纳子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计.pdf

第 4 8卷第 1 1 期 2 0 1 2年 l 1 月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA T E R R 1 0 UR C E S A ND I t YD ROP OWE R T E CHN OL OGY Vo 1 4 8 N o 1 1 N0 7 ， 2 0 1 2 设计与研究 纳子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计 赵斌 ( 甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 纳子峡混凝土面板砂砾石坝最大坝高 1 2 1 5 m， 位于海拔 3 0 0 0 m以上的高寒地区。工程区砂砾石储量丰富， 结合当地具体情况设计坝体采用全断面砂砾石填筑， 既在高寒地区的砂砾石筑坝工程实践中做 了有益的探索， 又降 低了工程造价。文章对坝体的各区结构、 填筑材料、 设计情况进行 了较详细的介绍， 并且通过相应的试验、 计算结果 对设计方案进行 了复核验证。 关键词： 混凝土面板砂砾石坝； 结构； 填筑材料； 试验； 计算 中图分类号： T V 6 4 1 4 3 文献标志码 ： B 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 2 ) 1 1 - 0 0 3 2 0 3 1工程概 述 纳子峡水 电站处青海省东北部的门源县燕麦图 呼 乡和 祁连县 皇城 乡 的交 界 的大通 河 上游 末 段 ， 是 大通河流域水利水 电规划 l 3 个梯级 中的第 4座水 电站。电站开发方式为混合式 ， 上接海浪沟水电站 ， 下连石头峡水电站 ， 水库正常蓄水位 3 2 0 1 5 0 m， 校 核洪水位 3 2 0 2 3 8 m。 总库容为 7 3 3 x 1 0 m ， 最大坝 高 1 2 1 5 m， 属 大 ( 2 ) 型工程 。 枢 纽 区主要 建筑 物包括 混凝土 面板砂砾 石坝 、 右岸开 敞溢洪道 、 左岸 导流洞 ( 后改建龙抬头泄洪洞) 、 左岸引水发 电系统等。其 中混凝 土面板坝为 1 级建筑物 ， 其它主要建筑物为 2级 ， 次要建筑物为 3级。电站总装机容量 8 7 M W， 多年平均发 电量为 3 1 0 6亿 k W h 年利用小时数 3 5 7 0 h。 纳子峡工程区海拔在 3 0 0 0 m以上 ， 根据 门源 县气象站资料 ， 本地 区多年平均气温 O 5 ， 历年极 端最高气温 2 7 7 。 极端最低气温一 3 4 1 ， 多年平 均降水量 5 2 5 m m 多年平均蒸发量 1 1 3 7 4 m m， 历年 最大积雪深度 1 9 0 c m 最大冻土深度 2 0 0 c m。 年绝 对无霜 期 5 1 d 。 2天然建筑 材料 根据现场地质勘察 ， 纳子峡工程 区砂砾石储量 丰富 ， 按预估填筑方量最终选定位于坝址区下游大 通河右岸出山口 I 阶地距离坝址 0 5 1 9 k m的 C l 料场为大坝填筑主料场。料场产地面积为 1 O 5 k m ， 无用层厚度 0 2 0 一 一 1 0 m。 有用层开采厚度 3 9 1T I ， 有用层砂砾石储量 5 6 4 8 1 万 m 3 。按 由上游至下 游 ， 由近及远的原则 ， 料场分为 A、 B 、 C、 D、 E、 F六个 区 ， 其 中 F区砂砾料基本属级配 良好 区， 曲率 系数 2 0 9 7 、 平均 5 4 ， 不均匀系数 7 2 1 8 1 、 平均 1 5 0 。 根 据 颗 粒 级 配 实 验 C l料 场 砂 砾 石 料 粒 径 小 于 4 0 0 mm。