石臺抽水蓄能電站下水庫混凝土面板堆石壩設(shè)計

摘要：石臺抽水蓄能電站下水庫面板堆石壩設(shè)計存在料源強度差異較大、壩基覆蓋層利用、壩前回填料影響等設(shè)計難題。通過全面詳細的壩料試驗及覆蓋層原位試驗，并類比同類工程，確定了壩體可利用料、壩體結(jié)構(gòu)、各分區(qū)料源，以及壩基覆蓋層處理方案和壩前回填高程；針對初擬的大壩設(shè)計參數(shù)，開展了大壩三維有限元靜動力分析。有限元計算結(jié)果表明：所設(shè)計的混凝土面板堆石壩壩體、面板的變形和應(yīng)力基本上都在正常可控范圍內(nèi)，周邊縫和垂直縫變形在止水材料允許變形范圍內(nèi)，大壩地震反應(yīng)規(guī)律性好，地震永久變形較小。依據(jù)計算成果最終選定了適合該工程的混凝土面板堆石壩設(shè)計參數(shù)，為大壩順利建成及后續(xù)安全穩(wěn)定運行提供了科學依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：混凝土面板堆石壩；大壩設(shè)計；有限元；石臺抽水蓄能電站

中圖法分類號：TV697 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.028

0 引言

石臺抽水蓄能電站位于安徽省池州市石臺縣，距離合肥市直線距離185 km。工程開發(fā)任務(wù)為承擔電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、儲能、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用。電站裝機容量1 200 MW，屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)8 h。電站屬Ⅰ等大（1）型工程，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和開關(guān)站等建筑物組成。電站下水庫位于仙寓鎮(zhèn)彭溪村彭溪支溝，正常蓄水位268.00 m，死水位238.00 m，設(shè)計洪水位（P=0.5%）270.47 m，校核洪水位（P=0.05%）271.18 m，主要建筑物有大壩、豎井泄洪洞和洞內(nèi)放水管、環(huán)庫公路等。大壩抗震設(shè)防標準取基準期100 a內(nèi)超越概率2%，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度為108.4 gal。

1 壩址地形地質(zhì)條件

下水庫壩址位于霧基坡山體SE側(cè)斜坡坡腳、各沖溝匯合處下游附近，支溝走向SE，呈寬“V”形，河谷坡降34‰，兩岸山體較完整，下水庫全景如圖1所示。壩址區(qū)出露第四系為崩坡積層（Q^col+dl）碎塊石土、殘坡積層（Q^el+dl）土夾礫碎石、沖洪積層（Q^pal）漂卵礫石層。基巖地層有寒武系上統(tǒng)西陽山組（∈₃x）中厚層、厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，華嚴寺組（∈₃h¹）泥質(zhì)條帶灰?guī)r夾含碳質(zhì)泥灰?guī)r，中統(tǒng)楊柳崗組（∈₂y）紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r與鈣質(zhì)頁巖，硬—中硬質(zhì)巖為主。壩址區(qū)巖層走向40°～80°，兩岸斷層不發(fā)育。壩址區(qū)左岸覆蓋層厚度0.8～3.2 m，右岸覆蓋層厚度0.5～7.5 m，溝谷部位覆蓋層厚度5.2～15.2 m。

2 工程技術(shù)特點

下水庫大壩設(shè)計主要技術(shù)特點體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）經(jīng)比選，大壩采用混凝土面板堆石壩壩型。壩體填筑需要的石料主要采用下水庫庫盆、大壩、輸水系統(tǒng)、地下廠房及附屬洞室、開關(guān)站、豎井泄洪洞、環(huán)庫公路等部位的開挖料。料源巖性主要有灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖、長石石英砂巖、頁巖等，筑壩料巖性不均一，強度差異較大，飽和單軸抗壓強度范圍25～85 MPa不等，壩體材料分區(qū)及填筑參數(shù)設(shè)計不合理可能會導(dǎo)致壩體過大沉降及不均勻變形^［1］。

（2）鉆孔揭露壩址區(qū)覆蓋層厚度一般為4.00～12.60 m，最深15.20 m，壩基范圍覆蓋層總量約43萬m³，如果全部清除，棄渣量增加較多，水保措施以及征地面積也會相應(yīng)加大；如果部分保留，需論證是否會導(dǎo)致壩體不均勻變形，并采取相應(yīng)的處理措施，例如強夯、振沖樁、固結(jié)灌漿等^［2-3］。

