水库混凝土面板堆石坝优化设计研究.pdf

第 2 6卷第 4期 2 0 1 4年 1 2月 浙江水利水电学院学报 J ． Z h e j i a n g U n i v o f Wa r ． Re s＆ E l e c t r i c P o w Vo l _ 2 6 NO． 4 De c ． 2 O1 4 水库混凝 土面板堆石坝优化设计研 究 杨平荣 ， 谭 剑波 ( 1 ． 江西省水利规划设计院， 南 昌 江西3 3 0 0 2 9； 2 ． 杨凌职业技术学院 水利工程学院 ， 陕西 杨凌7 1 2 1 0 0 ) 摘要 ： 水库 大坝坝基地质条件较复 杂， 是 一座 面板和趾板均采 用 C 2 5混凝土技术 的面板 堆石坝 ， 最大坝 高 5 0 m ． 结合坝址地形地质条件设计大坝枢纽建筑物布置和 结构 ， 首部枢纽设计方案 由混凝土 面板堆 石坝、 岸 边溢洪道、 取 水兼放 空管三 大部分组成． 经多次优化调整后 ， 枢纽布置、 大坝经济断面体形、 坝基处理 等均满足规 范要 求 ， 设计 方 案技 术上 可行 、 经济上合理 ． 关键词 ： 混凝 土面板堆石坝 ； 首部 枢纽 ； 趾板 ； 灌浆 中图分类号 ： T V 6 4 2 ． 4 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 8—5 3 6 X( 2 0 1 4 ) 0 4 — 0 0 2 8 — 0 3 Op t i mal De si gn o f Res er v oi r Con cr e t e Fa c e d Roc k f i l l Dam YANG P i n g ． r o n g ，T AN J i a n． b o 。 ( 1 ． J i a n g x i Wa t e r Co n s e r v a n c y P l a n n i n g a n d De s i g n i n g I n s t i t u t e ，Na n c h a n g 3 3 0 0 2 9，C h i n a ；2 ． C o l l e g e o f Hy d r o l o g y E n g i n e e r i n g ，Ya n g l i n g Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e，Ya n g l i n g 7 1 2 1 0 0，C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e r e s e r v o i r da m i s a c o n c r e t e f a c e d r o c k fil l d a m a do pt e d c o n c r e t e C2 5 i n pa n e l a nd p l i n t h，wi t h t h e ma x i mu m h e i g h t o f 4 8 m．B a s e d o n t h e c o mp l i c a t e d g e o l o g i c c o n d i t i o n o f t h e d a m ~u n d a t i o n a n d t h e p r o j e c t c h a r a c t e r s ，t h e d e s i g n r e s e a r c h h a s b e e n d o n e ．