粒 径 4 0 0 3 0 0 mm 占 6 8 4 ， 3 0 0 1 5 0 m m 占 1 0 9 6 ， 1 5 0 5 m m 占 6 0 7 2 ， 5 o 0 7 5 m m 占 1 8 8 8 ， O 0 7 5 m m 占 2 6 ， C 1料场砂砾石料级 配 曲线见图 1 。 根据室内实验 Cl 料场砂砾石料天然情 况下密度 2 1 8 g , c m3 ， 内摩擦角为 3 3 。 ， 渗透系数 1 1 0 - 2 2 5 x 1 0 - 2 e m s ， 相对密度 0 6 5 。 C 1 料场砂砾石料为冲积砂卵砾石层 ， 磨圆度一 般 ， 多呈亚圆状、 次棱角状 ， 现场实验表明， 砂砾石料 含泥量较低 ， 级配较好并且离散性较低 ， 是理想的筑 坝材 料 。 薜 擀 + -IH 什 土 一 扯 ll I f 1 暑 L l ：1 _唧 L l_ jj - 一 ： I rfr 1 _ ：十 # 一L 叫 I I - t ! lI J I 1 j I 1 墓 f j ll 1 1 】 I【 1 I【 1 川 i 1 汪 楚 I： ： 寸 r i l o o 1 O l 粒径 ram 图 1 C 1料场砂砾石级配曲线 3坝体结构及填筑材料设计 坝体典型剖面图如图 2所示。 收稿 日期： 2 0 1 2 1 1 - 0 6 作者简介： 赵斌( 1 9 8 1 一 ) ， 男， 甘肃岷县人， 工程师， 学士， 主要从事水利水电工程t 殳汁、 新能源发电工程设计。 3 2 加 如 加 m 0 9 6 忸 酶嘟如 巢眯 七 第 l l 期 赵斌 ： 纳 子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计 第 4 8卷 图2 纳子峡混凝土面板砂砾石坝典型剖面 3 1 坝顶 及坝坡 设计 大坝坝顶高程 3 2 0 4 6 m， 宽度为 1 0 m。坝顶 上游侧设置 “ L ” 形钢筋混凝土 防 浪墙 。墙 底 高程 3 2 0 2 5 m， 墙顶高程 3 2 0 5 8 m， 墙 高 3 3 m， 坝顶以 上墙高 1 2 i n 。上游侧底部设 1 1 m宽检修人行道 ， 底部翼缘与混凝土面板相接。 大坝上游坝坡 l ： 1 5 5 ； 下游面设置 3条 3 m宽 的水平马道一级马道以上 坡比为 1 ： 1 6 一级马道以下坡 比为 1 ： 1 5 5 。 3 2 坝体分 区及填筑材料设计 ( 1 ) 壤 土铺盖 区 ( 1 A) 壤土铺盖顶部高程 3 1 3 5 0 m， 顶宽 3 m， 上游坡 1 ： 1 7。 ( 2 ) 盖重 区 ( 1 B ) 用建筑物开挖任意料填筑， 顶部高程 3 1 3 5 0 m， 顶宽 5 m， 上游坡 比 l ： 2 O ， 以保护砂壤土铺盖不受破 坏 。 ( 3 ) 垫层区( 2 B) 垫层设计水平宽度 3 m， 等宽布置。 考虑坝址区 位于严寒地区， 为防止面板的冻胀破坏 ， 垫层料需具 有一定的透水性 。根据对 C l料场 F区砂砾石料分 析 ， 将 天然级配中的大于 8 0m m的粒径筛 除 ， 剩余 料粒径小于 5 m m的颗粒含量 3 5 1 6 3 8 3 0 粒径 小于 0 0 7 5 m m 的颗粒 含量 为 2 5 6 5 0 2 如 图 3 所示 。从级配 曲线看， C l 料场 F区砂砾石料直接筛 除掉 大于 8 0 mm的料后整体级 配基本满足垫层料 的要求 。因此垫层料采用将天然砂砾石料大于 8 O mm粒径筛除后直接使用的方案。 垫层料最大粒径 8 0 mm，粒径小于 5 mm的颗 粒含 量 3 0 4 5 ，粒 径 小于 0 0 7 5 mm 的颗 粒含 量 小于 6 ， 干密度不小 于 2 3 0 g c m。 ， 相对密度不小于 O 8 5 ， 渗透系数为 k x l 0 - Z - k 2 x l O - 3 e m s 。 j 。 