狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计的一种创新与实践.pdf

水利水电技术第 4 3卷2 0 1 2年第 9期 狭 窄河谷混凝土面板堆石坝设计 的 一 种 创 新 与 实践 汪 洋 ( 新疆水利水 电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要 ：通过 两个工程 实例 ，借鉴深厚覆盖层上混凝土面板堆石坝坝基防渗处理理念并结合混凝土面 板堆石坝改善不良地形地质缺陷所采用的高址墙等新的筑坝技术 ，介绍了将上游围堰与混凝土面板堆 石 坝坝 体相 结合 的 混凝 土 面板 堆石 坝新 的 结构 型式及 其 上游 围堰设 计 的基本 要 求 。 关键 词 ：混凝土 面板 堆石 坝 ；上 游 围堰 ；围堰 与坝体 相 结合 ；筑 坝技 术 ；新 疆 中图分类号 ：T V 6 4 1 4 ( 2 4 5 ) 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 3 9 0 4 An i nno v a t i o n a nd pr a c t i c e of d e s i g n o f c o nc r e t e f a c e r oc kfil l da m i n n ar r o w v a l l e y W ANG Ya ng ( X i n j i a n g S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ，U r t i m q i 8 3 0 0 0 0 ，X i n j i a n g ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h r o u g h t w o c a s e s o f a c t u a l p r o j e c t s ，a n e w s t r u c t u r a l p a t t e r n o f c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m b a s e d o n t h e c o mb i n a t i o n b e t we e n u p s t r e a m c o ff e r d a m a n d t h e d a m b o d y i s d e s c r i b e d h e r e i n a l o n g wi t h t h e b a s i c r e q u i r e me n t o n t h e d e s i g n o f i t s u p s t r e a m c o f f e r d a m b y t h e r e f e r e n c e f r o m t h e c o n c e p t o f t h e a n t i s e e p a g e t r e a t me n t o n t h e f o u n d a t i o n o f t h e c o n c r e t e f a c e r o c k fi l l d a m o n d e e p o v e r b u r d e n a n d i n c o mb i n a t i o n wi t h t h e n e w d a m c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s s u c h a s h i g h t o e wall ， e t c a d o p t e d f o r i mp r o v i n g t h e g e o l o g i c al d e f e c t s o f p o o r t o