公伯峡水电站混凝土面板堆石坝设计
简介： 公伯峡水电站的拦河大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高139.0 m。该坝的特点是：坝址处于高地震区且河谷极不对称，气候寒冷，日温差大、干燥，岩性变化复杂，开挖渣料质量差别大，两岸上游设有目前国内较高的混凝土高趾墙。在设计中充分考虑了这些特点，就坝体稳定、应力应变分析、坝体分区、坝料平衡、接缝止水结构设计、混凝土高趾墙等进行了深入研究和优化设计。
关键字：混凝土面板堆石坝 设计 公伯峡水电站
公伯峡水电站混凝土面板坝具有以下特点：面板坝处于极不对称河谷中，左右岸平均坡度分别为30°和60°；右岸1 980.0 m高程以上为阶地砂壤土及砂砾石层，致使面板受拉缝范围大，右岸陡坡处周边缝剪切变位较大；由于两岸坝头分别为电站进水口及溢洪道，结合地形地质条件，两岸均需设高趾墙；坝址处于高地震区，基本烈度7度，坝体设防烈度8度；坝体大部分（2／3）利用枢纽工程开挖料填筑，枢纽工程开挖量大，岩性变化复杂，分区时虽考虑了渣料性能差别，但利用开挖料难度仍较大；气候寒冷，日温差大、干燥，因此面板防裂问题较突出。
1 坝体设计
1.1 坝顶高程和坝顶宽度
水库正常蓄水位和设计洪水位为2 005.0m，校核洪水位2 008.0m。考虑了波浪爬高、风壅水面高、地震涌浪、地震沉陷及库区滑坡涌浪等情况，经计算坝顶高程由地震情况控制，防浪墙顶高程为2 011.3m，坝顶高程为2 010.0m，防浪墙底高程高于正常蓄水位0.5m（即2005.5m）。为保证拉模施工平台宽度大于15.0 m及满足坝顶交通要求，坝顶宽度确定为10.0 m。
1.2 坝坡设计
参考国内外已建和在建100 m以上高混凝土面板坝的经验，结合本工程坝料的质量和分区以及处于高地震区的特点，经稳定计算分析后，确定上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡（实坡）为1∶1.5～1∶1.3，综合坝坡1∶1.79。
1.3 坝体材料分区及坝料设计
1.3.1 坝体材料分区
(1) 坝体材料分区原则 。坝体中应有畅通的排水通道且坝料之间应满足水力过渡的要求；坝轴线上游侧坝料应具有较大的变形模量且从上游到下游坝料变形模量可递减，以保证蓄水后坝体变形协调，尽可能减小对面板变形的影响，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性；充分合理利用枢纽的开挖料，以达到经济的目的。
(2) 坝体材料分区。根据分区原则，坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、混凝土面板、垫层区（2A）、垫层小区（2B）、过渡区（3A）、主堆石区（3BⅠ、3BⅡ）及下游次堆石区（3C）（见图1）。堆石料较砂砾石有较大的抗剪强度和良好的透水性，故布置在上游侧，而堆石特别是次堆石与砂砾石压缩模量差别很大（主次堆石压缩模量为砂砾石的1／3～1／10），其分界线应有较大坡度（1∶0.5～1∶1），以使其变形有渐变的过程。除垫层和主堆石间设过渡料外，砂砾石料底部也设过渡料层防止砂砾石冲蚀。
1.3.2 坝体材料设计
（1）垫层料（2A）。垫层料由微、弱风化花岗岩和片麻岩加工而成。最大粒径100 mm，小于5 mm的颗粒含量为35%～45%，小于0.1 mm的颗粒含量为4%～7%。设计干密度2.23 g／cm3，孔隙率16%，渗透系数K=1×10-3cm／s，允许渗透坡降J＞70。该区水平宽度3.0 m，铺料厚度40.0 cm。为了改善坝体与岸坡的连接，在坝基部位垫层向下游延伸0.3 H（H为该处作用水头）。
（2）过渡料（3A）。过渡料位于垫层与主堆石区之间，为微、弱风化花岗岩。最大粒径300mm，小于5 mm的颗粒含量为3%～17%，小于0.1 mm的颗粒含量小于7%。设计干密度2.17 g／cm3，孔隙率18%，渗透系数K=1×10-1cm／s，允许渗透坡降J＞30。水平宽度3.0 m，铺料厚度40.0 cm。在坝基与岸坡部位向下游1000延伸将垫层料包住。
