代古寺面板堆石壩設(shè)計要點

李浩瑾 趙曉曦 李婭

1 工程概況

代古寺水庫為白龍江引水工程的水源水庫，總庫容4.08億m3，水庫正常蓄水位為1 804.00 m，設(shè)計洪水位為1 805.14 m，校核水位為1 806.71 m。推薦壩型為面板堆石壩，最大壩高151.00 m，壩長360 m。水庫規(guī)模為大（2）型，大壩級別為1級（壩高大于90 m，由2級提高至1級）。大壩洪水標準按500年一遇洪水設(shè)計，5 000年一遇洪水校核，相應(yīng)的設(shè)計洪水洪峰流量為2 755 m3/s，校核洪水洪峰流量為4 116 m3/s。擋水建筑物地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震加速度取0.358g。

2 工程地質(zhì)條件

壩址兩岸巖體以志留系上統(tǒng)卓烏闊組（S3zw）砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖和印支期（晚三疊系）侵入黑云母花崗閃長巖、石英二長閃長巖等為主。志留系巖體強度較低，變形較大。侵入巖巖體強度較高，整體地層呈軟硬相間狀態(tài)。壩址左岸大部分基巖出露，巖石破碎，風化卸荷深度大；岸坡中部覆蓋少量坡積及殘留階地堆積，厚度5～25 m，高程1 778 m以上段岸坡基巖為晚志留系（S3zw）砂質(zhì)板巖夾少量灰?guī)r及炭質(zhì)板巖；高程1 778 m以下岸坡基巖為T3L黑云母石英二長閃長巖，巖體致密堅硬。壩址右岸岸坡表部多覆蓋第四系坡積、崩積碎石土、碎塊石，厚度3～7 m不等，下伏基巖為T3L黑云母石英二長閃長巖。

3 筑壩材料

壩址區(qū)及附近有尖藏石料場、桑壩隆哇石料場和洛大鄉(xiāng)砂礫石料場，尖藏石料場距壩址最近，距離約580 m，有省道S210與S313在洛大鄉(xiāng)代古寺村前連接通往壩址，交通較為便利。尖藏料場出露侵入巖巖體與壩址上游側(cè)及右岸均為印支期（晚三疊系）臘子口序列尖藏南單元（T3J）黑云母花崗閃長巖、石英二長閃長巖等?？煽紤]作為首選塊石、堆石料場。

若施工開采過程中尖藏料源不足，還可考慮桑壩隆哇灰?guī)r料場進行開采補充。桑壩隆哇料場位于臘子口溝左側(cè)支溝桑壩隆哇溝內(nèi)約2 km處，合計總運距約12.5 km。料場可用層為泥盆系中統(tǒng)魯熱組（D2l）泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r夾薄層灰?guī)r和板巖，可考慮作為尖藏石料場補充開采塊石、堆石料場使用。

4 面板堆石壩設(shè)計

4.1 壩體布置

根據(jù)國內(nèi)已建和在建類似規(guī)模工程經(jīng)驗及壩頂交通、壩坡穩(wěn)定、壩體施工，以及抗震措施等要求，擬定壩體基本斷面為：壩頂寬度15 m，壩頂長度360 m，最大壩高151.0 m。上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶1.4，考慮道路后綜合壩坡1∶1.87。下游壩坡結(jié)合8 m寬的“之”字形、縱坡8%～9.5%的施工和場內(nèi)永久交通道路布置。

4.2 壩體設(shè)計

4.2.1 壩頂結(jié)構(gòu)

壩頂采用混凝土路面，面層厚度0.2 m。壩頂上游布置“L”形鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程1 810.20 m，墻底高程1 805.20 m，墻高5 m，墻頂高出壩頂1.2 m，防浪墻上游側(cè)設(shè)0.8 m寬的觀測走道。

4.2.2 混凝土面板

參考同類壩高及“V”形河谷的面板壩設(shè)計實例，遵照公式t=t0+0.003 5H，面板頂部厚度增加到0.4 m，底部厚度為0.95 m。

工程所在地屬寒冷地區(qū)，面板混凝土強度等級采用C30F200W12。面板采用單層雙向配筋，單向配筋率0.4%。為增強面板頂部、底部及接縫部位的抗變形、抗拉和抗壓能力，在拉應(yīng)力區(qū)、岸邊周邊縫附近和臨近周邊縫的垂直縫、分期施工的施工縫附近按雙層筋加強配置。河床部位按壓性垂直縫設(shè)計，縫距為12 m，兩岸邊坡附近面板按張性垂直縫設(shè)計，縫距為8 m，兩岸岸坡段面板垂直縫在距周邊縫1 m處以折線形式垂直于周邊縫布置。

