水利工程中混凝土面板堆石坝的设计措施.pdf

第7 期 ( 总第1 0 0 期) 中国水 能及电气化 N o 7( T O T A L N o 1 0 0 ) 2 0 1 3 年7 月 C h i n a Wa t e r P o w e r &E l e c t r i fi c a t i o n 水 利工程 中混凝土面板堆石坝 的设计措施 张建 平 ( 五华县水利水电建设管理中心， 广东 梅州 5 1 4 0 0 0 ) 摘要：混凝土面板堆石坝是由防渗系统和堆石体构成的，在我国科学技术不断提高的情况下，面板堆石坝得 到了空前的发展，常用于水利建设工程中，经调查发现，有很多的高坝面板结构出现 了裂缝。基于此本文对水 利工程混凝土面板堆石坝的设计措施进行了探讨。 关键词 ：水利工程 ；混凝土；面板；堆石坝 中图分类号 ：T V 6 4 1 4 文献标志码 ：A 文章编号 ：1 6 7 3 - 8 2 4 1( 2 0 1 3 )0 7 - 0 0 0 8 - 0 4 De s i g n M e a s u r e s o f Co n c r e t e Pa n e l Ro c k - fil l Da m i n W a t e r Co n s e r v a n c y P r o j e c t Z HANG J i a n p i n g ( W u h u a C o u n t y W a t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r C o n s t r u c t i o n Ma n a g e m e n t C e n t e r ， Me i z h o u 5 1 4 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Co n c r e t e P a n e l Ro c k f i 1 1 Da m i s ma d e o f a n t i s e e p a g e s y s t e m a n d r o c k f i l l s Co n c r e t e P a n e l R o c k f i 1 1 D a m i s d e v e l o p e d i n a n u n p r e c e d e n t e d mo d e u n d e r t h e c o n d i t i o n o f c o n t i n u o u s l y i mp r o v i n g s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i n C h i n a ，a n d i t i s c o m m o n l y u s e d i n w a t e r c o n s e r v a n c y c o n s t r u c t i o n p r o j e c t T h e s u rve y fi n d s t h a t t h e r e a r e m a n y c r a c k s i n h i g h d a m p a n e l s t r u c t u r e s T h e p a p e r d i s c u s s e s t h e d e s i g n me a s u r e s o f c o n c r e t e p a n e l r o c k fi l l d a m i n w a t e r c o n s e r v a n c y p r o j e c t b a s e d o n t h e a b o v e c o n di t i o n Ke y wo r d s ：w a t e r c o n s e rva n c y p r o j e c t ；c o n c r e t e ； p a n e l ；r o c k fi l l d a m 混凝土面板堆石坝是当前水利水电工程中主要使 用的一 种大坝类 型 ，在薄层碾压技术水平越来越 高的 情况下，面板堆石坝的建坝数量也 13 渐增多，高度也 不断升高。但是 ，调查发现 ，一些早期的工程很多都 出现了面板裂缝的情况，有的大坝出现了垫层料流失 的现象 ，还有 部分坝面结 构 出现 了 6 0 m m的裂缝 ，这 些都对大坝的性能造成了非常不好的影响，本文通过 分析实际 中的例 子，探讨混凝 土面板大 坝 的设计 方法 。 