T h e r e s e r v o i r h e a d j u n c t i o n l a y o u t c o n s i s t s o f t h e c o n c r e t e f a c e d r o c k fi l l d a m，t h e o p e n s p i l l w a y a n d t h e i n t a k e a n d e x h a u s t p i p e ．Af t e r t h e o p t i mi z a t i o n a n d a d j u s t me n t ，t h e o p t i mi z e d d e s i g n s c h e me s ，i n c l u d i n g t h e s t r uc t u r e l a y o u t ，t he e c o no mi c a l d a m s e c t i o n，a n d t h e f o un d a t i o n t r e a t me n t ，p r o v e t o b e mo r e e c o n o mi c a n d f e a s i bl e a nd c o mp r e he ns i v e l y me e t t h e d e s i g n s t a nd a r d s ． Ke y wo r ds： c o nc r e t e f a c e d r o e k fil l d a m ；h e a d p i v o t ；pl i nt h；g r o u t — i n 1 工程概况 2 坝址地形地质条件 新建水库工程 由水库枢纽和输水系统组成 ， 主 要任 务为 向县 城 中心 城 区供 水 ． 2 0 3 0年 ( 设 计水 平 年 ) 城 市供水 E t 供 水量 1 ． 5 9万 m ／ d ， 年 供水 能力达 6 0 2万 i n ／ a ( 其 中城 市供 水 能 力 5 9 1万 m ， 下游 农 田灌溉用水 1 0 ． 7万 in ) ． 水 库坝址 以上流域面积 5 1 ． 2 k m ， 占全 流 域 面积 1 0 ． 2 ％ ， 河 长 8 ． 4 6 k m， 主 河 道加 权平 均坡 降 2 3 ． 9 ％ e ， 多年 平 均径 流 量 8 7 8万 m ． 正 常 蓄水位 1 0 2 3 m， 相 应 库容 6 3 2万 In ， 总库 容 7 8 2万 In ， 最大坝高 5 0 ． 0 In． 根据《 水利水电工 程等级划分及洪水标准》 ( S L 2 5 2— 2 0 0 0 ) ⋯规定 ， 工 程为 小 ( 1 ) 型水 库 ， 工程 等别 Ⅳ等 ． 收稿 日期： 2 0 1 4 — 1 0 — 2 0 作者简介 ： 杨平荣 ( 1 9 8 3一) ， 男 ， 江 西抚州人 ， 硕士 ， 工 程师 ， 主 要从事水工结构设计工作． 推荐坝址为基本对称的“ V ” 型河谷结构 ， 设计 正 常蓄 水位 1 0 2 3 in， 谷 口宽高 比为 3 ． 2 ； 近 河岸 坡 覆 盖层厚 度 3～ 5 in， 河床 及岸坡 地形 陡 峻段 基 岩多 裸 露． 坝址 河 床 及 两 岸 均 为钙 质 粉 砂 岩 、 泥 质 粉 砂 岩 夹泥 页岩 分 布 ， 岩 层 平 缓 ， 坝址 区无 大 的 断 裂 构 造通过 ， 但裂隙发育 ， 风化深度较大． 坝址区建柔性 坝 型不存 在 大 的工 程 地 质 缺 陷 ， 通 过 工 程 处 理 ， 具 备 建坝 条件 ． 