4.2.3 混凝土趾板

本工程趾板型式采用平趾板。河床最大壩高部位趾板建基面開挖至弱風化下部至微新巖體，兩岸壩高較低部位趾板建基面開挖至弱風化上部至強風化底部巖體。趾板寬度、厚度見趾板設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 混凝土趾板寬度、厚度設(shè)計表

趾板混凝土與面板混凝土相同，采用C30F200W12，表面采用單層雙向配筋，單向配筋率0.4%，在與面板的接觸面配設(shè)加強鋼筋，加強其縫面抗壓能力。趾板通過錨桿與基巖連接。

4.2.4 河床高趾墻

河床部位覆蓋層較薄，僅2.3～4.8 m，地表以下19.2～81.4 m位置，黑云母石英二長閃長巖部分蝕變，抗變形能力較差，蝕變帶向左岸深部發(fā)育，蝕變巖體與未蝕變基巖抗變形能力存在差異，為避免壩基不均勻變形對壩體產(chǎn)生破壞，且考慮到趾板線河床部位底部呈河谷深切形態(tài)，為保證趾板布置平順，河床部位趾板采用趾墻結(jié)構(gòu)。

高趾墻為混凝土重力式結(jié)構(gòu)，其軸線平行于壩軸線，建基于微風化巖體上部，墻高20 m，橫河向長度55 m，頂寬25 m，底寬49 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶1.0。趾墻兩端與兩岸趾板銜接。趾墻頂部以上設(shè)計成混凝土趾板形式，寬12 m，厚1.0 m，布置于趾墻上游側(cè)，趾板基礎(chǔ)與趾墻頂面連接層面按施工縫處理，縫面鑿毛、鋼筋過縫。

4.2.5 接縫止水

根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，為便于混凝土面板施工，提高接縫部位混凝土質(zhì)量，周邊縫、張性垂直縫以及壓性垂直縫均設(shè)頂部和底部兩道止水。周邊縫底止水采用“F”形銅片止水，頂止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包三元乙丙增強型蓋片，縫間填瀝青浸木板。張性垂直縫底止水采用“W”形銅片止水，頂止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包高強度橡膠板。壓性垂直縫底止水采用“W”形銅片止水，頂止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包高強度橡膠板，縫間填橡膠復合松木板。面板和防浪墻間的水平縫設(shè)頂部和底部兩道止水。

4.3 壩坡設(shè)計和壩體填筑分區(qū)

4.3.1 壩坡設(shè)計

本工程筑壩材料為花崗閃長巖屬堅硬巖主要用于主堆石區(qū)，板巖屬中硬巖主要用于下游堆石區(qū)，壩坡擬定參照國內(nèi)類似已建工程實例及壩坡穩(wěn)定計算分析，結(jié)合工程設(shè)防烈度Ⅷ度，擬定上游坡比1∶1.4，下游壩坡布置寬10 m的“之”字形上壩道路，道路之間壩坡坡比也為1∶1.4，綜合坡比為1∶1.87。經(jīng)壩坡抗滑穩(wěn)定分析，上、下壩坡各計算工況抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。下游堆石區(qū)和上游蓋重區(qū)可利用部分開挖渣料。坡面用大塊石砌筑，厚度不小于1 m，以提高壩體抗震性能。

4.3.2 壩體填筑分區(qū)

壩體填筑分區(qū)自上游至下游分為：上游蓋重區(qū)（1B）、上游鋪蓋區(qū)（1A）、混凝土面板（F）、墊層料區(qū)（2A）、特殊墊層區(qū)（2B）、過渡料區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、下游堆石區(qū)（3C）和下游壩基排水區(qū)（3F）。

為減少棄渣，同時保證安全性，下游堆石區(qū)按照填筑料的不同分為兩個區(qū)域：利用開挖料填筑的3C1和利用料場花崗巖填筑的3C2。3C1區(qū)位于下游干燥區(qū)，頂高程1 779 m，底高程1 685 m，上游坡比1∶0.6，下游坡比1∶1.6。該區(qū)域受水荷載影響較小，但對主堆石區(qū)具有重要支撐作用，變形模量可適當降低，要求具有強透水性，接近下游壩坡的壩體抗剪強度直接影響下游壩坡的穩(wěn)定，要求具有較高的抗剪強度。下游堆石區(qū)可利用溢洪道、電站、導流泄洪放空洞和壩基的弱風化及微新開挖料。3C2區(qū)位于3C1下游，采用料場花崗巖填筑，填筑標準與3B區(qū)一致。

4.4 壩基開挖和基礎(chǔ)處理

4.4.1 趾板基礎(chǔ)開挖

河床部位趾板基礎(chǔ)開挖至弱風化中下部或微風化巖體頂部，兩岸趾板基礎(chǔ)開挖至弱風化巖體上部，壩肩附近高高程趾板基礎(chǔ)可開挖至強風化底部巖體。