p o g r a p h y f o r c o n s t r u c t i o n o f t h e d a m Ke y wo r ds：c o n c r e t e f a c e r o ck fil l d a m ；u ps t r e a m c o f f e r da m；c o mb i n a t i o n be t we e n c o f f e r da m a nd da m bo d y；d a m c on s t r uc t i o n t e c h n i q u e ；X i n j i a n g 1 问题的提出 1 1 新疆混凝土面板堆石坝导流系统的设计与施工 特点 新疆河流径流补给是以高山区永久积雪和冰川消 融为主要补给源 ，河流全年来水量 的 6 0 以上集 中 在 6月 、7月 、8月这三个 月中。新疆 的气候 特点是 冬季严寒且时间长 ，每年 1 1月至次年 3月平均气温 低于 5 0 c c，每年有效施工工期较短。 受新疆气候条件和水文特性的制约 ，工期安排一 般是 ：汛期过后 9月份河道截 流，1 1月份进入冬季 ， 第二年 4月份可正常施工 ，5月份进人桃花汛，6月 份进入主汛期 ，河道截流后到第二年汛前有效施工工 期较短 ，故新疆地区混凝土面板堆石坝的上游 围堰多 采用全年围堰 。 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o po w e r En g i n e e r i n g Vo l 4 ， No 9 1 2 狭窄河谷中混凝土面板堆石坝上游围堰采用全 年围堰存在的问题 由于河谷狭窄 ，施工期上游 围堰 的调蓄 能力 较 差 ，导致上游围堰较高和导流洞规模较大 ，在后期将 导流洞改建成泄洪洞 时，导流洞断面不能充分利用 ， 枢纽布置也不紧凑 。另外 ，狭窄河谷 中部面板 向上游 延伸较远 ，面板整体体形不好 ，同时狭窄河谷 中趾板 布置相对困难。 2 降低导流系统规模优化枢纽布置的新思路 为克服混凝土面板堆石坝采用上游全年围堰所带 来的不利影响，结合 目前深厚覆盖层上修建混凝土面 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 - 2 9 作者简介 ：汪洋( 1 9 5 9 一 ) ，男 ，教授 级高级工程师 ，副总工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汪洋狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计的一种创新与实践 板堆石坝和为改善不 良地形地质缺陷采用高址墙等新 的筑坝技术 ，研究上游围堰与上游坝体相结合的可能 性。 2 1 混凝土面板堆石坝为改善不 良地形地质缺陷而 采用高址墙技术上可行 ( 1 ) 青海小于沟水库 ，最大坝高 5 5 0 m，坝轴线 上游河道弯曲，为改善面板布置条件 ，在上游布置一 最大墙高 2 1 0 m的重力式混凝土高挡墙 ，混凝土面 板与挡墙顶部连接 ，工程运行多年 ，一切正常。 ( 2 ) 甘肃龙首二级 ( 西流水) 水 电站混凝土面板堆 石坝，最大 坝高 1 4 6 5 Il l 。坝址 区河 道弯 曲呈 “ n” 型 ，河谷狭窄 ，为修正面板体型，在河谷转弯处设置 了最大高度为 3 9 8 i n ，最大底宽 3 1 0 m的重力式混 凝土高趾墙。 ( 3 ) 黄河公伯峡水电站最大坝高 1 3 2 2 m，左、右 岸重力式混凝土高址墙高度分别为 3 8 0 m和5 0 0 m。 以上工程实例说 明，混凝土面板与高址墙连接在 技术上是可行的，工程运行是正常的，但以上工程混 凝土高址墙均为重力式结构 ，混凝土体积较大。 2 2 在深厚覆盖层上修建混凝土面板堆石坝技术上 可行 ( 1 ) 察汗乌苏水 电站混凝土面板砂砾石坝 ，最大 坝高 1 1 0 0 m，河床深厚覆 盖层最大深度约 4 7 0 m， 采用 4 1 8 m深的槽孑 L 混凝土防渗墙进行防渗处理 。 ( 2 ) 九甸峡混凝土面板堆石坝，最大坝高 1 3 6 5 l I 1 ， 河床深厚覆盖层最大厚度为 5 6 0 m，坝基采用 2 8 8 m 深的槽孑 L 混凝土防渗墙进行防渗处理。 以上工程实例说明，在深厚覆盖层上修建混凝土 面板堆石坝 ，坝基采用槽孔混凝土防渗墙进行防渗处 理 ，坝体结构设计 ，混凝土面板与防渗墙连接形式都 已取得了成熟的设计经验。 2 3 横 山扩建坝心墙坝扩建成混凝土面板堆石 坝技术上可行 横 山水 库原 大 坝为 粘 土心 墙砂 砾 石 坝，坝 高 4 8 6 m，扩建后坝高 7 0 2 m，扩建加高部分坝体采 用混凝 土 面板 防渗 ，老坝 体及 坝 基采 用 最大 墙 深 7 2 2 6 m的混凝土防渗墙防渗 ，扩建后 的坝型为混凝 土面板堆石坝 ，混凝土防渗墙与混凝土面板间采用趾 板连接 ，工程运行情况 良好。 2 4 降低导流系统规模优化枢纽布置的新思路 借鉴深厚覆盖层上混凝土面板堆石坝坝基防渗处 理理念 ，将上游重力式混凝土高址墙设计成一个防渗 结构( 由重 力式混凝 土高址墙 变成较薄 的 防渗墙 型 式) ，将窄河谷 中上游 围堰做成堆石坝 ，上游 围堰防 渗体采用混凝土刚性心墙 ，围堰堆石体的筑坝材料及 压实标准与大坝主堆石区相同，上游边坡按大坝的永 久边坡稳定要求设计 ，心墙基础处理和防渗处理与大 坝基础处理和防渗处理要求相同，在大坝结构设计时 将上游围堰与混凝土面板堆石坝坝体相结合 ，大坝混 凝土防渗面板与上游围堰中的人工混凝土高防渗墙顶 部连接 ，并采取合适的结构措施 ，保证防渗系统 的连 续性( 防渗 系统不破坏) ，组合成一种新的混凝 土面 板堆石坝结构型式 ，这样 ，上游围堰与混凝土面板堆 石坝上游坝体相结合是可行的。这种布置形式可缩短 狭窄河谷部位的面板长度 ，优化 了防渗面板的体形 ， 使面板应力和周边缝变形得到了较好 的改善 、同时减 少了面板工程量 、缩短了施工周期 ，减小 了施工难度 等( 见图 1 ) 。 图 1 混凝土面板堆石坝坝基防渗结构示意 3 工程设计实例 3 1 吉音水利枢纽工程 3 1 1 工 程 概 况 吉音水利枢纽工程位于新疆于田县境内，水库总 库容 0 8 2亿 m ，电站装机 3 4 MW，吉音水库 目前已 开工建设 ，预计 2 0 1 2年截流。 坝址处河谷呈“ u ” 形，现代河床为靠近右岸的下 切深河槽 ，水面宽 1 1 i n左右 ，两岸为高 3 5 5 0 I l l 的 基岩陡坡 ，河槽上开 口宽度约为 7 0 m左右。右岸 山 体基岩裸露 ，自然边坡 4 0 。 5 0 。 ，左岸为一宽 3 0 0 5 0 0 i n的级阶地面。 3 1 2大坝设 计 大坝为混凝土面板堆石坝 ，最大坝高 1 2 4 5 I l l ， 坝顶宽度为 1 0 m，坝长 4 8 9 i n ，上游坝坡 1 ： 1 4 ，下 游最大断面综合坡度约为 1 ： 1 5 4 。上游围堰建成一 水利水电技术第 4 3卷2 O 1 2 年第 9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 座堰顶较宽的刚性混凝 土心墙坝，围堰堰体和防渗体 按大坝主体工程的要求进行设计 和施工 ，做成上游围 堰与混凝土面板堆石坝相结合 的结构型式，上游围堰 中的刚性混凝土心墙就是混凝土面板堆石坝在现代河 床下切深河槽部位 的高趾墙，在防渗墙顶部通过连接 板与混凝土面板堆石坝趾板相连 ，人工混凝土高防渗 墙墙高 4 0 6 0 m，顶宽 2 0 n l ，最大墙高处底宽4 0 l i t ， 防渗墙基础位于强风化层底部相对坚硬的岩石上，纵 向 1 5 2 0 m设 一条垂直 伸缩缝 ，缝 内设铜止水 ，对 底部基础进行 固结灌浆和帷幕灌浆( 见图 2 ) 。 