面板 堆石 坝趾 板 基岩 为 薄层 夹 中厚 层 钙质粉 砂 岩 、 泥质 粉 砂 岩 ； 岩 体 在 构 造 裂 隙 带 较 破碎 ， 强度较低 ， 承载力较低 ， 为了提高坝基的整体 性 和 刚度 ， 防 止 不 均 匀 变 形 ， 故 对 趾 板 基 础 需 采 取 一 定 的工程 措 施 处 理 ． 主 、 次 堆 石 区覆 盖 层 厚 度 不 一 ，对 主堆 区 应 清 除 覆 盖 物 及 表 层 强 风 化 破 碎 岩 体 ， 次堆石区清除全部覆 盖层后 ， 适当平整地基 即 第 4期 杨平 荣等 ： 水库混凝土面板堆石坝优化设计研究 2 9 可满足坝体堆石承载要求． 地下水 以基岩裂隙水为 主， 存 在坝基及坝肩沿断层破碎带渗漏， 须进行 防 渗 帷 幕灌浆 处理 ． 3 混凝土 面板堆 石坝结构布置 水库大坝枢纽由混凝土面板堆石坝、 左岸 开敞 式溢洪道 、 右岸取水兼放空管等组成． 3 ． 1 挡水 建筑 物 大坝 为混 凝土 面 板 堆 石 坝 ， 最 大 坝 高 5 0 m， 坝 顶宽 7 ． 5 m， 坝顶长 1 5 8 m， 坝顶高程 1 0 2 7 m， 上游 设高 2 ． 5 0 m 的 L型 防浪 墙 ． 上 游坝 坡 1 ： 1 ． 4 0 ， 下 游 坝坡 1 ： 1 ． 4 0 ( 共 设 2道 宽 2 ． 0 m 马道 ， 综 合 坡 比 1 ： 1 ． 4 8 3 ) ， 最大 坝底宽 1 4 8 ． 2 m． 上 游钢筋 混凝 土 防 渗 面板 厚 0 ． 4 5 m， 面板后设 水平 宽 3 ． 0 m垫层 ， 垫层 后设水 平宽 4 ． 0 m 过渡 层 ， 过 渡层 后 为主堆 石 区 ， 下 游 为次堆 石 区 ， 下 游 坝面 为干 砌块 石护 面 ． 面板 与河 床和两岸基础相接处设趾板 ， 厚 0 ． 5 0 m， 宽 5 ． 0 m， 置 于基岩 强风化 中下 部 ～ 弱风化 上部较完整岩体 上 ， 趾 板 基础采用 固结灌 浆和锚筋 加固处理 ． 3 ． 2 溢洪道 泄洪建筑物溢洪道布置在大坝左岸 ， 为岸边开 敞式溢洪道 ， 其平面布置图( 见图 1 ) ． 图 1 岸边开敞式溢洪道 平面布置 图 溢洪道轴线方 位角为 N 4 1 ． 7 2 。 W ， 包括 引水渠 、 溢 流控制段 、 泄槽段和消力池段 ， 总长 2 2 0 ． 0 m ． 其 中引水 渠段 3 4 m， 渠底宽 1 2 m， 渠底高程 1 0 1 2 m； 溢流控制段 长 5 ． 4 6 m， 溢流堰采用WE S曲线， 净宽 1 2 m， 堰顶高程 1 0 1 5 m， 为开 敞式 自由溢 流 ； 泄槽段 长 1 5 6 ． 0 4 m， 槽 宽 为 1 2 ． 0 0 m， 坡 降 i=0 ． 5 5 ； 消 力 池 长 2 5 ． 0 m， 池 底 9 4 9 ． 6 0 m． 出口经坡降 i = 0 ． 0 0 2 接下游河道． 3 ． 3取 水兼 放 空管 取水兼放空管布置在右岸 ， 采取 “ 一洞多用 ” ， 即将施 工导 流洞 改 为放 水 洞 ． 隧洞 进 口布设 放 水 闸 门井 ， 采用 龙抬 头型 式 与 隧洞 连接 ． 洞 身穿 q ~ 8 0 0 放 水 钢管 ( 壁厚 1 0 m m) ， 出 口经分 别 与泵 站 和 闸 阀 室连接． 取水兼放空系统 ， 总长 3 7 7 ． 6 5 m， 其 中进水 口长 7 ． 7 m， 压 力管 道长 3 6 9 ． 9 5 m， 利 用导 流洞 洞身 穿 8 o 0取 水兼放 空 钢 管长 3 0 1 ． 