4.4.2 堆石體基礎(chǔ)開挖

代古寺面板堆石壩最大壩高151 m，高程1 778 m以下部位覆蓋層厚度最大僅占到壩高的5%左右，覆蓋層厚度相對壩高較薄，滲透性較強，與壩體填筑壓實要求比相對密度略低，如利用作為壩基處理較復雜，穩(wěn)妥起見，清除覆蓋層，堆石區(qū)坐落于強風化巖體上。

4.4.3 固結(jié)灌漿

灌漿控制標準，灌后巖體透水率不大于5 Lu。趾板、高趾墻基礎(chǔ)固結(jié)灌漿深度為：高程1 770 m以上至壩頂固結(jié)灌漿深度為5 m，間排距均為3 m；高程1 770 m至高程1 700 m固結(jié)灌漿深度為10 m，間排距均為3 m；高程1 700 m以下固結(jié)灌漿深度為15 m，間排距均為3 m。以上固結(jié)孔均采用梅花形布置。

4.4.4 帷幕灌漿

根據(jù)水文地質(zhì)條件，結(jié)合規(guī)范規(guī)定并參考國內(nèi)外已建、在建工程經(jīng)驗，代古寺面板壩帷幕灌漿控制標準按不大于3 Lu控制，灌漿孔深入弱透水帶（q=3 Lu）下限以下5 m。

在左右岸壩頂高程1 809 m各設(shè)1條帷幕灌漿平洞，左岸伸入山體160 m，右岸深入山體220 m。根據(jù)趾板軸線工程地質(zhì)剖面，壩址兩岸防滲帷幕基本可以實現(xiàn)全封閉。

4.5 大壩抗震措施

根據(jù)有關(guān)地震作用下的監(jiān)測資料和面板壩的動力分析成果，認為面板壩在地震荷載作用下的破壞形態(tài)呈現(xiàn)為壩頂沉降坍塌，壩體下部側(cè)向膨脹，表面石料被震松而沿坡面下滑，壩坡有變緩的趨勢。壩體抗震安全性能評價的重點在于分析壩體在地震荷載作用下的永久變形，確定該變形是否會導致混凝土面板開裂或止水破壞，從而導致防滲系統(tǒng)的破壞或過大的滲漏量。參考類似工程，對混凝土面板堆石壩采用如下抗震措施：

（1）壩頂高程?？紤]足夠的地震涌浪高度和地震附加沉陷。按規(guī)范要求，地震涌浪高度一般采用0.5～1.5 m，本工程按地震烈度大小和壩高取1.4 m（壩高0.9%）。地震附加沉陷本工程取1.80 m（壩高1.2%），在確定壩頂高程時，計算值為1 808.46 m，最終將壩頂高程定為1 809.00 m，增加了0.54 m，可作為地震沉陷預留值。

（2）壩頂寬度和防浪墻高度。適當加寬壩頂，降低壩頂?shù)卣鹆ψ饔?，并防止因壩頂堆石體塌滑而造成上游面板破壞，類比國內(nèi)外強震區(qū)高壩工程實例，壩頂寬度采用15 m。防浪墻處于壩頂，降低上游防浪墻高度也有利抗震，本工程防浪墻高度僅為5 m，是已建高面板壩中較低的。

（3）底孔放空設(shè)施。樞紐布置有泄水放空設(shè)施，在遭遇震害防滲結(jié)構(gòu)受到破壞影響大壩等極端情況下，庫水可降至死水位以下高程1 745 m左右，以達到檢修大壩的作用。

（4）適當放緩下游壩坡。上游壩坡坡比1∶1.4，下游“之”字形道路之間坡比1∶1.4，道路寬10 m，綜合壩坡為1∶1.87。

（5）適當提高壩殼料的填筑標準，要求砂礫料的相對密度Dr≥0.9，堆石料填筑孔隙率n≤19%。

（6）加強混凝土面板、趾板及壩體各分區(qū)間及其與壩基和岸坡的連接，防止地震情況下造成破壞。

（7）增加面板厚度，面板厚度按t＝0.4＋0.003 5H計算，確定面板頂部厚度為0.4 m，面板底部厚度為0.96 m。面板采用單層雙向配筋，并在局部配加強筋。

（8）加強壩體頂部和下游壩坡防護。在高程1 779 m以上的下游壩坡設(shè)置0.3 m厚的鋼筋混凝土板護坡，鋼筋混凝土板采用長20 m的Φ25錨筋（做防銹處理），層距3 m，間距3 m，向內(nèi)深入壩體堆石，并與邊長2 m的混凝土錨墩連接，向外與下游壩面混凝土板連接，以提高上部壩體的抗震性能。

5 壩體滲流及邊坡穩(wěn)定計算

5.1 滲流計算

5.1.1 計算參數(shù)

