積石峽水電站混凝土面板堆石壩設計

蔡新合，王康柱，王君利

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

1 工程概況

積石峽水電站工程規模為二等大（2）型，大壩為1級建筑物，校核洪水位1 860.40 m，500年一遇設計洪水位1 854.00 m，正常蓄水位1 856 m，死水位1 852 m，最大壩高103 m，總庫容2.94億m3。水電站裝機容量為1 020 MW，多年平均年發電量33.63 億 kW·h，保證出力 332.3 MW。積石峽面板壩地處高山峽谷地區，河谷斷面呈 “U”形，極不對稱，兩岸地形陡峻，右岸下部近直立，1 820 m高程以上岸坡呈60°～70°； 左岸較緩，岸坡呈 40°～60°，且殘留有Ⅱ、Ⅲ級階地之侵蝕基座臺面，其高程為1 800～1 820 m，寬約100 m。因此，在峽谷地區修建高103 m的面板堆石壩，減少岸坡開挖、降低人工邊坡高度和填筑工程量、減小不均勻沉降、確保止水效果是工程設計的關鍵。針對極不對稱河谷，在設計中著重研究了左岸階地以及軟化系數低的開挖料上壩對壩體不均勻沉降變形及應力的影響、面板應力變形規律以及相應的工程處理措施、右岸趾板人工開挖邊坡高度優化等，在吸收和借鑒國內外已建面板堆石壩的成功設計和施工經驗的基礎上，對不對稱高山峽谷面板堆石壩的特性有了一定的認識，其設計對類似工程設計有一定的借鑒作用。

2 面板堆石壩設計

2.1 壩體布置

組成壩基的地層巖性為K13-1紫紅色中細砂巖夾礫巖，K12-3磚紅色泥質粉砂巖夾中細砂巖、礫巖；K12-2紫紅色礫巖夾中細砂巖、泥質粉砂巖，K12-1紫紅色中細砂巖夾粉砂巖、礫巖。巖層產狀NE10°SE∠10°，巖性軟硬不均一，巖相變化較大。磚紅色泥質粉砂巖軟化系數低。

根據壩址區地形地質條件，具體的大壩布置為：壩軸線方位NE69°0′5.43″，壩頂長321.9 m，壩頂寬9.8 m，最大壩高103 m，上游壩坡1∶1.5，下游壩坡1∶1.3～1∶1.4，壩頂設有高度為 5.2 m 的 “L” 形防浪墻與面板相接，壩頂高程1 861.0 m。左岸上游進水口、溢洪道右邊墻與面板連接。面板為不等厚，厚度0.3～0.6 m，面板間設垂直縫，面板與趾板、電站進水口、溢洪道邊墻間設周邊縫，壩頂防浪墻與面板間設水平縫，與左岸溢洪道邊墻間設伸縮縫。壩體填筑總量約300萬m3。

2.2 壩體分區及材料

根據本工程面板堆石壩的受力特點、滲透穩定性及耐久性等要求，確定堆石壩壩體分區的主要原則為：①壩體壩料之間應滿足水力過渡要求。②壩軸線上游側壩料應具有較大的變形模量且從上游到下游壩料變形模量遞減，以保證蓄水后壩體各料區間變形協調連續,盡可能減小壩體變形對面板的影響。③充分合理利用樞紐的開挖料，以達到經濟的目的。④對于軟化系數低、易破碎、滲透系數小的開挖料，應設置通暢的排水通道。

根據上述分區原則，壩體從上游至下游依次分為：面板上游面下部粉質壤土斜鋪蓋（1A）及其蓋重區（1B）、混凝土面板、墊層區（2A）、特殊墊層區（2B）、 過渡區（3A）、 反濾排水區（3F）、 主堆石區（3BⅠ、3BⅡ）、 下游次堆石區（3C）及下游護坡（3D）。斷面分區見圖1。

