蟠龍抽水蓄能電站下水庫大壩壩體分區(qū)設(shè)計

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

1 工程概況

重慶蟠龍抽水蓄能電站位于重慶市綦江區(qū)中峰鎮(zhèn)境內(nèi)，地處東經(jīng)106°27′，北緯28°51′。上水庫位于綦江一級支流清溪河右岸支流蟠龍溝上游，下水庫位于清溪河右岸支流石家溝上。建成后將供電重慶市主網(wǎng)，主要承擔重慶電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務。

蟠龍抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫及地面開關(guān)站等建筑物組成。本工程裝機容量1 200 MW（4×300 MW），屬一等大（I）型工程，主要永久性建筑物按1 級建筑物設(shè)計，次要永久性建筑物按3 級建筑物設(shè)計。

2 工程技術(shù)特點

筑壩料巖性不均一，巖石的強度差異較大，用于大壩填筑的石料取自下水庫地下洞室洞挖料和樞紐區(qū)工程明挖料。

地下洞室開挖料巖性：除引水隧洞下平段外，其它各建筑物部位地下洞室開挖料巖性大部分為弱風化帶至微風化中、細粒砂巖和礫巖，比例為50%～80%，飽和抗壓強度為23～60 MPa；粉砂巖比例為8%～26%，飽和抗壓強度為11～25 MPa。弱風化帶及以下粉砂巖因巖石強度低、易軟化。

下水庫樞紐工程明挖料巖性：大壩趾板基礎(chǔ)、下水庫進/出水口、地面開關(guān)站、溢洪道及消能防沖區(qū)、泄洪洞、導流洞和等部位，開挖料巖性為中、細粒砂巖夾薄層泥巖與粉砂巖，弱風化～新鮮砂巖為中硬巖。根據(jù)巖石（體）室內(nèi)試驗成果，弱風化及以下細粒砂巖飽和抗壓強度一般可達40～60 MPa，中至粗粒砂巖、含礫砂巖飽和抗壓強度為22～30 MPa，屬較軟巖；泥巖飽和抗壓強度為7～10 MPa，為軟巖。巖石的強度差異較大，軟巖料在開采和施工過程中巖塊易于破碎，級配難以控制。填筑壓實后的軟巖料級配與原始級配相差較大，根據(jù)已建工程經(jīng)驗：軟巖料的爆破開挖料級配對其在實際工程中的應用并無太多的影響，重要的是碾壓密實。故取用適用的設(shè)計指標控制大壩填筑質(zhì)量是本工程難點之一。

3 大壩布置及壩體分區(qū)設(shè)計

3.1 大壩布置

下水庫位于清溪河支流石家溝內(nèi)，利用石家溝上游河段在兩河口下游約400 m 處“V”形河谷中筑壩成庫。下水庫壩址以上集雨面積為100.56 km2，其水庫正常蓄水位549.0 m，設(shè)計洪水位為550.73 m，校核洪水位為551.77 m，死水位533.00 m，200 年一遇洪水洪峰流量為1 089 m3/s，1 000 年一遇洪水洪峰流量為1 390 m3/s，需設(shè)置泄水建筑物。溢洪道布置于右岸一埡口處，泄洪洞布置于左岸山體內(nèi)，由導流洞改造而成，庫周無低矮埡口存在，地形封閉條件好，不存在庫岸防滲問題。下水庫工程主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、右岸岸邊有閘門控制式溢洪道和左岸泄洪排沙洞。

大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為553.00 m，壩頂寬度10 m，最大壩高80 m，壩頂長度162.10 m，游壩坡1∶1.4、下游壩坡綜合坡比1∶2.256，壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻，頂高程554.20 m，下游側(cè)設(shè)路肩擋墻。

3.2 分區(qū)方案研究

壩體分區(qū)設(shè)計時，根據(jù)砂泥巖料筑壩材料碾壓試驗和室內(nèi)試驗研究成果，結(jié)合工程區(qū)實際可用開挖料儲備情況，擬定兩種分區(qū)方案（主要針對壩體填筑區(qū)）：

方案1：上游堆石區(qū)采用下水庫工程區(qū)開挖料，下游堆石區(qū)采用上水庫工程開挖料筑壩；方案2：全斷面利用下水庫開挖料填筑壩體。

方案1：按可研階段堆石體分區(qū)設(shè)計成果，分上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)?？紤]到上游堆石壩體是承受水荷載的主要支撐體，要求采用下水庫工程區(qū)挖開料（單軸飽和抗壓強度≥30 MPa）填筑，下游堆石區(qū)采用下水庫工程區(qū)開挖的中粗～中細粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖填筑（單軸飽和抗壓強度≥25 MPa），兩區(qū)填壩料質(zhì)量性能差異小，開挖料中也難以對其進行剔選，且由于分區(qū)斷面面積較小，存在實施過程中難以區(qū)分上、下游堆石區(qū)上壩料源；方案2：施工詳圖階段優(yōu)化斷面分區(qū)，不分上、下堆石區(qū)，為方便施工，全斷面采用下水庫工程區(qū)開挖料。