壩體計算滲透參數(shù)取值見表2。

5.1.2 計算結(jié)果

正常蓄水位工況壩體典型斷面（最大壩高斷面）計算的壩體和地基總的單寬滲流量為0.122 L/（s·m），下游溢出點計算最大滲透比降為0.025 1、防滲帷幕計算最大滲透比降為1.333；校核洪水位工況壩體典型斷面（最大壩高斷面）計算的壩體和地基總的單寬滲流量為0.126 L/（s·m），下游溢出點計算最大滲透比降為0.025 9、防滲帷幕計算最大滲透比降為1.361；壩體、壩基的滲流量在正常范圍內(nèi)，對該水庫的運行影響不大。

5.2 壩體邊坡穩(wěn)定計算

5.2.1 計算條件

上游正常蓄水位1 804 m，設(shè)計洪水位1 805.14 m，校核洪水位1 806.71 m。地震設(shè)防烈度Ⅷ度。

5.2.2 計算工況

以壩體最大斷面為計算斷面，分別計算上、下游壩坡正常運行工況、完建工況、水庫水位非常降落工況、校核洪水位工況和地震工況的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

5.2.3 計算參數(shù)

混凝土面板堆石壩主要由主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、墊層、過渡層組成。根據(jù)工程類比及本工程具體情況初定計算采用的材料力學指標，見表3。

表3 筑壩材料的力學性能表

5.2.4 計算方法

應(yīng)用剛體極限平衡理論的簡化的畢肖普法計算計條塊間作用力時邊坡最小安全系數(shù)，應(yīng)用瑞典圓弧法計算不計條塊間作用力時邊坡最小安全系數(shù)。

5.2.5 計算結(jié)果

壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表4和表5。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算表（計條塊間作用力）

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算表（不計條塊間作用力）

計算表明：各工況上下游的最小安全系數(shù)均大于允許值。

6 壩體及面板應(yīng)力變形分析

計算中壩體填筑荷載的施加步驟與施工設(shè)計的填筑步驟相一致（分31級筑壩施工），混凝土面板一次澆筑完成。混凝土材料采用線彈性模型，堆石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用非線性彈性模型（鄧肯雙曲線模型E-B模式）。采用接觸面模擬壩體與混凝土面板接觸面及面板接縫的力學特性。

壩體有限元網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 二維應(yīng)力變形計算分析的網(wǎng)格剖分圖

6.1 計算參數(shù)

參考國內(nèi)外高面板堆石壩鄧肯張E-B計算參數(shù)，經(jīng)篩選分析后，擬選用計算參數(shù)見表6。

表6 筑壩材料計算參數(shù)表

6.2 計算成果

壩體堆石區(qū)各工況順河向上游位移、順河向下游位移和豎向位移結(jié)果見表7，混凝土面板撓度最大值及對應(yīng)高程計算結(jié)果見表8。

表7 E-B模型計算各工況壩體堆石區(qū)最大位移表 cm

表8 E-B模型計算正常蓄水位工況混凝土面板表

壩體堆石區(qū)在各個工況的小主應(yīng)力、大主應(yīng)力、順河向正應(yīng)力、鉛垂向正應(yīng)力計算結(jié)果見表9，混凝土面板在各工況的第1主應(yīng)力、第3主應(yīng)力、沿面板向正應(yīng)力、垂直面板向正應(yīng)力計算結(jié)果見表10。

表9 E-B模型各計算工況壩體典型位置應(yīng)力表 kPa

表10 E-B模型正常蓄水位工況混凝土面板計算應(yīng)力表 kPa

6.3 主要結(jié)論

非地震工況中，壩體堆石區(qū)豎向沉降的最大變形發(fā)生在校核洪水位工況，豎向沉降位移為77.48 cm，沉降率0.51%；正常蓄水位遇地震工況中，壩體堆石區(qū)豎豎向沉降最大位移為89.32 cm，沉降率0.59%，均小于1%?；炷撩姘謇瓚?yīng)力最大值超出C30混凝土允許最大拉應(yīng)力，可以通過配順坡向鋼筋解決拉應(yīng)力超出C30混凝土允許最大拉應(yīng)力問題。

7 結(jié) 語

本文對代古寺面板堆石壩的設(shè)計要點進行了介紹，著重列舉了抗震方面的工程措施，并進行了數(shù)值計算，結(jié)果表明，綜合采用多項抗震措施后，壩體能夠在高強度的地震荷載作用下保持穩(wěn)定。在下一階段，將進行壩體分區(qū)優(yōu)化的工作，以材料試驗成果為依據(jù)，進行三維數(shù)值計算，擴大下游堆石區(qū)，更充分地利用板巖等開挖料筑壩，減少棄渣，進一步降低對環(huán)境的影響。