9 6 m， 在取 水 兼 放 空管桩 号 0+3 6 6处 分 水 接 q ~ 5 0 0取 水 支 管 ( 壁 厚 6 mm) 至提水 泵 站 ， 其 总 长 2 6 ． 0 m． 进 水 口采 用 岸 塔式 结 构 ， 底 板 高 程 9 8 8 ． 7 m， 孔 口尺 寸 1 ． 2 r f l x 1 ． 2 m， 设平 板 检 修 门 一 道 ， 采 用 卷 扬 式 启 闭 机 启 闭 ； 闸孔前 端设 拦 污栅 ( 孔 口 1 ． 8 m 1 ． 8 m) ， 采 用 电动 葫芦 启 闭 ； 闸孔 后设 q ~ 4 0 0通气 孔 ． 4 混凝 土面板堆石坝结构优 化设计 计算 4 ． 1 坝顶 高程 在坝前水位 达到 9 9 2 ． 2 0 i n时， 入库洪峰 流量 1 3 5 m ／ s 对应 的库水 位不再上涨 ， 导 流隧洞 下泄 洪水 流量 1 1 0 m ／ s ， 过水流 速 7 ． 4 1 m ／ s ． 设计 坝前 度汛 水 位 9 9 2 ． 1 7 m， 相应拦洪库容 2 2 ． 3万 m ． 计算风速正 常情况取 W= 2 0 m ／ s ， 校 核情 况取 =1 4 m ／ s ， 计 算 风 区长度 取 D = 8 0 0 m， 坝顶 高程 按正 常运 用情 况 和 非常运用情况分别计算得坝顶高程成果( 见表 1 ) ． 表 1 坝顶 高程计算成果表 3 0 浙 江水利水 电学院学报 第 2 6卷 表 1 可 知 ， 坝 顶 高程 的 控制 情 况 为校 核 洪水 位 情况 ， 确定 坝 顶 高 程 为 1 0 2 7 m， 另 上 游 侧 增 设 1 ． 0 m 高 的 防浪墙 ， 墙 顶高 程 1 0 2 8 m． 4 ． 2筑 坝材 料 面板 和趾板 均采用 C 2 5混凝 土 ， 设 单层 双 向钢 筋 ， 水 平 向配筋率 为 0 ． 3 ％ ， 竖 向配筋率 为 0 ． 4 ％ ， 周 边缝 附近 增 加 加 强 筋 ， 趾 板 设 2 5锚 筋 与 基 岩 连 接 ， 单 根长 4 ． 5 I l l ， 锚 入基 岩 4 ． 0 m， 间距 1 ． 5 m． 筑 坝采用 人工 砂 石 料 ， 垫 层 料 最 大 粒 径 8 0／ I I lff l ， 小 于 5 m m 含量 宜为 3 0 ％ ～ 4 0 ％ ， 小于 0 ． 1 m m含量 宜控 制在 5 ％ 左 右 ． 过 渡层 最 大 粒 径 3 0 0 m m， 且 级 配连 续 ， 压 实 后 应 具 有 密 实 性 和抗 剪 强 度 ． 主 堆石 料 最大粒径 7 0 0 mm， 次堆石料最大粒径 9 0 0 m m， 下游 坝面 干砌块 石厚 4 0 0 m m． 4 ． 3大 坝分 缝和 止水 大坝面板混凝土采用滑模浇筑 ， 为适应坝体变 形， 面板设置 1 2条垂直伸缩缝 ， 垂直缝 间距 3 ． 5～ 1 5 m． 缝 底设一 道 W 型铜 止水 ， 缝 面涂 刷沥 青乳 液 ， 缝顶部 采用 G B弧 凸状 塑 性 填 料 ， 外 加 三 元 乙丙 复 合 板并 用不锈 钢 固定 封 闭保 护 ． 在 趾板 与 面 板 间设 周边缝 ， 缝 宽 1 2 m m， 缝 内设 1 2 m m 厚 沥 青 浸 渍杉 木板 ， 底部止水采用“ F ” 型紫铜止水片 ， 止水铜片中 间 凹槽 内嵌 设直 径 1 2 mm 的实 心 P V C棒 ； 顶部 “ V” 型槽 内设 q b 2 5 mm 的 P V C棒 ， 缝 顶 部 采用 G B弧 凸 状塑性 填料 ， 外加 三元 乙丙 复合 板 并用 不 锈 钢 固定 封 闭保 护 ． 