綜合以上分析，方案2 在現(xiàn)有科研試驗研究基礎(chǔ)上，分區(qū)簡單，壩體結(jié)構(gòu)相對簡化，施工組織設(shè)計也相對簡單，便于壩體碾壓施工與質(zhì)量控制，故選擇該方案作為進一步的壩體分區(qū)設(shè)計。大壩優(yōu)化典型剖面參見圖1。

圖1 下水庫大壩典型剖面圖

3.3 壩體分區(qū)設(shè)計

3.3.1 分區(qū)原則

堆石壩壩體分區(qū)的目的是確保大壩安全運行前提下，根據(jù)壩體各部分受力條件，筑壩材料來源及強度、滲透性、壓縮性等特性，提出不同要求，有效利用建筑物開挖料筑壩，降低工程造價，簡化施工，保護環(huán)境。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求并參考國內(nèi)已建軟巖筑壩設(shè)計經(jīng)驗，按照以下原則分區(qū)：

1）大壩筑壩料巖性為細?！写至Ｉ皫r夾泥質(zhì)粉砂巖，質(zhì)量及工程特性可滿足填筑面板堆石壩要求等，但由于難以剔除爆破料中的泥質(zhì)粉砂巖等軟巖，因此需要考慮壩體設(shè)置專門“L”型排水區(qū)。

2）盡可能多利用下水庫溢洪道、進/出水口開挖的灰色、灰綠色細粒砂巖料，降低大壩工程造價。

3）從上游到下游的壩料變形模量基本相當，以保證蓄水后壩體變形盡可能小。

4）分區(qū)應盡可能簡單，以利于施工。

根據(jù)分區(qū)原則和方法，將下水庫大壩壩體共分為6 個區(qū)，分別為墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、堆石區(qū)、排水棱體、下游堆渣區(qū)及上游鋪蓋區(qū)。對壩體材料分區(qū)進行了大壩復核計算，成果表明，分區(qū)方式合理可行。

3.3.2 主要分區(qū)情況

1）墊層區(qū)（2A）和特殊墊層小區(qū)（2B）。墊層區(qū)位于混凝土面板的底部，特殊墊層小區(qū)設(shè)在可能產(chǎn)生集中滲漏的薄弱部位周邊縫附近。墊層區(qū)水平寬度3 m，同時在岸坡及壩基部位向下游延伸10～15 m，墊層料采用灰?guī)r料人工加工而成（外購）。

2）過渡層區(qū)（3A）和接坡帶區(qū)。過渡區(qū)包括上游過渡區(qū)、岸坡過渡區(qū)。上游過渡區(qū)的主要作用是防止墊層區(qū)（2A）的細顆粒流失，級配按反濾原則設(shè)計，其水平寬度4 m，采用灰?guī)r料（外購）人工加工而成。堆石與岸坡接觸帶設(shè)寬2.0 m 接坡帶區(qū)，以保證堆石與岸坡接觸部位碾壓密實，接坡帶料采用下水庫區(qū)洞挖料，主要為微風化～新鮮砂巖料。

3）堆石區(qū)（3B）。堆石區(qū)是壩體承受水壓的主要部位，亦是受壓后變形的敏感部位。下水庫用于筑壩的開挖料巖性為細粒砂巖、含礫砂巖、中至粗粒砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖。細粒砂巖飽和抗壓強度一般可達40～60 MPa，屬中硬巖；中至粗粒砂巖飽和抗壓強度為22～30 MPa，屬較軟巖；泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度為7～10 MPa，為軟巖。因開挖時難以剔除爆破料中的泥質(zhì)粉砂巖等軟巖料，碾壓后易形成泥結(jié)板。壩體全斷面采用砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖填筑，根據(jù)筑壩材料試驗研究成果，碾壓后的堆石體滲透系數(shù)為10-2～10-4，滲透性能較差。

4）排水區(qū)（3D）。因開挖時難以剔除爆破料中的泥質(zhì)粉砂巖等軟巖，堆石體滲透性不能滿足自由排水要求，因此需要考慮壩體內(nèi)上游設(shè)置豎向排水區(qū)，沿底部設(shè)置水平排水區(qū)。即在堆石區(qū)上游部位，緊靠過渡區(qū)設(shè)豎向排水區(qū)（頂部水平厚度3.0 m），河床部位高程494.00 m 以下設(shè)水平排水區(qū)。水平排水區(qū)基槽內(nèi)采用砂巖排水料填筑；基槽以上建基面排水區(qū)先采用外購灰?guī)r料填筑4.0 m，緊接其上再采用砂巖排水料填筑。

5）下游護坡（P）。為了下游壩坡穩(wěn)定、建設(shè)綠色生態(tài)工程，大壩下游壩坡采用C25 混凝土網(wǎng)格梁+水保綠化措施進行坡面防護。

6）上游鋪蓋區(qū)（1A）。在面板上游高程509.00 m以下，設(shè)置鋪蓋（以粉細沙、沙壤土、粘土為主）起輔助防滲作用，鋪蓋頂寬4.0 m，上游坡1∶1.6。

