石堡子水库工程混凝土面板堆石坝设计.pdf

第 4 6卷第 7期 2 0 1 0年 7月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga ns u W a t e r Co ns e r v a nc y a n d Hyd r o po we r Te c h n o l og y Vo 1 4 6 No 7 J u 1 ， 2 0 1 0 设计与研究 石堡子水库工程混凝土面板堆石坝设计 李 剑 ( 平凉市水利水电勘测设计院， 甘肃 平凉7 4 4 0 0 0 ) 摘要 ： 石堡子水库工程坝址 区地震烈度 高 ， 河谷宽阔 ， 岸坡陡峻 ， 经过 多方案 比选 ， 确定采用混凝 土面板堆石坝。坝体 采用两种岩性岩石共 同填筑， 分区设计及变形控制经过详细设计论证及相关计算合理确定。本为介绍了石堡子水库 混凝土面板堆石坝的各部分设计情况， 以及左岸高阶地防渗处理设计等。 关键词 ： 混凝 土面板堆石坝 ； 面板 与趾板 ； 接缝止水 ； 高阶地 防渗 处理 ； 帷幕灌浆 中图分类号 ： T v 6 4 1 4 3 文献标识码 ： B 1工程概 况 石堡 子水库工程位 于甘肃省华亭县 东北部策底 河和石 堡子河汇合 口上游 1 0 k m处 的朱家庄 处 ，是 拟建中煦煤化 工有限责任公司 6 0万 t 年甲醇项 目及后续产业供水水库。 水库枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、 泄洪冲沙( 兼 导流) 隧洞， 岸边开敞式溢洪道， 输水隧洞等。水库正常蓄水 位 1 4 2 3 9 0 m， 校 核洪水 位为 1 4 2 6 0 i n ， 混凝土 面板堆 石坝 最大坝高 4 3 9 1 m， 总库容 7 1 0万 m ， ， 年供水量 1 3 0 0万m， 。 2 地 形地质条件 石堡子水库工程区位于油河 中、 上游一级支流策底河 的 中下游峡谷段 ， 属构造剥蚀低中山区， 山体呈 N W3 0 0 。 3 3 0 。 方向展布， 总体地势西高东低， 海拔高程 1 6 0 0 1 7 0 0 m， 河谷 高程 1 3 8 0 1 1 4 0 m， 下切深度 2 0 0 3 0 0 m， 自西向东相对高 差逐渐增大 。 坝址位于策底河中下峡谷段河流转弯处 ， 现代河床位于 左 岸坡脚 ， 宽 3 0 4 0 m， 右 岸分 布 I、 级 阶地 ， 宽 9 0 l 1 O m， 河谷宽 1 5 0 m， 阶地顺河流方向分布长度 1 6 0 1 1 1 ， 向上游、 向下游尖灭。左、 右两坝肩呈陡坡分布， 坡度大于4 5 。 ， 基岩 裸露 。左岸坡顶 1 4 2 6 0 m以上为 级 阶地 ， 阶面宽 1 0 0 m， 平均高程 1 4 3 0 1 4 5 0 m， 呈缓坡耕地分布。 右岸为一小山丘 ， 山脊宽 1 6 0 H I ， 平均高程 1 4 4 0 1 4 6 0 m， 山脊线向南延申。 坝址区出露地层分三个岩层 ，依次为第四系全新统 Q 粉土质砂 、 含细粒土砾和 三迭 系中上统延长群 1 基 岩。趾 板河床段河漫滩覆盖层厚 3 4 5 0 m，表层为含厚含细粒土 砾 0 7 2 0 m， 下部为混合土卵 ， 厚度 2 7 3 0 IT I ， 属强透水 层。工程区地震动峰值加速度为 0 2 0 g ， 相应的地震基本烈 一 度为度。 3 坝体结构设计 3 1 坝顶及坝坡 根据 混凝土面板堆石坝设计规范 相关规定， 结合坝顶 交通、 施工要求、 抗震措施等， 确定本工程坝顶宽度为 6 n l 。 