（3）為了最大化利用死水位以下庫容，減少工程棄渣量，緩解初期蓄水壓力，參考其他工程經(jīng)驗，在庫底及壩前進行無用料回填^［4-6］。對于面板而言，如果回填料高程過高，勢必對面板受力不利，可能會導(dǎo)致面板出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。

因此，受大壩填筑材料、壩基覆蓋層及壩前回填料的影響，控制壩體及面板變形尤為重要，這也是石臺抽水蓄能電站下水庫大壩設(shè)計的重點及難點，需通過壩料試驗與計算分析，并類比同類工程，才能確定合理的壩體結(jié)構(gòu)、材料分區(qū)、壩料填筑參數(shù)、覆蓋層處理措施及壩前回填高程，以保證大壩結(jié)構(gòu)的安全運行。

3 大壩設(shè)計

3.1 大壩布置

混凝土面板堆石壩壩頂高程273.00 m，趾板建基面最低高程166.00 m，最大壩高107.00 m，壩頂長367 m，壩頂寬度取為10 m，采用混凝土路面。壩體設(shè)置“L”型防浪墻，墻底高程270.50 m，頂部高程274.20 m；壩體上游坡比為1∶1.4，下游坡比為1∶1.5，棄渣堆于庫盆237.00 m高程以下及壩后，壩后壓坡體坡比為1∶2，下游設(shè)寬10.00 m“之”字形馬道，下游坡面采用混凝土框格梁內(nèi)植草皮護坡。大壩典型剖面如圖2所示。

3.2 大壩分區(qū)

下水庫壩體填筑主要分為鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特別墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、排水區(qū)、下游護坡、壩后壓坡體等部分。鋪蓋區(qū)布置于混凝土面板上游211.00 m高程以下，水平寬度為3 m，主要起輔助防滲作用。墊層區(qū)與過渡區(qū)坡度均為1∶1.4，水平寬度分別為4，5 m。上游堆石區(qū)與下游堆石區(qū)的分界線為傾向下游的斜線，分界線坡比為1∶0.2。為改善壩體排水條件，在下游堆石區(qū)下、基礎(chǔ)以上3 m采用上游堆石區(qū)料填筑。壩前回填以1∶3 坡比由庫底回填至高程237.00 m然后放坡至211.00 m高程，后接15 m長水平段至鋪蓋頂部。

3.3 壩料設(shè)計

為了摸清下水庫開挖料性質(zhì)，明確壩體各分區(qū)填筑料料源，針對開挖的微新、弱風化及強風化石英砂巖、弱風化及強風化泥質(zhì)灰?guī)r、弱風化硅質(zhì)巖、弱風化含碳頁巖、弱風化含硅頁巖等開展壩料試驗。根據(jù)壩體各分區(qū)的設(shè)計級配和設(shè)計孔隙率，進行比重、擊實、大型壓縮、大型三軸、滲透變形、反濾等靜力特性試驗，研究填筑料的壓實特性、壓縮變形特性、剪脹（縮）特性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強度特性、滲透系數(shù)、臨界比降等，為應(yīng)力變形數(shù)值分析提供計算分析參數(shù)，為面板堆石壩設(shè)計提供依據(jù)。

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合筑壩材料室內(nèi)試驗成果，確定壩體各分區(qū)料源初擬填筑參數(shù)如下：

（1）墊層料。墊層料源采用輸水系統(tǒng)及地下廠房洞挖微新石英砂巖。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.25 g/cm³，孔隙率≤18%，最大粒徑80 mm，小于5 mm顆粒含量為35%～50%，小于0.075 mm顆粒含量為4%～7%。

（2）過渡料。過渡料采用輸水系統(tǒng)及地下廠房洞開挖微新石英砂巖。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.20 g/cm³，孔隙率≤20%，最大粒徑300 mm，小于5 mm顆粒含量為20%～30%，小于0.075 mm顆粒含量小于5%。

（3）上游堆石料。上游堆石料采用庫盆、壩基及泄水建筑物等部位開采的弱風化石英砂巖、硅質(zhì)巖及泥質(zhì)灰?guī)r。主要設(shè)計參數(shù)為：干密度≥2.18 g/cm³，孔隙率≤22%，最大粒徑800 mm，小于5 mm顆粒含量為4%～19%，小于0.075 mm顆粒含量小于5%。