墊層料及過渡料采用天然砂礫石篩分而成，水平寬均為3 m。墊層料在壩基及岸坡部位向下游延伸0.3 H（H為壩高），將墊層料包住。主堆石料及次堆石料為開挖石渣：以中細砂巖為主的弱風化下部～微風化巖石開挖料作為主堆石3BⅠ區上壩料；弱風化下部～微風化巖石開挖料（礫巖∶中細砂巖∶泥質粉砂巖=5∶3∶2）作為主堆石3BⅡ區上壩料；弱風化中、上部巖石作為次堆石3C區上壩料，廢料利用率60%。因開挖料軟化系數低、易破碎、滲透系數小，尤其是垂直向滲透系數為10-3cm/s數量級，達不到自由排水的要求，為保證堆石區排水順暢，壩內設置垂直向及水平向排水體，排水體也是過渡料、主次堆石料的反濾體。

2.3 筑壩材料料源及壓實控制標準

根據技術可行、安全、經濟的原則，墊層料、過渡料、排水料采用壩址下游9 km甘河灘料場的天然砂礫石篩分（摻配）而成；主次堆石區壩料來源于開挖料。

為了減小堆石體在施工期以及運行期的沉降量，需采用合適的設計干密度（孔隙率）和壓實指標，并經過現場碾壓試驗驗證。本工程采用的筑壩材料特性以及壓實指標見表1。

2.4 防滲結構

積石峽面板壩壩體防滲系統由面板、趾板和接縫止水組成。

2.4.1 鋼筋混凝土面板

圖1 面板堆石壩斷面分區

表1 壩料特性及壓實標準匯總

鋼筋混凝土面板總面積3.5萬m2，厚0.30～0.59 m，最大水力梯度169（＜200）。在兩岸邊張性縫范圍以及引水發電鋼管與河床相接部位的張性縫范圍，垂直縫間距均為6.0 m。河谷部位壓性縫范圍以及引水發電鋼管頂部壓性縫范圍，垂直縫間距均為12.0 m。面板混凝土為二級配C25混凝土。

2.4.2 趾板

趾板選用平趾板布置形式，趾板寬度由地基允許滲流比降確定，按不同的作用水頭，趾板寬度分別為 4.0、 6.0、 7.4 m，趾板厚度分別為 0.4、 0.6、0.8 m。趾板頂部采用單層雙向配筋，每向配筋率為0.4%。沿趾板軸線每30 m設置伸縮縫，每15 m設置施工縫，趾板混凝土為二級配C25混凝土。在施工中趾板采取跳塊澆筑的施工方法。面板與電站進水口、溢洪道右邊墻采用周邊縫的形式直接相接，不再專門設置趾板。

2.4.3 接縫止水

接縫止水設計的原則為：能適應接縫處的位移和滿足防滲要求，有利于施工及保證質量，各道止水間應形成統一的防滲系統。

從防滲的角度看，周邊縫的止水設計是至關重要的。周邊縫寬12 mm，設三道止水，周邊縫縫內充填12 mm厚的瀝青木板。頂部設塑性填料，外部用三元乙丙復合板保護，縫口設橡膠棒（直徑50 mm）；在塑性填料與縫口橡膠棒之間設置波紋止水帶（4波），波紋止水帶與縫口橡膠棒之間設置微膨脹塑性填料，體積膨脹率不大于20%；底部設F型止水銅片與面板垂直縫底部W型銅止水相接。

面板張性縫和壓性縫均設兩道止水。頂部設塑性填料，外部用三元乙丙復合板保護；面板在距周邊縫10.0 m范圍內用H2-861型塑膠止水帶與面板底部銅止水相接，底部設W型止水銅片。張性縫縫面刷乳化瀝青（厚3 mm），壓性縫縫內填瀝青木板。

面板與防浪墻間的水平縫設兩道止水。頂部設塑性填料，外部用三元乙丙復合板保護，底部設E型止水銅片（厚1 mm）并與防浪墻伸縮縫內的D型止水銅片相接，縫面設12 mm厚瀝青木板。