在人工混凝土高防渗墙上游侧填筑较宽的堆石支 撑体 ，支撑体顶部高程 与人工混凝土高防渗墙 同高， 顶宽 1 5 m，上游坡度 1 ： 2 0 ，坝料质量要求和碾压标 准同大坝主堆石区，在上游支撑体与截流堤之间 回填 弃渣料。 3 1 3 三维有限元应力和 变形分析 对设有人工混凝土高 防渗墙 ( 防渗结构 ) 的混凝 土面板堆石坝这种结构型式 ，大家最关心的是人工混 凝土高防渗墙 的拉应力及水平连接板和周边缝之间的 变形 ，通过对混凝土面板堆石坝进行三维有限元应力 和变形分析 ，计算结果如下。 ( 1 ) 现浇高防渗墙的应力 ：当混凝 土防渗墙底部 坐在弱分化岩石上，此时防渗墙按嵌 固条件计算 ，竣 工期混凝土高防渗墙最 大拉应力为 3 6 MP a ，发生在 下游侧的底部局部范围。满蓄期混凝土高防渗墙最大 拉应力为 5 7 M P a ，发生在上游侧的底部局部范围 ， 防渗墙变形时墙体底部应力较大。与河床覆盖内槽孔 混凝土防渗墙不同 ，其底部沉有石渣 ，槽孔混凝土防 渗体受约束较小 ，因此墙体底部应力较小 ，但从防渗 汪洋狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计的一种创新与实践 层存在对防渗是不利的。 ( 2 ) 连接缝的位移：人工混凝土高防渗墙和连接板 之间的连接缝沿连接板法向最大剪切位移在满蓄期 、地 震中和震后分别为 1 8 0 e m、2 O 1 e m和 2 3 2 e m，均发 生在河床中部附近的连接板处 ，各连接缝的其他位移量 值均很小。这样量级的变形完全可以为现代止水结构所 吸收而不失去防渗的连续l 生，确保工程的防渗安全。 3 2斯木塔斯水 电站工程 3 2 1 工程 概 况 斯木塔斯水电站位于新疆昭苏县境内 ，大坝为混 凝土面板砂砾石坝 ，总库 容 1 4 4 9亿 i n ，电站装机 容量为 1 I O MW。本工程于 2 0 0 9年 8月开工 ，2 0 1 0年 9月截流 ，计划 2 0 1 2年 7月第一 台机组发电。 斯木塔斯水电站坝址位于峡谷段进 口下游 1 5 0 m 处 ，岸坡走向与河谷走 向近平行 。两岸基岩裸露 ，岸 坡较陡 ，坡度多在 6 O 。8 5 。 ，局部 为陡坎 ，坡高为 1 1 51 3 0 m，现代河床宽 8 2 0 I l l 。 3 2 2 工程 设 计 大坝为混凝土面板砂砾石坝，主坝最大坝高 1 0 6 m， 坝顶宽 1 0 m，坝长 1 4 1 2 3 n l ，大坝上游坝坡 1 ： 1 6 ，下 游坝坡 1 ： 1 5 。由于河道较顺直，在枢纽布置时将上游 围堰与混凝土面板砂砾石坝坝体相结合， 上游围堰建成 一 座堰顶较宽的刚性混凝土心墙坝，围堰堰体和 防渗 体按大坝主体工程 的要求进行设计和施工，做成上游 围堰与混凝土面板砂砾石坝相结合的结构型式 ，上游 围堰 中的刚性混凝土心墙就是混凝土面板砂砾石坝在 河床底部的高趾墙 ，在刚性混凝土心墙顶部通过连接 板与混凝土面板砂砾石坝趾板相连 ，人工混凝土高防 渗墙墙高 3 1 5 m，墙顶宽度 3 1 1 1 ，底宽 8 m，上游侧 的角度看 ，槽孔混凝土防渗墙底部与基岩之间有石碴 为垂直坡 。防渗墙基础位于强风化层底部相对坚硬 的 一 2 4 o【】 0( 死水位) 蓬 篮 l ： 石 区 利 用 一 石料 壁 l !一 一 V Z J 8 5 2 ) b I 强风化 F限 一 图 2吉音水利枢纽混凝土面板堆石 坝典 型剖面( 高程单位 ：m；长度单位 ：ln m) 水利水电技术第 4 3卷2 0 1 2年第9期 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汪洋狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计的一种创新与实践 图3 斯木塔斯水电站混凝土面板砂砾石堆石坝典型剖面示意( 高程单位：m；长度单位：m m) 岩石上 ，纵向 1 0 m设一条垂直伸缩缝 ，缝 内设铜止 水 ，对底部基础进行 固结灌浆和帷幕灌浆 ( 见图 3 ) 。 