（4）下游堆石料。下游堆石料采用庫盆、壩基及進/出水口等部位開采的強—弱風化泥質(zhì)灰?guī)r及弱風化含碳頁巖和含硅頁巖。下游堆石區(qū)的設(shè)計級配和試驗級配與上游堆石區(qū)相同。

3.4 大壩防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4.1 混凝土面板

大壩頂部面板厚度0.3 m，河床底部面板厚度0.8 m，中間用公式t=0.3+0.0035H按直線變化。（t為面板的厚度，m；H為計算截面與壩頂高程間的垂直距離，m）

面板混凝土應(yīng)具有優(yōu)良的和易性、抗裂性、抗?jié)B性和耐久性。面板混凝土強度等級為C30，抗?jié)B等級W10，抗凍等級F100。

面板需配置鋼筋，以防止運行期間因溫度變化、干縮、不均勻沉降、地震等影響而引起的面板裂縫開展。面板鋼筋配筋率原則上按單層雙向配置：順坡向為0.4%，水平向為0.35%。局部進行加強，在周邊縫附近20 m范圍內(nèi)的面板布置底部加強鋼筋。

3.4.2 趾板

趾板總體坐落在弱風化基巖上，寬度取6 m，厚度0.6 m，混凝土要求同面板。趾板按單層雙向配筋，每向配筋率約為0.35%，保護層厚度10～15 cm，周邊縫附近的保護層厚度20 cm。趾板下設(shè)錨筋與基巖連接，錨筋按梅花形布置，間距12 m，伸入巖體深度不小于3.5 m。

3.4.3 分縫與止水

面板不設(shè)永久水平縫，采用無軌滑模連續(xù)澆筑。為適應(yīng)壩體變形和滿足施工要求，面板設(shè)置垂直縫，縫間距一般取12 m。垂直縫從壩頂沿壩坡一直延伸到周邊縫，在接近周邊縫法線方向1.0 m長的范圍內(nèi)垂直于周邊縫。垂直縫按其變形情況分張性縫和壓性縫兩種，壓性縫位于河床部位面板，張性縫位于兩岸面板。面板與趾板之間接縫為周邊縫，與防浪墻之間接縫為防浪墻底縫^［7］，各類縫的止水結(jié)構(gòu)型式如下：

（1）周邊縫。周邊縫設(shè)頂部、底部兩道止水，底部采用銅片止水，頂部設(shè)面膜+塑性填料+橡膠波紋止水帶組成的柔性止水。

（2）垂直縫。面板垂直縫的止水結(jié)構(gòu)設(shè)計按壓性縫、張性縫處理，所有垂直縫均在底部設(shè)紫銅片止水，頂部設(shè)塑性填料止水。

（3）防浪墻底縫。防浪墻與面板間的水平縫設(shè)頂、底兩道止水，底部采用紫銅片止水，頂部采用塑性填料止水。

3.5 壩基處理

3.5.1 趾板基礎(chǔ)開挖與處理設(shè)計

趾板沿線的左右岸坡表層強風化帶底深4.0～8.0 m，河床部位趾板基礎(chǔ)表層沖洪積層漂卵礫石至強風化帶底深12～16 m。趾板基礎(chǔ)置于較完整的弱風化基巖上。左岸趾板開挖深度6～10 m，右岸趾板開挖深度12～16 m，河床中心趾板開挖深度12～20 m。趾板結(jié)構(gòu)寬度按弱風化巖石地基容許水力梯度要求選定為6 m，下游按兩倍趾板寬度即12 m水平開挖，并設(shè)置厚15 cm的防滲板，然后按1∶2 坡比與堆石區(qū)基礎(chǔ)相接。

3.5.2 堆石區(qū)基礎(chǔ)開挖

下水庫壩基大部分岸坡基巖出露，局部地形稍緩的部位分布厚度較小的殘坡積碎礫石土，厚度一般小于5 m，坡腳高程240 m以下崩坡積層碎塊石土厚度較大，厚度約10～15 m。針對下水庫覆蓋層，開展現(xiàn)場原位密度、級配、三軸及壓縮試驗。試驗結(jié)果表明：覆蓋層濕密度2.05 g/cm³，凝聚力0.071～0.126 MPa，內(nèi)摩擦角31.7°～34.0°，0.1～0.2 MPa壓力下的壓縮模量為18.0～40.2 MPa。