防浪墻墻體間的伸縮縫間距約為12.0 m，縫內距上游面20 cm處設一道銅止水，縫面充填12 mm厚瀝青木板。

趾板間的伸縮縫設兩道止水。頂部和底部均設銅片止水（厚1 mm），趾板間伸縮縫縫面刷瀝青乳膠。趾板鋼筋穿過施工縫，縫面要求鑿毛，并設一道橡膠止水帶。

2.5 壩頂結構及壩坡

根據DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設計規范》的要求，綜合考慮波浪爬高、風壅水面高度、庫區滑坡涌浪、地震涌浪和地震沉陷等因素，校核水位工況為控制工況，對應的防浪墻墻頂高程為1 862.25 m，壩頂高程為1 861.00 m，防浪墻底高程1 857.00 m，高于正常蓄水位1.0 m。根據施工需要以及交通要求，壩頂寬度取10.0 m。

參照國內外已建及在建100 m以上高面板堆石壩的經驗，結合本工程壩料的工程特性以及壩料分區的實際情況，經過穩定分析計算，確定上游壩坡為 1∶1.5，下游壩坡為 1∶1.4～1.53，綜合坡比 1∶1.72。

2.6 復式河谷大壩設計特點

根據樞紐總體布置需要，確定左岸引水方案。引水布置格局確定后，引水建筑物布置方案比較就僅限于左岸較緩的Ⅱ、Ⅲ級侵蝕臺地部位。進水口建基高程1 815.50 m，引水鋼管水平段的建基高程1 817.00 m，引水鋼管水平段外包混凝土頂高程1 835.00 m，其上為大壩填筑堆石料。然而，河床高程在1 765 m左右，與引水鋼管水平段外包混凝土頂部高程相差約70 m，形成臺階狀的復式地形。本工程混凝土面板堆石壩坐落在這種復式地形上，導致引水鋼管上水平段以上的壩體與河床段壩體之間存在體形上的突變，容易引起壩體的不均勻沉降而導致壩體裂縫或者面板裂縫的產生。

鋼管基礎與大壩基礎之間的邊坡近于直立坡，因此在大壩回填前，采用素混凝土回填成不陡于1∶0.5的邊坡。在大壩填筑過程中，采取先填筑河床段壩體、預留2個月沉降期、而后回填引水鋼管頂部壩體的措施，以減少不均勻沉降。在陡坡對應部位的面板垂直縫，采用與周邊縫相同的止水結構形式，以適應較大的變形。

雖然DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設計規范》中對巖基上的壩下埋管形式沒有限制，但是，引水鋼管上水平段淹埋于左岸壩體以下的方式通常在土石壩設計中是不被采用的。本工程根據技術經濟比較以及采取適當的安全連接處理和止水措施后，使壩下埋管得到成功應用。

3 壩體應力應變分析

由于面板壩地處不對稱狹窄復式河谷，設計中著重研究了如何減小復式河谷階地對壩體應力變形的影響、面板壩應力變形規律以及相應的工程處理措施。

積石峽面板堆石壩應力變形三維有限元分析中，計算模型采用鄧肯—張E-B模型，壩料計算參數采用非線性材料參數，混凝土應力應變關系按線彈性材料模擬。動力分析采用非線性粘彈塑性模型和等效線性粘彈性模型。材料參數由試驗和類比擬定。

計算得出壩體最大垂直位移為68 cm，為最大壩高的0.67%；面板最大撓度為18 cm，最大壓應力（軸向）3.4 MPa，最大拉應力（順坡向）2.6 MPa；周邊縫最大張開度15 mm，最大剪切位移14 mm，最大沉降27 mm。通過分析得出，壩體與面板應力變形規律與已建大壩觀測成果相類似，復式河谷對壩體及面板變形和應力有一定影響。