I ； I 1 j I I I l f l 垫 七 线 F f 线 l 上 一 u I !J ! + l l I 1 【 ： I j I l i i l J l I I l I l 一 士 一 ； 、D f F l l： l 、 l l ：湃 k l 、 l I ! I l l l I r j I - I 、 l j 、 、 + 一 一 - 、 l l l f I l l l 1 o o 1 O l 粒径 m m 图 3 垫层料要 求级 配上 、 下包线及 天然 料筛除大于8 O mm后级配曲线 ( 4 ) 砂砾石 区( 3 m ) 该 区位 于 垫 层 料 与 排水 体 之 间 。 顶 部 高 程 3 2 0 2 5 I T l ， 宽 3 0 m， 上下游坡度随垫层及排水体变 化而变化 ， 底部高程 3 0 8 3 1 0 i n 。根据坝料试验研究 成果，认为本区直接采用天然砂砾石料能够满足与 垫层料之间水力和变形模量过渡的要求。3 B 1 级配 上 、 下包线及天然料级配曲线如图 4所示。 3 B 1料最大粒径 4 0 0 0 m m，粒径小于 5 m m的 颗粒含量 1 6 2 8 ，粒径小于 0 0 7 5 m m的颗粒含 量小于 6 ， 干密度不小于 2 2 8 dc m ， 。 相对密度不小 于 0 8 5 ， 渗透系数为 k l O 之c m s 。 ( 5 ) 排水体区( 3 F ) 排水体区分为竖 向排水及水平条带排水 ，竖向 排水顶部高程 3 2 0 2 5 m， 水平宽 3 0 m， 上下游坡分 3 3 加 蚰 如 加 m 0 9 6 丑 嘴卿姐 巢 、 f ， 2 0 1 2年第 1 1 期 甘肃水利水电技术 第 4 8 卷 “ l 皿 咖 缸 球 1 L L i L J r 卜 一 肄 ： 十 1 1 上 包 线 I l ，f l1 1 下包线 I f - f + I I l 1【 # 一 上 l 广 t 一 1 什一 二 I r j l 【 J l j 】 ； 一 丰 一 ； 一 二 二 I I I 【 I i r 竹 一 一一 l 卅 I L f L 1 十 i f j m l 1 1 I l l l l O o o l o o 1 O l 粒径 m m 图 4 3 B 1料要求级配上 、 下包线及天然料级配 曲线 别按 l ： 1 1 和 1 ： 1 0沿高程渐变 高程 3 0 9 5 8 m处与 水平排水相接 ； 水平排水分为 4个条带， 每个条带宽 1 0 0 m、 高 4 0 m， 条带之间相间 l 3 5 m； 下 游坝坡 3 0 9 9 O 0 m高程设排水棱体 ，排水棱体顶宽 3 m， 内 坡 1 ： 1 0 ， 外坡 l ： 1 5 5 。 竖 向排水料采用天然砂砾石料场筛 除小于 5 mm颗粒 的料 场砂砾 石 ，干 密度不 小于 2 2 0 d m ， 相 对密度不小于 0 7 5 ， 渗透系数 k l O c m s 。 水平条带排水采用建筑物开挖石碴堆存料 ， 排 水料要求最大粒径 4 O 0 m m， 粒径小于 5 m m 的颗粒 含量 不大 于 1 5 ， 粒 径小 于 0 0 7 5 mm 的颗粒含 量 不 大于 5 ， 级配连续 ， 干密度不小于 2 2 0 d m ， 孔隙率 不大 于 1 9 1 ， 渗透 系数 k l O c m s 。 ( 6 ) 砂砾 石 区( 3 B 2 ) 该 料 区是 大坝 的 主料 区和 主要 承 载结 构 ， 排 水 体下游均为该区。 采用天然砂砾料填筑。3 B 2最大粒径 4 0 0 m m， 粒径 小 于 5 mm， 颗粒含 量 1 6 3 1 ， 粒 径 小 于0 0 7 5 m m 的颗粒含量小于 8 干密度不小于 2 2 5 g e m ， 相对密度不小于 0 8 0 渗透系数 k l O 之c m s 。 ( 7 ) 下游护 坡 由于下游坝体为砂砾石填筑 抗震能力低于堆 石 料 ， 因此后 坝坡设计 上缓 下陡 ： 一级马 道 以上 设 置 为 1 ： 1 6 ， 护坡 采用浆砌石 ； 一级 马道 以下设 置 为 1 ： 1 5 5 护坡采用于砌石 ： 厚度均为厚度 6 0 c m。 4坝料试验及坝体计算 4 1 坝 料渗 透试验 为了解各 区坝料的渗透稳定性及各区之间的水 力过渡情况 ， 专门进行了坝料渗透试验 。试验结果 表明， 各 区的坝料渗透参数 良好 ， 满足设计要求 ； 在 各 区组合渗透时， 坝料临界坡降均有所增大 ， 垫层一 砂砾石料层 3 B 1 一 排水体之间满足水力过渡稳定要 求 ， 相互满足反滤要求 ， 不需要增设反滤或保护层 ： 试验 中排水体上 、 下游测压管数值基本相 同 说明排 水体对渗透水头损失影响微弱 ， 透水性 良好。 4 2 填筑材料力学特性研究 为了解筑坝各区料的力学特性 ，对主要筑坝材 料进行了相对密度试验、 大型压缩试验 、 大型静力三 轴剪切试验和大型动力三轴试验。试验级配采用相 似级配和等量替代混合法进行。根据试验成果 工 程坝体筑坝材料力学指标较高 ，是较理想的筑坝材 料。 4 3坝体渗 流稳 定有 限元分析 根据设计方案及试验参数 ，对大 坝体和坝基 的渗流场及其渗透稳定性进行 了三维确限元计算 ， 模型采用基于多孑 L 介质的渗流理论 的等效连续介质 模型。 计算结果显示 ： 混凝土面板的渗透坡降较大、 能 够消减总水头 8 0 左右 ，坝体其他料区的渗透坡降 均较小 ，坝体各料区的最大渗透坡降均小于材料的 允许渗透坡降，可以满足渗透稳定要求。条带式水 平排水体较全断面通铺方案坝体浸润面略有抬高 ， 但仍在水平排水体高程之内， 并不影响排水效果 ， 对 整个渗流场的影响也是微小的。 4 4 坝 体静 动力有 限元分 析 采用三维非线性有限元静动力分析计算 ，仿真 大坝填筑和水库蓄水过程研究大坝在施工期和蓄 水期的变形和应力特性 ，以及强震作用下的地震反 应特 性 。 根据三维静力分析 ，竣工期 坝体 的最 大沉降 为一 8 0 6 m m，约占最大坝高( 包括覆盖层厚度 ) 的 0 6 7 ； 蓄水期 ， 坝体的最大沉降为一 8 2 1 m m， 约 占最 大坝高的 0 6 8 ： 从应力水平分布来看 ， 坝体各断面 的应力水平均不高 ， 在 0 2 0 0 8 5范围内， 坝体内没 有 出现明显的剪切破坏区，表明坝体在当前荷载情 况 下是稳 定 的。 根据三维动力分析 。 在 5 0年超越概率 1 0 Z向 地震作用下 ，坝体的最大剪应力反应为 2 4 1 k P a 坝 体各单元不会产生动力剪切破坏。坝体的地震永久 最大沉降为 5 2 2 m m， 约为坝高的 0 4 3 。地震期间， 坝顶下游坡安全性基本满足要求。 5结论 ( 1 ) 为了充分利用纳子峡坝址 区丰富的砂砾石 料源 ， 在总结以往设计经验的基础上 ， 对纳子峡整个 坝体均采用天然砂砾石填筑的设计 ，既在砂砾石筑 坝的工程实践中进行了有益的探索 ，又降低大坝的 造价 ， 取得了良好的技术、 经济效益。 ( 2 ) 在 大坝坝体设计 中 ， 采用( 下转第 4 8页) 印 加 如 如 加 m O 2 0 1 2年第 1 1 期 甘肃水利水 电技术 第 4 8 卷 排放高浓度尾水 8 7 2万 m 。 5 4高浓度尾水处理工程 浓缩水处理是淡化水项 目的关键问题 ， 可通过 回注地下 、 蒸发 、 渗漏和汛期洪水排放的办法进行处 理。具体措施为： 打 1 0 0 0 m左右深井 2眼， 通过 加压方式将部分 尾水 注入地下 ，按照每井 日处理 l 0 0 0 I T 1 0 计算 ， 年 可处理 3 6万 m 0 ， 浓缩 水 回注地 下是 国际上 目前普遍采用的方法 ， 相对 比较可靠 。 在环江左岸成长沟修建小型水库一座，将剩余 5 1 2万 m ， 浓缩水注入其中。 汛期随大洪水排放不超 过 1 O万 m ， 再通过土壤少量渗漏 2万 m ， 其他不足 4 0万 I I 1 的浓缩水将通过蒸发变为干物质 ，定期收 集作为商业用途 ， 或者按照垃圾填埋标准进行填埋。 