为减小坝体填筑量 ， 坝顶上游侧设“ L ” 形防浪墙 ， 墙高 3 3 i n ， 墙底高程 1 4 2 4 3 1 m， 高于正常蓄水位 0 4 1 m； 墙顶高程 1 4 2 7 6 1 H I ， 高于坝顶 1 2 IT I ， 坝顶高程 1 4 2 6 4 1 m。墙体上游 面垂 直 ， 上游侧设 0 8 m宽检修人行道 。 参考已建工程经验和规范规定， 考虑抗震要求及筑坝材 料特性等，确定坝体上、下游坝坡均为 1 ： 1 5 ，下游坝坡在 1 4 1 0 0 m高程处设宽度 3 0 m的马道 ， 下游坝坡脚设置堆石 排水体， 顶部高程 1 3 8 9 5 m， 顶宽 3 0m， 坝体内侧坡比 1 ： l ， 外坡 比 1 ： 1 5 。 3 2 坝体分 区设计 结合坝址 区地形地质条件 、筑坝材料物理力学性质、 土 石方平衡等 因素 ，确定坝体填筑 料分区 自上游 向下游依此 为 ： 混凝土 面板 ( F ) 、 垫层 区 ( 2 A) 、 周边缝 特殊垫 层区 ( 2 B ) 、 过渡 区( 3 A) 、 主堆 石 区( 3 B ) 、 次堆 石 I区( 3 C I) 、 次堆 石 区( 3 C I 1 ) 以及 下游坝面干砌块石 护坡( 3 D ) 。本工程垫层料 采用灰岩爆破料填筑 ，其余坝体分区均采用砂岩料填筑， 灰 岩单 轴饱和抗压 强度平均为 6 5 7 M P a ， 软化系数 O 7 0 ， 砂岩 单轴饱和抗压强度平均为 5 5 MP a ， 软化系数 0 6 0 。 大坝典型 剖 面如 图 1 所示 。 3 3 坝体填筑材料设计 ( 1 )垫层料 设计 垫层料应有较高的变形模量及抗剪强度 ， 能维持自身的 稳定， 对面板起到良好的支撑作用， 具有半透水性质， 在面板 及接缝开裂破坏时 ， 可以起 到限制坝体渗漏量并保持 自身抗 渗稳定， 对细粒料起到反滤作用。垫层料及特殊垫层料采用 灰岩料场新鲜灰岩机械扎制后， 筛分分级后掺配而成。 设计垫层料最大粒径 8 0 m m， 特殊垫层料最大粒径 4 o m E。 小于 5 m m颗粒的含量占3 5 5 0 ， 小于 0 0 7 5 m m颗 粒的含量占 5 一 8 ， 级配连续 ， 设计干密度 2 3 8 t m ， ， 孔隙 率 1 5 3 ， 渗透系数 i o x 1 0 - 3 j o x l 0 。c m s 。 ( 2 )过渡料设计 过渡料位于垫层料与主堆石料之间， 应对垫层料能起到 反滤保护作用 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 6 0 9 一 作者简介： 李剑( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 陕西安康人， 工程师， 主要从事水利水电工程设计。 3 5 2 0 1 0年第 7 期 甘肃水利水电技术 第 4 6卷 图 1 大坝典型剖面 过渡料最大粒径为 3 0 0 m m，小于 5 m m颗粒含量占 1 0 2 2 ， 小于 0 0 7 5 m m颗粒含量不 大于 5 ， 级配 连续 。 过渡料设计干密度 2 0 4 ff m ， 孔隙率不大于 1 7 ， 渗透系数 i l x 1 0 一 I x l 0 。 e m s 。 ( 3 )主堆石料设计 主堆石料 区为水压力主要承载 区， 为避免面板产生较大 的变形， 要求有较高的压缩模量及透水性。主堆石料设计最 大粒径为 8 0 0 m m， 小于 5 m m颗粒的含量 占 5 一 1 5 ， 小于 0 0 7 5 m m颗粒的含量不大于 5 ，级配连续 ，设计干密度 1 9 6 ff m ， 孔隙率 2 2 ， 渗透系数 1 0 j 2 x 1 0 。 