根據(jù)試驗結(jié)果，結(jié)合工程實際，并參考其他工程經(jīng)驗^［8］，確定壩基覆蓋層處理方案為：壩軸線至上游趾板水平長度的1/2范圍以及壩軸線至下游壩腳水平長度的2/3范圍河床覆蓋層開挖表層1 m，再采用重型振動碾碾壓8遍后，作為壩體的一部分予以保留，并鋪設(shè)過渡料防護；兩岸邊坡覆蓋層較薄，厚度一般小于5 m，清除覆蓋層至基巖。

4 三維有限元計算分析

4.1 有限元計算模型

為了進一步驗證壩體結(jié)構(gòu)、壩料分區(qū)、覆蓋層處理措施及壩前回填高程的合理性，開展大壩三維有限元靜動力計算分析。建立的混凝土面板堆石壩三維有限元計算模型如圖3所示，計算模型四周采用連桿支座約束，底部采用固定約束。壩體和地基網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為57 303個，單元總數(shù)59 072個。在混凝土面板與墊層之間設(shè)置六面體或五面體接觸單元，用于模擬兩者之間的接觸行為。在面板各板塊之間、面板與趾板處設(shè)置六面體連接單元，用于模擬垂直縫和周邊縫的三向受力變形行為。

4.2 靜力計算

4.2.1 靜力計算參數(shù)

（1）筑壩材料和覆蓋層。壩體填筑材料鄧肯E-B模型參數(shù)依據(jù)筑壩材料試驗結(jié)果，各料區(qū)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)大型三軸壓縮試驗成果確定，均取飽和狀態(tài)平均級配線的三軸試驗參數(shù)。墊層及過渡料采用微新石英砂巖、上游堆石料選用較差的弱風化硅質(zhì)巖、下游堆石區(qū)選用較差的含硅頁巖參數(shù)進行計算。下水庫壩料、壩基覆蓋層及庫底回填料鄧肯E-B模型計算參數(shù)取值見表1。面板和趾板C30混凝土采用線彈性模型，彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.167。

（2）接觸面和止水材料。為了精細模擬面板垂直縫和周邊縫三向變形，采用連接單元模型對嵌縫材料和止水材料的力學特性進行專門模擬。

4.2.2 計算結(jié)果

（1）壩體變形和應(yīng)力。圖4為正常蓄水位工況面板壩最大剖面壩體變形等值線圖。由圖4可知，蓄水期壩體變形等值線分布及極值符合一般規(guī)律，壩體變形整體上無大的變化梯度，壩體材料分區(qū)設(shè)計合理。正常蓄水位下大壩順河向水平位移分別為-1.85 cm（向上游）和23.99 cm（向下游），沉降極值為-61.82 cm，沉降率為0.58%。壩體應(yīng)力水平不大，在0.80以內(nèi)，覆蓋層應(yīng)力水平極值不超過0.75，壩體和覆蓋層不會出現(xiàn)剪切破壞。

（2）面板變形和應(yīng)力。圖5為正常蓄水位工況下面板變形和應(yīng)力等值線圖。由圖5可知，下水庫混凝土面板變形等值線分布及極值總體較為合理，正常蓄水位工況面板最大撓度為24.87 cm。面板順坡向應(yīng)力在河床中央部位受壓，底部和兩岸部位局部區(qū)域受拉，面板壓應(yīng)力和拉應(yīng)力極值分別為3.49 MPa和-1.12 MPa，面板不會發(fā)生破壞。

圖5 正常蓄水位工況面板變形應(yīng)力等值線圖

（3）面板接縫三向變形。根據(jù)計算結(jié)果，下水庫面板垂直縫和周邊縫蓄水后的拉開、沉陷和剪切變形極值小于止水片的通常變形極值量，因此各接縫止水結(jié)構(gòu)均能適應(yīng)大壩變形，發(fā)揮正常的防滲作用。

4.3 動力計算

4.3.1 動力計算參數(shù)

下水庫面板壩堆石料及覆蓋層動力分析采用Hardin-Drnevich動力本構(gòu)模型，其計算參數(shù)根據(jù)工程類比和計算經(jīng)驗取值（表2）。