（3）主堆石料（3BⅠ）。主堆石料Ⅰ区为大坝主要支撑体的一部分，兼作坝体排水体。为微、弱风化花岗岩和片岩，其中片岩含量不超过30%。最大粒径800 mm，小于5 mm的颗粒含量小于8%，小于0.1 mm的颗粒含量小于5%。设计干密度2.15 g／cm3，孔隙率20%，铺料厚度80.0 cm。
（4）主堆石料（3BⅡ）。为大坝主要支撑体的一部分，材料为砂砾石。最大粒径450mm，小于5 mm的颗粒含量为15%～40%，小于0.1 mm的颗粒含量小于7%。设计相对密度0.8，铺料厚度60.0 cm。
（5）次堆石料（3C）。次堆石料位于坝体下游干燥部位，为强风化花岗岩和弱风化片岩(试验表明强风化片岩不宜作为上坝料)。级配连续，最大粒径1 000mm，小于5 mm的颗粒含量小于35%，小于0.1 mm的颗粒含量小于8%。铺料厚度100.0 cm，15 t振动碾碾压6～8遍。
（6）垫层小区料（2B）。该区位于面板周边缝下游，该部位狭窄，应加强人工夯实或采用平板震动器进行碾压。材料为微、弱风化花岗岩和片麻岩。最大粒径40 mm，小于5 mm的颗粒含量45%，小于0.1 mm的颗粒含量小于7%。设计干密度2.2 g／cm3，孔隙率17%，铺料厚度20.0 cm。
（7）上游粉砂质壤土压坡（1A）。为封堵面板裂缝和周边缝裂缝，在上游1 940.0 m高程以下面板上游侧设置粉砂质壤土压坡，顶宽5.0 m，上游坡度1∶1.65，其上游侧设置碎石盖重体加以保护。
1.3.3 土石方平衡
由于公伯峡坝址地质条件复杂，岩性变化规律性差，主体工程开挖后，实际可利用上坝的石渣料数量、质量均有很大变化。根据2002年3月底实际统计资料对坝体分区进行了调整优化，以尽可能提高开挖料的利用率，减小料场补充量（图1为调整后断面）。经调整后坝体总填筑量为476.33万m3，利用开挖渣料318.97万m3，占总填筑量的66.9%。其中垫层、过渡料由药水沟料场开采，以保证其质量。主次堆石利用开挖料达71%，不足部分由溢洪道引渠局部扩挖补充，砂砾石由下游水车村料场开采
2 坝体应力应变分析
坝体三维应力应变分析的计算模型采用双屈服面弹塑性本构模型，混凝土材料采用线弹性参数，坝料采用非线性材料参数；动力分析采用等价非线性粘弹性模型进行计算；静力计算模拟大坝坝体填筑、面板浇筑和分期蓄水过程，分33级进行仿真计算。动力计算是在水库蓄水后遭遇地震，按场地基岩地震加速度过程线（100年超越概率2%）计算。
经计算坝体的最大沉陷量140.9 cm，相当于坝高的1%，坝体内的应力水平均小于1.0，说明坝体内的堆石体不会发生剪切破坏。一期面板浇筑后，在坝体继续填筑时，顶部10.0 m左右面板可能脱空。竣工及蓄水期面板顺坡向应力绝大部分为压应力，轴向应力河槽部位为压应力（最大7.2 MPa），两岸有一定拉应力区（最大0.5～2.5 MPa）。蓄水期面板最大挠度为28.5 cm，位于河床深槽部位，半坝高以上。面板轴向位移由河谷两岸向河槽中央变形，最大位移1.5 cm。面板垂直缝仅主河槽部位受压，两侧约80%范围为张开区，最大张开变形为7.4 mm。在一期面板顶部附近及右岸陡坡下部的周边缝位移较大（周边缝最大变位：张开11.5 mm，沉陷19.8 mm，剪切24.8 mm），两岸高趾墙的位移与应力状态较好。
动力计算结果表明，在遭受8度地震的情况下，坝顶永久变形较大，垂直沉降35.1 cm，水平位移25.3 cm。动力反应较大，坝顶垂直和顺河向地震反应最大加速度达4.18 m／s2和7.34 m／s2，地震反应加速度放大倍数达3.7。下游坝坡上部可能出现坍塌、滚石等局部破坏现象，但发生大范围滑坡的可能性不大。在地震过程中，面板中动应力较大（最大振动拉应力达7.0 MPa），不能排除面板有出现局部损坏的可能。在动应力作用下，面板的垂直缝和周边缝变位均有所增加，但增加量不大（5～18 mm）。