c m s 。 ( 4 )次堆石料设计 考虑充分利用建筑物开挖石料 ， 次堆石区填筑料分为两 区设计。次堆石 I区位于次堆石区 1 4 0 5 m高程以下 ， 采用 料场爆破新鲜砂岩料填筑， 并包裹次堆石 区， 最大粒径为 8 0 0 m m， 设计干密度 1 9 1 ff m ， ， 孔隙率不大于 2 2 ， 渗透系 数 x l 0 c m s 。次堆石区位于次堆石区 1 4 0 5 m高程以 上，采用料场爆破新鲜砂岩料和建筑物开挖石料掺配填筑， 最大粒径为 8 0 0 mm，设计干密度 1 9 2 ff m 3 ，孔隙率不大于 2 2 ， 渗透系数 i 4 X 1 0 。 e m s 。 4 趾板设计 为方便施工， 采用平趾板布置方式， 即趾板面等高线垂 直于趾板基准线 ， 趾板位置由“ ) ( ， 基准线控制。趾板厚 O 5 m。 按岩石地基容许水力梯度确定其宽度为4 6 m， 并采用等 宽布置。趾板混凝土设计强度等级为 C 3 0 ， 抗渗等级为 W1 0 ， 抗冻等级为 F 2 5 0 。趾板配筋位于上部， 为单层双向钢筋， 每 向配筋率为0 3 。 为加强趾板与基础的连接， 趾板下部设三 排锚筋， 直径为 p 2 5 m m， 长 3 m， 间距 1 5 m， 排距 1 5 m， 用 9 0 弯筋与趾板面筋相连。 5 面板设计 面板的厚度主要为满足防渗性、 抗裂性、 防冲刷和耐久 性等要求， 面板的厚度随着水头的增加而逐渐加厚 ， 不同高 程处面板厚度用以下经验公式确定： t = 0 3 0 + ( 0 0 0 2 0 o o 3 5 ) 式中： t 面板厚度( m) ， 计算断面至面板顶部的垂直距离( m) 。 3 6 经计算 ， 面板顶部厚度 0 3 m， 底部厚度为 0 4 m， 根据 规范坝高小于 7 0 m可采用等厚面板 ，即面板厚度取 O 4 m 等厚。 为适应坝体变形， 防止裂缝发生， 按地形 、 地质条件、 施 工条件并参考大坝有限元计算结果进行分缝， 面板设置永久 伸缩缝。在两坝肩附近的面板设张性垂直缝， 其余部分的面 板设压性垂直缝。 面板共设压性垂直缝 1 2 条， 缝间距 1 2 m； 张性垂直缝 7条， 缝间距 6 m。两岸张性垂直缝在距周边缝 法线方 向 1 0脚范围垂直于周边缝 布置 。 设计面板混凝土强度等级为 C 3 0 ， 抗渗等级为 W1 0 ， 抗冻 等级为 F 2 5 0 。面板采用单层双向配筋， 钢筋布置在面板截面 中部。受压区配筋率顺坡方向为 0 3 5 ， 水平方向为 0 3 0 ； 受拉区各向配筋率均为0 3 5 。 6 接缝止水设计 ( 1 )周边缝止水 。周边缝采用两道止水 ， 上游面缝 口预 留“ v ” 形槽， 槽内填 G B填料， 顶缝 口采用三元乙丙复合橡胶 板保护， 底部为“ F ” 形止水铜片， 下表面粘贴塑料片， 挖槽 回 填沥青砂浆垫层， 顶部 凹槽 内设 5 0 P V C棒 ， 缝内设置 l 2 m m厚浸沥青杉板。 ( 2 )面板压性垂直缝。面板压型垂直缝采用平接硬缝， 底部设 一道 “ w” 形止水铜片 ， 缝面涂刷 3 m 瑚厚沥青乳胶 。 ( 3 )面板张性性垂直缝。面板张性垂直缝底部设一道 “ w” 形止水铜片， 顶缝口采用三元乙丙复合橡胶板封口。 缝 面涂刷 3 m m厚沥青乳胶。 ( 4 )趾板伸缩缝。趾板伸缩缝在缝口预留 6 c m深的 “ V ” 形槽， 内填 G B填料 ， 顶缝口采用三元乙丙复合橡胶板保 护 。 ( 5 )防浪墙伸缩缝。防浪墙伸缩缝缝中设置 2 5 m m厚 浸沥青杉板， 上游侧设一道“ I 1 ， 形止水铜片。 