4.3.2 動力計算結(jié)果

（1）面板動力反應(yīng)。圖6為設(shè)計地震下水庫面板靜動力疊加后的應(yīng)力等值線圖。由圖6可知，設(shè)計地震下靜應(yīng)力和動壓應(yīng)力疊加后的面板順坡向總壓應(yīng)力極值為5.17 MPa，小于面板C30混凝土的抗壓強度；當面板順坡向靜應(yīng)力和動拉應(yīng)力疊加后，設(shè)計地震下拉、壓應(yīng)力極值分別為-2.19 MPa和2.40 MPa。壩軸向靜應(yīng)力和動壓應(yīng)力疊加后，設(shè)計地震下總壓應(yīng)力極值為4.78 MPa，小于面板C30混凝土的抗壓強度，兩岸面板的拉應(yīng)力區(qū)和極值有較大減??；當壩軸向靜應(yīng)力和動拉應(yīng)力疊加后，設(shè)計地震下拉、壓應(yīng)力極值分別為-2.91 MPa和3.75 MPa。由于地震時混凝土面板動應(yīng)力是交變的，且各處極值發(fā)生在不同時刻，這種靜動拉應(yīng)力的最不利疊加只在某瞬時發(fā)生，且只局限于兩岸面板局部區(qū)域，不會對面板整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重大影響。

（2）地震永久變形。根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計地震下，壩體豎向、順河向和壩軸向永久變形極值分別為-12.64，9.22 cm和-3.15 cm/3.00 cm，大壩震陷率為0.12%。大壩震陷率在一般范圍之內(nèi)偏小。地震后，大壩輪廓總體上向壩內(nèi)收縮，符合已有面板壩地震后的實測永久變形特點。在設(shè)計地震條件下，面板撓度、沉降和壩軸向變形極值分別為13.87，-11.91 cm和-2.88 cm/2.72 cm。震后混凝土面板的三向永久變形量均不大。

4.4 計算結(jié)果評價

綜合大壩靜、動力計算成果可知，下水庫面板堆石壩壩體和混凝土面板的變形和應(yīng)力基本上都在正?？煽胤秶鷥?nèi)，周邊縫和垂直縫變形在止水材料允許變形范圍內(nèi)，大壩地震反應(yīng)規(guī)律性好，地震永久變形較小，因此大壩現(xiàn)有設(shè)計方案是合理的，壩體靜、動力性態(tài)較好，能夠滿足整體安全運行的要求。

5 結(jié)語

石臺抽水蓄能電站下水庫面板堆石壩設(shè)計存在料源強度差異較大、壩基覆蓋層利用、壩前回填料影響等設(shè)計難題，壩體和面板變形控制是大壩設(shè)計的重點和難點。針對工程區(qū)不同巖性料源，開展了全面詳細的壩料試驗及覆蓋層原位試驗，確定了壩體可利用料、壩體結(jié)構(gòu)及各分區(qū)料源，以及壩基覆蓋層利用情況和壩前回填高程。結(jié)合三維有限元靜、動力計算，最終選定了適合該工程的混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)體型、壩體材料分區(qū)等，為大壩順利建設(shè)提供了科學依據(jù)。

參考文獻：

［1］ 李泰熙.蟠龍抽水蓄能電站下水庫大壩壩體分區(qū)設(shè)計［J］.湖南水利水電，2020（6）：22-25.

［2］ 潘英杰.北坑水庫面板堆石壩壩基覆蓋層及全風化巖體利用研究［J］.水利水電技術(shù)（中英文），2022，53（增1）：442-447.

［3］ 邢建營，關(guān)志誠，呂小龍.面板堆石壩深覆蓋層處理技術(shù)研究及在河口村水庫工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學報，2020，42（7）：1368-1376.

［4］ 陳洪來，寧永升，常姍姍，等.溧陽抽水蓄能電站上水庫面板堆石壩設(shè)計及優(yōu)化［J］.水力發(fā)電，2013，39（3）：32-34，37.

［5］ 趙琳，雷顯陽，郎玲芳.安徽績溪抽水蓄能電站上水庫設(shè)計［J］.水電與抽水蓄能，2020，6（5）：80-84.

［6］ 王櫻畯，趙琳，雷顯陽.某抽水蓄能電站高面板堆石壩壩體分區(qū)優(yōu)化［J］.水利水電科技進展，2021，41（5）：47-52，75.

［7］ 殷鳴，胡清義，熊澤斌，等.高混凝土面板堆石壩接縫止水設(shè)計綜述［J］.人民長江，2024，55（9）：165-172.

［8］ 楊啟貴，熊澤斌.水布埡高面板堆石壩設(shè)計與變形控制［J］.水力發(fā)電，2007，33（8）：14-18.

（編輯：鄭毅）