计算分析得出的坝体与面板应力变形规律与已建坝观测结果相似，根据计算结果，在设计中采取了以下措施：周边缝剪切变位较大，采用适应较大变形的止水结构型式；适当放缓下游坝坡并采用上缓下陡（1∶1.5～1∶1.3）的形式，下游坝坡上部采用加锚筋的浆砌石护坡，防止地震引起的局部破坏，面板垂直缝设5条柔性压缝，以满足抗震要求；为减小一期面板与垫层间脱空现象，一期面板施工时，要求坝体填筑高度高于面板顶10.0 m以上
3 面板、趾板（高趾墙）及接缝设计
3.1 面板设计
钢筋混凝土面板顶部厚度0.3 m，底部最大厚度0.7 m，控制最大水力梯度小于200（为196），面板总面积57 528 m2。面板分缝宽度考虑河谷部位压性缝范围较小，宽度均为12.0 m。面板采用单层双向钢筋（螺纹钢筋），每向配筋率为0.3%～0.4%。在周边缝及垂直缝侧面设置抗挤压钢筋（细钢筋），防止局部挤压破坏。面板分二期浇筑，一、二期面板混凝土标号分别为C25W12F100和C25W10F300，为二级配混凝土。为防止面板裂缝除要求加强养护外，拟采用聚丙烯纤维混凝土（正进行试验研究）。
3.2 趾板（高趾墙）设计
趾板是整个混凝土面板坝防渗系统的重要组成部分，可保证面板与坝基间的不透水连46a3接。趾板建基面座落在弱风化岩石上，趾板宽度按垂直于趾板控制线（X线）由地基允许渗流比降（J＜15）确定。趾板宽度分别为5.0、6.0、7.5、9.0 m，趾板厚度分别为0.5、0.6、0.7 m。趾板在顶部布置单层双向钢筋，每向配筋率为0.3%，钢筋与趾板锚筋相连。沿趾板轴线每30.0 m间距及在拐点两侧设永久伸缩缝，每15.0 m间距设施工缝。趾板混凝土为二级配混凝土，标号为C25W12F100。
左右岸混凝土高趾墙直接关系到面板防渗的可靠性和大坝的安全。右岸高趾墙最大墙高50.0 m，墙顶随坝坡降低，墙顶宽度4～12 m，墙底宽度13.06～31.9 m，墙背坡1∶0.6。左岸高趾墙为溢洪道引渠边墙，墙顶高程2 010.0 m，墙高38.0 m，墙底宽度9.52～21.31m。高趾墙在施工期要承受坝体堆石的侧向压力，在蓄水期还要承受几个方向巨大的水压力，为防止破坏上游面板和周边缝止水或拉裂高趾墙下的灌浆帷幕，墙体不允许产生较大的变位。所以，高趾墙的受力以及在荷载作用下的工作状态较一般的重力坝、挡土墙复杂。
本工程用材料力学方法及有限元法对形态不同的高趾墙进行了整体分析计算。根据计算结果，为保证墙体稳定及墙底应力要求，左右岸高趾墙均需做成整体。底部设廊道进行接缝、帷幕灌浆并设排水，以减小基底扬压力。
3.3 接缝止水设计
接缝止水设计的原则：能适应接缝处的位移和满足防渗要求，有利于施工及保证质量，各道止水间应形成统一的防渗系统。
计算表明，周边缝变位较大，做好周边缝的止水是至关重要的。参照国内外已建工程经验，结合本工程周边缝变位值，设3道止水。顶部设SR－2塑性填料，外部用SR保护盖片（厚7 mm）和PVC压条（厚6 mm）保护，缝口设橡胶棒（直径50 mm）；中部设橡胶止水带（H2－861型）；底部设F形止水铜片与面板垂直缝底部铜止水相接，为适应较大剪切变形，铜止水鼻宽和鼻高为30 mm和105 mm，鼻内设30橡胶棒，并用聚氨脂泡沫塑料充填。周边缝内充填12 mm厚的沥青木板。
面板张性缝设2道止水。顶部设SR－2塑性填料，外部用SR保护盖片（厚7 mm）和PVC压条（厚6 mm）保护；底部设W形止水铜片，鼻子内设12橡胶棒并用聚氨脂泡沫塑料充填，缝面刷沥青乳胶。
面板压性缝位于河谷中部，且设置为柔性缝，其止水设置与张性缝相同，但缝内需设沥青木板。
面板与防浪墙间的伸缩缝设2道止水。顶部设SR－2塑性填料，外部用SR保护盖片（厚7 mm）和PVC压条（厚6 mm）保护；底部设W形止水铜片（厚1 mm）并与防浪墙伸缩缝内的铜片止水相接，W形止水铜片的鼻子内设12橡胶棒并用泡沫塑料充填，缝面设12mm厚沥青木板。