7 左坝肩高阶地混合土漂卵石层防渗处理 坝址左岸为级阶地，由上而下可划分为4个地层 ： 阶 地表层覆盖第四系上更新统 Q ， 底液限粉土， 厚 6 1 2 m； 向 下为第 四系中更新统 o 1 褐红色底液限黏土 ， 厚 4 1 0 m， 再 向下为第四系中更新统 Q ： 混合土漂卵石层 ， 厚 3 5 4 6 m， 半胶结， 层面标高 1 4 2 1 8 1 4 2 6 4 m， 顺河谷( 下转第 3 9页) 第 7期 徐洲元 ： 岳家河二级水电站拱肩槽边 坡稳 定性分析 第 4 6卷 应力特征分析 L 5 3 0径向剖面高边坡全部开挖结束后的应力场特征图 ( 图3 、 图 4 ) 表明。随着边坡的开挖， 坡体内的应力场在不断 的调整 ， 边坡坡 面附近 ， 最大 主应力方 向由竖 直变为与开挖 坡面近似平行，最小主应力方向由水平变为近似垂直于坡 面， 并在开挖边坡面及 F 3 带附近高度集中。 剪应力逐渐向边 坡开挖坡脚部位集 中， 而在其他部位 的集 中程度减弱。1 1 5 4 0 右岸边坡应 力场的演化 ， 符合 一般应力场 特征 ( 图 6 、 图 7 ) ： 在开挖面附近一定范 围内，最大主应力 与坡 面近于平行 ， 最 小 主应力 与坡面近与垂直 ； 在开挖坡面 的马道 附近 、 坡脚部 位及 F 4 、 J 1 1 、 Z M3出现应力集 中。剪应力 在开挖边坡坡 角 、 马道附近集中。 位移特征分析 在 自重应力状态下 ， 边坡 开挖卸荷 后 ， 导 致左右 岸开挖 面附近一定范围内岩体产生向临空面方向的位移， 其中左岸 以开挖面与 F 3 、 J 6 、 Y M1 断层带交汇处的位移量增大，右岸 以边坡开挖线与 F 4 、 J 1 1 、 Z M3交界地带位移量最大， 但均在 几个 毫米 以内。 破坏接近度分析 L 5 3 0破坏等值线 图( 图 5 ) 显示 ， 在 F 3 、 J 8 、 Y M3带附近 ， 破坏接近度较大 ， 尤其是 F 3 、 J 8 、 Y M4在挖面 出露的地段 。在 开挖完成后的坡面 ， 在局部地带进行 加固处理 。 R 5 4 0 破 坏接 近度等值线( 图 8 ) 表明， 在 F 4 、 儿1 、 Z M3 结构面附近， 岩体破 坏 的可能性较大 ，尤其 是边坡开挖 面与 F 4 、 Z M3 、 Z M4交 汇 地段 ， 其值最大近于 1 ， 这些部位要进行加 固处理 。 ( 3 )稳定性初 步分析 根据岩体基本特征可知 ，拱肩槽部位岩体质量较好 ， 整 体稳定性 良好 ， 控制本部位 的结构面为缓倾 、 中倾坡 外 的断 层 以及中一 陡倾外的拉张卸荷裂 隙 ，形成 了沿缓倾弱面 向临 空面滑移的滑移一 压致拉裂及 弯曲一 拉裂变形 模式 ，且均 出 现在地表表部， 在平硐中未发现。但边坡开挖后， 岩体破碎 ， 完整性差 ； 5 3 8 m高程 以上 ， 开挖面处在卸荷带 内， 开挖面顶 部是较厚的第四系堆积物， 对开挖边坡有影响。有限元计算 亦表明， 在这些部位应力集中明显， 位移量、 破坏接近度较其 它地方大。因此， 为了安全施工， 坡顶要清坡， 对局部不稳定 地段应进行加 固处理。 4 拱肩槽边坡稳定处理 左岸为逆 向坡 ， 坝基岩体强度较高 ， 岩体透水性较弱。 但 左坝肩较单薄， 且夹有硅质岩和页岩， 并有倾向下游的缓倾 角断裂。由于坝址处河谷狭窄， 下泻水流将对拱坝下游两坝 肩产生 冲刷 ， 为保 证两坝肩 的稳定 ， 减小 冲刷对 坝肩稳定 的 影响 ， 结合危岩体处理， 对左岸采用钢筋锚桩， 并钢筋网喷 1 5 0 m m厚混凝土对下泻洪水可能冲刷及影响范围内的岩 体进行保护 ， 并对左坝肩岩体进行固结灌浆， 灌浆结束后加 人 钢筋进行锚 固。 