蒸发。洪德至庆城段年降雨量为 4 0 1 m m， 蒸发量 为 l 0 1 7 m m 每年 可 蒸 发 6 0 0 m m， 因此 4 0万 m 的 浓缩水需要 0 7 k m 左右的土地面积。 成长沟位于马 坊 川 沟 口下 游 1 5 k m处 ， 流 域 面 积约 1 5 k m 2 其 中 主沟长度约 5 k m ， 沟 口高程 l 2 5 5 m， 沟上下游高程 差约 7 0 m。 沟底宽约 1 5 0 m， 沟内较平 ， 利于蒸发。 为 了能够满足蒸发需要 ， 在沟口建 0 5 k m 的蒸发池。 马莲河上游苦咸水淡化工程预定处理规模为每 天 7万 t 。 在 内陆地区 尚无这样大的规模 。 同时 ， 马 莲河苦咸水处理毕竟不同于一般 的海水淡化 ， 主要 表现在河水 的含沙量较大 、不同季节含盐量也不一 样 、 水中悬浮物和细菌对淡化膜有较大影响 、 为了减 少高浓度尾水排放量 ，要求的处理程度高达 9 0 以 上 ，所有这些 ，都直接影响苦咸水淡化工程的可行 性。因此 ， 为了保证项 目的顺利实施 ， 去年底 ， 庆阳 市按排了 3 0 0万元的专项经费 ，先期开展规模较小 的中试实验 ， 以便取得相应 的设计参数， 并最终确定 淡化工艺和避免将来工厂运行中可能出现 的问题。 根据艾奕康环境设计有限公司( 上海 ) 试验 ， 初步取 得的数据分析 ， 马莲河苦咸水完全可以淡化利用 ， 运 行成本处于可以接受的范围内。 6结论 与建 议 庆阳市正在建设国家大型能源化工基地 水资 源已成为区域社会经济发展的主要制约因素 ，在不 考虑流域调水的前提下 。要满足区域社会经济发展 的需要 。 必须实现对马莲河的综合开发和利用 而对 马莲河上游苦咸水的治理和利用是实现马莲河水质 全面改善和综合开发利用的基础。 为了顺利的实现苦咸水资源的开发利用 ，需要 国家和地方政府加大投入 。 给予政策和财政支持 ， 建 设投资应采取受益户为主、 国家扶持的方式。同时， 马莲河上游苦咸水 的治理改善了全流域水体环境 ， 可以申请政策、 水价等方面的优惠。 ( 上接 第 3 4页) 大量 的试验 、 计算对坝体结构设计 进行指导和验证 ， 各方面均表明大坝 的总体设计是 合理可行 的。 ( 3 )目前在海拔 3 0 0 0 m以上的高寒地区， 百米 级混凝土面板砂砾石坝的设计经验并不丰富 ， 纳子 峡大坝的设计 、 施工为类似地区今后的建设提供了 经验 。 参考文献 ： 1 蒋国澄， 傅志安， 凤家骥 ? 昆 凝土面板坝工程 M - 武汉： 湖 北科学技术 出版社 ， 1 9 9 7 2 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会 中国混凝土混凝土堆石坝 2 0年 M 北京： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 3 曹克明， 汪易森 混凝土面板堆石坝 M 北京： 中国水利 水电出版社， 2 0 0 8 4 宋永杰， 袁辉 黑泉混凝土面板砂砾石坝设计 J 西北 水电， 1 9 9 7 ， 1 5 ( 1 ) ： 1 2 l 4 5 汪洋， 曲苓 乌鲁瓦提砂砾石面板高坝渗流控制的设 计 J 水利水电技术， 2 0 0 0 ， 3 l ( 1 ) ： 6 6 7 0 ( 上接 第 4 5页) 图 4已建堤 防基础外露 4建 议 ( 1 ) 建议计算每个断面的平 、 斜冲值 ， 选取冲刷 深度计算值时均以斜冲结果为依据。 ( 2 ) 采用斜冲计算公式时对夹角 的取值应依 据主河槽分析选取 ，不应按照设计堤线是否平顺而 区分平冲 、 斜冲段。 ( 3 ) 参照工程区附近相近河段已建堤防工程运 行现状 ，原设计基础埋深值是否在运行过程中满足 堤防运行要求， 在设计中需充分考虑。