防浪墙墙体间的伸缩缝间距为10.0～20.0 m，缝内设铜片止水1道，缝面充填L-600闭孔低发泡塑材板。
趾板间的伸缩缝设2道止水。顶部设橡胶止水带；底部设铜片止水（厚1 mm），趾板间伸缩缝缝面刷沥青乳胶。
趾板每15 m设1道施工缝，钢筋穿过缝，并设12＠10 cm骑缝钢筋，缝面要求凿毛，并设1道橡胶止水带。
4 坝基处理
4.1 基础开挖
趾板建基于弱风化岩石上，趾板下游0.3倍坝高范围内的基础开挖至强风化中、下部岩石上，开挖面应平坦，基础开挖面必须清洗干净。其后至坝轴线基础，将表面覆盖及冲积层挖除至强风化岩石（松动层要挖除），不允许有高度大于1.0 m的陡坡和反坡，其间的连接坡度不陡于1∶1.4。坝轴线下游部分的基础，将表面覆盖及冲积层挖除，露出基岩面即可。坝轴线上游范围两岸要求削成平顺连续的岸坡，开挖边坡不陡于1∶0.5，坝轴线下游范围两岸要求削成不陡于1∶0.3的岸坡。左右岸高趾墙基础均挖至弱风化岩石。
4.2固结灌浆
固结灌浆仅在趾板和高趾墙基础范围内进行，灌浆孔深入基岩5.0 m（位于左右岸高趾墙基础，灌浆孔深入基岩8.0 m），孔排距3.0 m，梅花形布置。
4.3 帷幕灌浆
帷幕灌浆沿趾板和高趾墙全线布置，位于趾板X线上游。主帷幕深度按以下两个方面控制，取其大者为帷幕深度：帷幕深度不小于坝高的30%；帷幕深度插入到基岩相对不透水层（ω=3 Lu）线下5.0 m。经帷幕结构计算需在1 945.0 m高程以下设副帷幕，深度为10.0～15.0 m。主、副帷幕的排距为1.5 m，孔距均为2.0 m，帷幕最大深度为43.5 m。
4.4 断层破碎带处理
对于趾板基础、趾板下游0.3倍坝高范围内基础和高趾墙基础遇到断层时，将断层破碎带及断层夹泥全部挖除，回填混凝土塞，处理深度：当断层破碎带宽度加影响带宽度小于2.0 m时，混凝土断层塞的深度为断层宽度的1.0～1.5倍，当断层破碎带宽度加影响带宽度大于2.0 m时，应进行专门处理设计。趾板部位的断层破碎带除进行开挖回填混凝土外，还进行固结灌浆并加深帷幕灌浆深度。坝轴线上游堆石体基础遇到断层时，应清除断层表面的泥土，用厚度为20 cm的混凝土覆盖。坝轴线下游堆石体基础遇到断层时，在断层表面覆盖垫层料和过渡料加以保护
5 原型观测设计
5.1 坝面位移观测
坝面共设位移测点35个，在坝顶布置15个测点，下游坝面布置12个测点，上游坝面正常蓄水位以上布置8个，工作基点在左右岸共设3组。采用极坐标法和水准测量的方法观测坝面（坝顶、上下游坝面）的水平位移和垂直位移。
5.2 坝体内部垂直位移和水平位移观测
坝体内沿坝轴线方向布置3个观测断面，各观测断面在不同高程布置测点用水管式沉降仪、铟钢丝水平位移计及电磁式沉降仪（仅在最大断面布置），监测坝体内部垂直、水平位移及坝基沉降。各测点埋设管路引至下游坝面观测室内进行监测。
5.3 面板变形（挠度）、应力应变观测
采用斜坡测斜管及面板下埋设垂直、水平位移计(或固定式测斜仪)的方法进行面板挠度的监测，同时可监测面板有无脱空现象。应力应变监测采用可同时监测面板温度的三向、两向应变计组、钢筋计及无应力计。
5.4 接缝位移观测
接缝位移采用测缝计观测，其中周边缝为三向测缝计，面板接缝及面板与两岸高趾墙接缝为单向、双向差动电阻式测缝计。
5.5 渗透压力、渗透流量观测
坝基及面板下渗透压力采用埋入式、差动电阻式渗压计进行监测。在坝体下游设截水墙，布置监测坝体渗漏量用的量水堰。
5.6 地震反应
在坝体横向观测断面处布置地震监测仪，由监测中控室内计算机记录坝体的地震反应情况。
5.7 上下游水位监测
结合枢纽整体监测系统，在上下游各布置1套自计水位计（周计或月计），监测并记录上下游水位变化过程；在坝顶或两岸建筑物上设置温度、风速监测仪，记录气温、风速的变化过程。
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