近坝段 开挖 ， 为保证拱 座岩体 的完整性 ， 开 挖中要求严格按 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规 范 的规定 ， 严 格控 制一次 爆破 的规 模 ， 并对 危岩体进行 监 测 。 5结论 岳家河 电站坝肩( 基 ) 开挖 总历 时 8 个月 ， 两岸开挖深度 6 1 0 m， 河床段 1 4 I l l ， 河床建基面高程 4 8 7 7 m。在开挖过 程 中在坝肩布置变形观测点 ， 进行变形监测。开挖揭示的地 质情况为 ： 河床段建基 面岩 面新 鲜完整， 构造不发育 ， 但在 右 岸 4 9 1 4 n l 高程处见一小型溶洞， 溶洞轴向 3 9 5 o ， 顺层面及 裂隙面交汇处发育， 呈水平状 ， 洞高 1 2 2 5 m， 长 4 5 m， 宽 0 8 1 2 m， 底部充填黏土及碎块石。两岸基坑岩石较新鲜， 但构造裂隙及小断裂较发育。右岸由于为顺层坡， 且岩体倾 角较陡 ， 坝基 的开 挖切断 了岩层 的连续性 ， 加之 基坑开挖爆 破， 致使右坝肩下游山体产生顺层滑动， 滑塌方量 1 5 0 余 m， ， 与本文分析 的基本一致 。 在开挖过程中在坝肩布置变形观测点，进行变形监测， 根 据坝肩基 槽变形 观测点观 测成果分 析 ，最大变形量 达 9 mm，主要 原因是表层岩体在卸荷裂隙和爆破震动影响下局 部变形加大， 但在可控范围内， 与本文分析计算结果基本一 致 。 参 考文献 ： 1 秦卫 星 ， 汪卫 明 ， 郑红 ， 王伟靖 溪洛 渡左岸拱肩 槽边坡稳 定 性分 析与评 价 J 中 国农村水利水 电 ， 2 0 0 8 ， ( 8 ) 0 l =t s i = 00 ： 0 l 0 d= d ： ( 上接第 3 6页) 纵向分布长度1 2 7 m， 岩石面顶部低于正常 蓄水位 1 4 2 3 9 m， 由此形成一漏水通道， 需进行防渗处理。 拟定处理方案为从溢洪道引渠左侧侧墙端头起沿岸坡设一 道总长 1 2 7 9 m现浇混凝土防渗护坡，隔断砂卵石透水通 道 。混凝 土护坡顶厚 0 3 m， 底 厚 0 5 m， 基础 深入基 岩 0 5 m， 边坡 1 ： 1 ， 基础面铺设土工防渗膜， 护坡顶高程 1 4 2 7 0 m， 高于校核洪水位 1 0 m 。 8 帷幕 灌浆设计 根据枢纽布置及工程地质等条件， 帷幕灌浆在大坝趾板 段沿其平段中线布设， 左岸顺坝轴线穿过溢洪道闸室段后沿 引渠段护坡基础及防渗墙基础布置。 右岸帷幕灌浆沿坝轴线 跨越泄洪洞后延伸 3 0 m。帷幕灌浆孔设计为单排 ， 孔距 2 m， 伸人岩体透水率 5 L u 线以下 5 m。 帷幕深度约为坝高 0 3 5 倍一 1 1 O倍， 最大帷幕深 5 1 5 m。 9结语 ( 1 )根据南京河海大学所做坝体三维有限元计算分析结 论， 坝体沉降及变形位移在安全范围内， 设计采用的灰岩垫层 料及其它分区砂岩填筑料分区合理， 设计填筑参数合理； ( 2 )趾板采用平趾板布置方式施工条件优越； ( 3 )左坝肩高阶地防渗体设计很好的解决了水库集中 渗漏问题 ， 处理方案简单、 经济。 参考文献 ： 1 关志诚 混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究 M 北京： 中国水 利水电出版社， 2 0 0 5 2 蒋国澄， 傅志安， 凤家骥 混凝土面板坝工程 M 湖北： 湖北科 学技 术出版社 ， 1 9 9 6 3 9