防浪墙 与 面板 顶 部水 平 接缝 止 水 结 构 与 周边缝相同， 防浪墙伸缩缝分缝位置与面板垂直缝 在 同平 面位 置 ， 中部设 置铜 止水一 道 ． 4． 4坝基 处理 4 ． 4 ． I 坝基 开挖 大坝河 床段 趾板基 础 高程 9 7 7 ． 0 0 m， 趾板 宽度 为 5 ． 0 m， 对 两 岸 坡趾 板 在 强 风化 层 以上 应 开 挖 至 弱风 化岩 层． 对 局部 风 化夹 层 、 构 造破 碎 夹 泥 、 节 理 裂 隙均应 进 行槽 挖 并采 用 C 。 混凝 土 回填 至设 计 趾 板高程． 在趾板下游约0 ． 3～ 0 ． 5倍坝高范围内的堆 石体地基宜具备低压缩性 ， 开挖后不允许有妨碍堆 石碾 压 的反坡 和陡 于 1： 0 ． 2 5的 陡坎 ． 对 两岸 坡 段 趾板 基础 和堆石 坝 基 开挖 ， 全 部 或大 部 分 清 除强 风 化 岩体 ， 将 趾 板 、 垫 层 和 过 渡 层 设 于 强 风 化 层 下 部 ； 大 坝 下 游 坝 基 范 围 内 ， 清 除 表 面 土及 松 散 砂 砾石． 除受层面控制外 ， 强风化 岩体 内开挖边坡采 用 1 ： 0 ． 5 ， 覆 盖 层 1 ： 1 ． 开 挖 边坡 每升 高 1 0 ． 0 m 左右设 一级 马道 ， 马道 宽 1 ． 5 m． 在趾 板 和 坝基 开挖 中 ， 对 地 质 条 件 较 差 位 置 的 开 挖 边 坡 采 取 喷 锚 支 护 ， 布 置 2 5随机锚 杆 ， 锚杆 长 3 ． 0 m． 4 ． 4 ． 2 固结灌浆 在趾板基础开挖过程 中， 爆破震动可能使 岩体 松 动 ， 降低 其 承 载 力 ， 且 坝 址 区小 型 断 层 及 节 理 裂 隙较发 育 ， 岩 石 完 整 性 较 差 ， 为 提 高 岩 石 强 度 及 完 整 性 ， 需 对趾 板基 础进 行 固结 灌 浆并 对 断 层 破碎 带 进 行深 挖 回填． 固结灌 浆按 两排 、 孔深 6 m、 排 距 2 m 布 置 ， 总量 2 6 2 0／ 7 1 ． 4 ． 4 ． 3帷幕 灌浆 坝 址 出露 以碎 屑岩 类 为 主 ， 岩体 为 弱 含水 相 对 隔水层 ， 岩体受 裂隙切割和风化 作用的影响 ， 岩体 强至弱风化层 内透水性较强 ， 水库蓄水后存在坝基 ( 肩 ) 绕 渗 问题 ， 防 渗处理 措施 采用 防渗 帷幕 灌 浆方 案． 左岸帷幕线过溢洪道后顺坝轴线方 向沿岸坡 布 置 ， 右岸 同样近似顺坝轴线向岸坡延伸 ， 防渗边 、 底 界均以弱风化及以下完整岩体为防渗依托 ， 为接底 式帷幕． 大坝坝高 5 0 m， 属中坝， 防渗标准采用深入 透水率 q ≤3 L u的岩体 以下 5～1 0 m( 1～ 2段) 为帷 幕 底界 深度 ， 河 床 段 岩 石 透水 率 均 较 小． 防渗 主 要 考 虑坝 基扬 压 力 作 用 ， 结 合 大 坝 规 模 ， 坝 基 及 近 坝 肩段孔深按大坝 0 ． 6倍坝高考虑； 两岸则结合勘探 孔 压 水 实 验 情 况 ， 孔 深 以深 入 弱 透 水 岩 体 以下 约 1 0 m( 1— 2段 ) 左 右 为限 ． 因坝 基 岩体 主要 为砂 岩 ， 可灌性 一般 ， 设 计 孔 距 为 2 m， 孔 序 按 3序次 施 工 ． 河床帷幕孔深深入建基面以下 3 0 1 1 1 左右 ， 河床段 直接在趾板上施灌． 两岸坝顶高程 以上地形 陡峻， 地面灌浆施工难度较大 ， 为减少无效进尺且便于施 工 ， 宜 采 用 廊 道 式 灌 浆 ， 在 两 岸 设 灌 浆 平 洞 3 m 3 ． 