在人工混凝土高防渗墙上游填筑堆石支撑体 ，支 撑体顶部高程与人工混凝土高防渗墙 同高，与上游截 流戗堤相结 合 ，顶宽 4 5 m 左右 ，上游坡 度 1： 2 5 ， 采用主堆石料碾压回填 ，坝料质量要求和碾压标准同 大坝主堆石区。 3 2 3 三维有限元应力和变形分析 根据对混凝土面板砂砾石坝进行三维有限元应力 和变形分析，人工混凝土高防渗墙应力和变形的计算 结果如下 ： 竣工期防渗墙顶部向上游变形 ，量值约 0 6 c m， 基本没有拉应力。蓄水期防渗墙顶部发生向下游的变 形 ，量值约 3 5( 3 1 1 1 ，在墙蹬部位产生约 2 MP a的拉 应力 。高趾墙与连接板 间的缝、连接板 与趾板 间的 缝 、趾板与面板间的缝都呈压缩状态 。 4 在设计和施工中应注意的一些问题 ( 1 ) 人工混凝土高防渗墙( 防渗结构 ) 要有一定的 厚度，便于高趾墙两侧填筑施工。上游围堰是坝体的 一 部分 ，围堰应按大坝主堆石体的质量和填筑标准填 筑 ，施工时防渗墙上 、下游两侧填筑应平行上升。 ( 2 ) 人工高混凝土防渗墙上游侧 回填体要有一定 的宽度 ，能对人工高混凝土防渗墙起到有力的支撑作 用 ，减小施工期人工高混凝土防渗墙向上游的位移 。 ( 3 ) 在人工高混凝土防渗墙与混凝土址板之间应 设置水平连接板 ，以吸收坝体变形。 5 结论 ( 1 ) 对狭窄河谷，将上游围堰与混凝土面板堆石坝 相结合，具有减少高陡边坡趾板布置难度，缩短狭窄河 谷部位的面板长度，优化了防渗面板的体形，使面板应 力和周边缝变形得到了较好的改善 、同时减少了面板工 程量 、缩短了施工周期，减小了施工难度等优点。 ( 2 ) 将上游围堰建成一座刚性混凝土心墙坝，围堰 堰体和防渗体按大坝主体工程 的要求进行设计和施工 ( 它是坝体的一部分) ，上游 围堰可与上游坝体完全结 合 ，优化了枢纽布置，同时提高了工程的度汛安全度。 ( 3 ) 人工浇筑的混凝土防渗墙与河床覆盖 内槽孔 混凝土防渗墙在施工期和运行期两者受力条件和变形 趋势是相同的。人工混凝土高防渗墙直接浇筑在基岩 上 ，防渗墙底部拉应力较大 ，但防渗效果仍 比槽孔混 凝土防渗效果好 ，故不要过于看重人工混凝土防渗墙 底部拉应力值 的大小。 参考 文献 ： I 新疆维吾尔 自治区水利水电勘测设计研究院 吉音水利枢纽 工 程初步设计报告 R 乌鲁 木齐 ：新疆 维吾 尔 自治 区水利水 电 勘测设计研究院 ，2 0 1 0 2 新疆维吾尔 自治 区水利水电勘测设计研究院 斯木塔斯水 电站 可行性研究报告 R 乌鲁木齐 ：新疆 维吾尔 自治 区水利水 电 勘测设计研究院 ，2 0 0 9 3 大连理工大学 新疆吉音水利枢纽工程混凝土面板堆石坝 筑坝 材料试验 和三维有限元静动力计 算分析 D 大连 ：大连理工 大学 ，2 0 1 0 4 中国水 利水 电科学研究院 新建斯木塔斯水电站工程混凝 土面 板砂砾堆石坝静动力计算分析研究 D 北 京：中国水利水 电 科学研究院 ，2 0 1 0 5 唐巨山 ，丁邦满 横 山水库 扩建工 程混凝 土面板 堆 石坝设计 J 水力发 电，2 0 0 2 ( 7 ) 6 武维新 龙首二级 ( 西流水 ) 水 电站工程混凝土面板堆石 坝设计 特点 J 甘肃水利水 电技术 ，2 0 0 5 ( 1 2) 7 宋永杰 公伯 峡面板 堆石 坝设计 与施 工特点 J 水 力发 电 ， 2 0 0 2 ( 8 ) 8 王伟，张发 中 开都河察汗乌 苏水 电站覆盖层上趾板结构设计 J 西北水电 ，2 0 0 4( 4 ) 9 马明 ，沈振中，吕生玺 九甸 峡面板堆石坝深覆盖层 防渗 结构 方案优化 J 人民黄河 ，2 0 0 8 ( 8 ) ( 责任编辑欧阳越) 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m