游鋪蓋及蓋重體型的設(shè)計(jì)方案并付諸實(shí)踐，方便了施工、節(jié)省了投資并為今后運(yùn)行檢修提供了便利，該設(shè)計(jì)思路和方案對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。