4 基礎處理設計

4.1 壩基開挖

趾板及趾板下游約1/2壩高范圍內，將表面覆蓋及沖積層挖除至弱風化層的巖石中部。在趾板基礎范圍內其基礎開挖面應平坦。在趾板下游約1/2壩高范圍內的基礎，避免有高度大于0.5 m的陡坡（陡于1∶0.5）和反坡。趾板下游約1/2倍壩高至壩軸線范圍內的堆石體基礎挖除至弱風化巖石。在此范圍內基礎開挖面大致平坦，不允許有高度大于1.0 m的陡坡和反坡。壩軸線下游的堆石體基礎為巖基及薄覆蓋層（2～3 m）時，僅作壩基平整及清除表面覆蓋層處理，露出基巖面。積石峽壩址區左岸深槽內覆蓋層厚14.6～30.6 m，需將壩軸線上游覆蓋層全部挖除，壩軸線下游的砂礫石開挖至1 767.00 m高程，并以1∶3的坡與上游相連接。未挖除部分碾壓前的干密度為2.06 g/cm3，采用25 t振動碾碾壓12遍以后，干密度達到2.35 g/cm3以上。

4.2 固結灌漿

趾板基巖作固結灌漿處理，灌漿孔按照間距3 m的原則布置，孔深8 m。

4.3 帷幕灌漿

帷幕灌漿沿趾板全線布置，灌漿孔左岸與電站進水口的帷幕灌漿相接，繼而與溢洪道堰閘段帷幕灌漿孔相接，形成封閉的防滲系統。主帷幕深度按以下兩個要求取大者：帷幕深度不小于壩高的30%；帷幕深度插入到基巖相對不透水層（ω=3 Lu）線下5.0 m。經計算，需在1 819.00 m高程以下設置主、副兩排帷幕，副帷幕深為主帷幕的1/2；在1 819.00 m高程以上只設一排帷幕。河床段主帷幕深70 m，右岸主帷幕深30 m。兩排帷幕的排距為1.5 m，主、副帷幕的孔距均為2.0 m。

4.4 地質缺陷處理

對通過趾板部位以及趾板下游20 m范圍內的斷層和破碎帶，應挖除地表破碎帶后回填混凝土塞，并作深孔固結灌漿和加密加深帷幕灌漿處理。在壩坡覆蓋范圍內的勘探平硐、地質鉆孔均須進行回填處理。堆石體范圍內（趾板下游20 m以外～壩軸線）的斷層、破碎帶及軟弱夾層，在壩軸線上游的，其表面依次覆蓋特殊墊層料（厚40 cm）、墊層料（厚120 cm）、過渡料（厚160 cm），然后再填筑壩體堆石料；在壩軸線下游的，其上依次覆蓋反濾料（厚80 cm）、過渡料（厚160 cm），然后再填筑壩體堆石料。

5 結語

（1）高山峽谷地區的積石峽面板壩設計的關鍵，是將河床及右岸趾板坐落在基巖上，利用左岸電站進水口以及溢洪道邊墻作為趾墻，形成封閉的防滲系統，同時，利用左岸階地布置電站進水口以及溢洪道，節省大壩填筑量及樞紐工程量。

（2）左岸階地導致的復式河谷，易于引起壩體不均勻沉降，進而影響大壩安全。因此對階地高程與河床高程之間的陡坡采用混凝土回填，形成不陡于1∶0.5的斜坡，混凝土上覆蓋過渡料，以滿足壩料填筑以及壩體協調變形的需要。另外，合理劃分填筑分區、提高壩料填筑壓實度，以減小不均勻沉降，是保證工程質量的關鍵。

（3）大壩填筑料主要采用樞紐區的開挖料，堆石料滲透系數在10-3cm/s，因此，與一般面板堆石壩工程相比，壩體分區增設了排水區，以降低壩體浸潤線。

（4）左岸階地與河床之間陡坡對應的面板分縫采用與周邊縫相同的止水結構形式，以適應壩體不均勻沉降。

（5）左岸引水鋼管上水平段埋于壩體之下的方式，在通常的土石壩設計中是不被采用的，本工程的成功應用可為其他工程設計提供參考。

［1］中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.黃河積石峽水電站樞紐工程下閘蓄水驗收設計報告［R］.2010.

［2］中國水電顧問集團西北勘測設計研究院.黃河積石峽水電站工程蓄水安全鑒定設計自檢報告［R］.2010.

［3］雷艷，王康柱，蔡新合.積石峽水電站混凝土面板堆石壩壩體優化設計及壩料調整［J］.西北水電，2011（2）:19-23.