7）蓋重區(qū)（1B）。蓋重區(qū)覆蓋在上游鋪蓋上，維持上游鋪蓋區(qū)的穩(wěn)定，并起保護作用，蓋重區(qū)頂部高程與粘土鋪蓋相同，頂寬6 m，上游坡比1∶2.5，采用大壩開挖的級配較好的石碴料填筑。

3.4 壩體各分區(qū)材料設(shè)計和填筑標準

3.4.1 墊層區(qū)

為保證墊層區(qū)具有較高抗剪強度，滿足內(nèi)部滲透穩(wěn)定要求和上游壩坡穩(wěn)定要求，墊層料采用開挖的新鮮、微風化灰?guī)r石料經(jīng)人工破碎加工而成，最大粒徑80 mm，粒徑小于5 mm 的含量為35%～50%，小于0.075 mm 的顆粒含量為4%～6%，連續(xù)級配，曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5，墊層料的超徑顆粒含量不應大于3%。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.20 g/cm3，孔隙率≤18%，滲透系數(shù)為1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.2 特殊墊層區(qū)

特殊墊層料采用開挖的新鮮、微風化灰?guī)r石料經(jīng)人工破碎加工而成。最大粒徑40 mm，粒徑小于5 mm的含量為46%～62.5%，小于0.075 mm 的顆粒含量為5%～10%，連續(xù)級配，曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5，特殊墊層料的超徑顆粒含量不應大于3%。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.20 g/cm3，孔隙率≤18%，滲透系數(shù)為1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.3 過渡區(qū)

壩體過渡層料采用微風化～新鮮的爆破灰?guī)r石料，最大粒徑為300 mm，粒徑小于5 mm 的含量為15%～30%，粒徑小于0.075 mm 的含量控制在5%以內(nèi)。曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.10 g/cm3，孔隙率≤20%，滲透系數(shù)大于1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.4 堆石區(qū)

堆石區(qū)采用微風化～部分分散弱風化主體建筑物開挖料（單軸飽和抗壓強度≥25 MPa），最大粒徑800 mm，粒徑小于5 mm 的含量不超過20%，粒徑小于0.075 mm 的含量不超過5%。曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.08 g/cm3，孔隙率≤19%。

3.4.5 排水區(qū)

壩體豎向排水層水平頂部寬度為3.00 m，采用下水庫工程區(qū)紫灰色、灰色至灰綠色細粒砂巖料（飽和抗壓強度≥45 MPa）或外購爆破灰?guī)r料，最大粒徑800 mm，粒徑小于5 mm 的含量為0%～5%。曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.05 g/cm3，孔隙率≤22%，滲透系數(shù)大于1×10-2～1×10-1cm/s。

3.4.6 反濾料

反濾料采用新鮮、微風化灰?guī)r石料經(jīng)人工破碎加工而成。最大粒徑40 mm，粒徑小于5 mm 的含量為40%～60%，小于0.075 mm 的顆粒含量不大于5%，連續(xù)級配，曲率系數(shù)為1～3，不均勻系數(shù)大于5，超徑顆粒含量不應大于3%。設(shè)計壓實后指標：干密度≥2.18 g/cm3，孔隙率≤18%，滲透系數(shù)為1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.7 堆石排水棱體

堆石排水棱體設(shè)置在壩腳堆渣體下游底部，橫斷面呈梯形，頂寬2 m，頂部高程495.30 m，最大高度15.30 m，上游坡1∶1.0，下游坡1∶1.4。上游面與堆渣體底部排水區(qū)相接，之間設(shè)反濾層，以順暢排走壩體滲漏水。

堆石排水棱體石料采用下水庫爆破開挖的新鮮細粒砂巖料（飽和抗壓強度≥50 MPa），最大粒徑1000mm。

4 壩體分區(qū)填筑參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場科研碾壓試驗成果，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，擬定壩體各分區(qū)填筑參數(shù)如表1。

表1 壩體分區(qū)主要填筑參數(shù)表

5 結(jié)語

蟠龍抽水蓄能電站大壩為紅層地區(qū)軟巖料填筑面板堆石壩，壩坡穩(wěn)定及壩體變形控制是大壩設(shè)計的重點和難點，壩體的合理分區(qū)和嚴格的填筑標準對控制壩體變形至關(guān)重要。針對工程區(qū)料源巖性、儲量，大壩壩體結(jié)構(gòu)從上游至下游分墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、堆石區(qū)、下游堆渣區(qū)等，嚴格按照規(guī)范要求以及參考類似軟巖筑壩工程對壩體不同部位的材料進行設(shè)計，同時結(jié)合室內(nèi)試驗和現(xiàn)場科研碾壓試驗成果，適當調(diào)整粒徑級配范圍，調(diào)整各分區(qū)填筑碾壓參數(shù)，以方便現(xiàn)場施工，最終實現(xiàn)施工詳圖階段壩體分區(qū)的優(yōu)化設(shè)計。