5 m( 宽 高 ) 进行灌 浆 ， 左 岸灌 浆 平洞 长 约 2 4 m， 右岸灌浆平洞 长约 2 4 m． 帷幕起 灌 高程 为 9 1 5 ． O 0 m ( 正常蓄水位) ． 防渗帷幕灌浆钻孔总进尺 4 8 7 8 m， 帷 幕线总长约 3 1 2 m， 防渗帷幕有效总面积 0 ． 9 7万 m ． 5 结 语 ( 1 ) 根据坝址地形地质条件 ， 结合大坝建基面 和混凝土面板坝枢纽坝体结构布置及现场施工等 因素 ， 经设 计 方 案 的优 化 调 整 ， 水 库 枢 纽 总 体 布 置 方案 为 ： 混 凝土 面板 堆石 坝 +岸边 溢 洪 道 +取 水 兼 放 空管 ( 利 用 导 流 洞 ， 洞 内穿 管 ) ． 大 坝 为混 凝 土 面 板堆石坝 ， 最大坝高 5 0 ． 0 m． ( 2 ) 坝 体从 上 游 到 下游 依 次 为 0 ． 4 5 m厚 钢 筋 ( 下转 第 3 5页 ) 第 4期 翟泽冰 ： T E N D A H O大坝溢洪道钢 梁预应 力锚杆 断裂事故处理 3 5 ( 上接 第 3 0页 ) 混凝 土 防渗 面板层 ， 水 平宽 3 ． 0 m 垫层 ， 水平 宽 4 ． 0 m过 渡层 ， 上游 主堆 石 区 ， 下游 次 堆 石 区 和下 游 干砌 块 石护 面层共 6分 分 区． ( 3 ) 经 多次 方 案 优 化 调 整 和 大 坝 建 基 面 实 际 条 件 ， 采 取 局 部 深 挖 C 2 0混 凝 土 回填 、 固结 灌 浆 、 帷幕灌浆 等 防渗 加 固措 施 ， 对 大坝 坝基 、 两岸 坝 肩 、 坝体 等 进行 加 固处 理 ， 坝体 各结 构 特性 满 足 《 混凝土 面板堆石坝设计规范》 ( S L 2 2 8— 2 0 1 3 ) 相 关 要 求 ， 为工 程 安 全 可 靠 施 工 建 设 提 供 了重 要 技 术 指 导 ． 参考 文献 ： [ 1 ] 郦能惠 ， 杨泽艳． 中国混凝土面板堆石坝的技术进步 [ J ] ． 岩土 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6] 工程学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 3 6 1 —1 3 6 8 杨泽艳 ， 周建平 ， 蒋 国澄 ， 等． 中 国混 凝土 面板堆 石坝 的发展 [ J ] ． 水力发 电， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 2 ) ： 1 8—2 3 ． 郦能惠． 高混凝 土面板堆 石坝设计理 念探讨 [ J ] ． 岩土工程 学 报 ， 2 0 0 7， 2 9 ( 8 ) ： 1 1 4 3—1 1 5 0 ． 耿灵生 ， 刘 云 ， 刘莉莉 ， 等． 堆石混凝土技 术在邢家峪水库 的 应用 [ J ] ． 水科学与工程技术 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ： 6 5—6 6 ． 马勋 骋． 街 面水 电站 混凝 土面 板堆 石坝 主要 技术 问题 探 讨 [ J ] ． 水利科 技与经济 ， 2 0 0 6， 1 2 ( 1 0 ) ： 6 9 7—6 9 9 ． 接显亮 ， 邓文泽． 营 口市玉石水库取水坝段优化设计[ J ] ． 水利 科技与经济 ， 2 0 1 3 ， 1 9 ( 5 ) ： 3 8— 3 9 ， 4 1 ．