8 1 工程简介 某水库工程主要用来提供工业用水 ，水库主要由 导流泄洪隧洞、输水隧洞、开放式岸边溢洪道 、混凝 土面板 堆 石 坝组 成 的，混 凝 土 面板 石 坝 最 高 为 4 4 8 m，水库正常蓄水位为 1 4 2 4 8 m，校核洪水水位 为 1 4 2 7 m，库容7 1 3 万 m ，每年提供水资源 1 4 5 0 万 m 。 水库位于剥蚀构造不高的山区，山势整体东高西低， 河谷 高 度为 1 2 0 01 4 8 0 m，海 拔 高度 为 1 5 5 0 m 施工技术 C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y 1 6 5 0 m，且从东至西高度差渐渐升高。大坝选在河流 入湾的地方 ，坝址 区由细土石 、土质 砂 、岩石层 三种 地质结构 的岩层构成 。 2 设计大坝构造 2 1 坝顶设计 考虑 到坝顶的施工规定 、交通要求 、抗 震 预防等 情况 ，坝顶 宽度定 为 7 m 。在 坝顶 上游 建设 墙底 高程 为 1 4 2 3 2 m、墙 的高 度为 4 m、比规定 蓄水 位高 出 0 6 m的 L形防浪墙 ，在上游一侧修建 l m宽 的检修通 道。根据工程计划 、坝体的建筑材料和抗震要求 ，在 下游坝坡 1 4 1 1 i n高程处修建 2 5 m宽的马路 ，建造堆 石排水 体 系在下 游坝坡 脚，顶部 高程 1 4 2 7 m，顶 宽 4 O m。 2 2 设计坝体分区 根据大坝的地质情况 、大坝的建筑材料 、均衡土 石方等方面 的情 况 ，决定 坝体应 该使 用 的建 筑材 料 ， 分别为：垫层区、过渡 区、次堆石一区、次堆石二 区 、混凝 土面板 、下游 坝面干砌块石 护坡 、周边缝 特 殊垫层 区 、主堆石 区。使用灰岩爆破 料作为此次工程 垫层材料 ，剩下的坝体都使用砂岩料进行填充 ，灰岩 的软化指数为 0 7 1 ，单轴饱和抗压度为 6 6 8 M P a ，砂 岩软化指数为0 6 1 ，平均单轴抗压度为 5 6 M P a ，软化 系数 0 6 0 。下 图为大坝 的截面 图。 大坝截面 图 2 3 大坝建筑材料的选用 ( 1 )垫层料需要可以保持自身的平衡，有半透水 的特性 ，有较好的支持面板的作用，而且具有非常好 的耐剪度 ，当大 坝面板 出现裂缝的时候 ，对 细粒料起 到过滤的效果 ，维持 自身的防渗均衡性和控制大坝的 渗透量。垫层料一般由灰岩机压制出来的灰岩料进行 筛分混合 制成。一般垫层料的直径要低于 7 9 ra m。 ( 2 )过渡料 是用来 过滤保护垫层料 的 ，通常在 主 堆石料和垫层料 中间，颗粒直径要低于 3 0 0 m m，颗粒 直径低 于 5 m m 的材料含量要保 持在 1 1 2 1 左右 ， 颗粒直径 为 0 0 7 3 m m 以下的材料含量需要低 于 4 。 ( 3 )水压力 的核心承担区域为主堆石 料区 ，主堆 石料区需要有 比较好的透水性和压缩模量 ，这样才可 以保证面板不会产生严重的形变。石料的颗粒直径都 应该低 于 7 9 9 m m，颗粒 直径 为 5 m m的材 料含 量不 大 于 1 4 ，颗 粒 直径 不大 于 0 0 7 5的材料 含 量应 该低 于 5 。 ( 4 )次堆石 区填充 材料应 该划分 为两个 区 ，以便 完全使用建筑物 的开挖石料 ，次堆石一 区使 用爆破砂 岩料，在次石堆区高程 1 4 0 0 m以下区域，颗粒直径低 于 8 0 0 ra m，孔 隙率 低 于 2 1 。次堆 石二 区通 常 所用 坝料由开挖石料和爆破新鲜砂岩料混合而成，在次堆 石区 1 4 0 0 m高程上方 区域，颗粒直径低 于 8 0 0 m m， 孔隙率低于2 l 。 ( 5 )使用平趾板设计方案 ，以便于更好地进行施 工 ，趾板的宽度为5 m，厚度为0 6 m，按照规定要求 9 施工技术 Co n s t r uc t i o n Te c h n o l o g y 趾板的抗冻等级为 F 2 5 1 ，防渗漏等级为 W1 1 ，强度 设计等级为 C 3 1 。设计一层双向钢筋，放置在趾板上 方 。趾板下方 通过 长度 为 2 m、直 径为 2 5 m m 的锚 筋 来增强基础和趾板的连接强度。 ( 6 )设计面板 的时候需要考虑到崩裂、水的冲 击 、渗水 、使用期限等方面的因素 ，因此面板的设计 厚 度应该根据水位情况进行不断调整 。通常使用下 面 的公式来 确定不 同高程处面板厚 度：t=0 3 0 m+ ( 0 0 0 2 0 0 0 3 5 ) H；式 中 为面 板厚 度 。通过 上 式 计算 ，面板 底部 的厚度 应该 为 0 5 m，面板上 部 的厚 度应该为0 3 m。考虑到大坝使用一段时间后会因为 裂缝、地形、地质条件等原因引起大坝变形，应对大 坝进行分缝 处 理 ，设计 张 性垂 直缝 在 大 坝两 肩 的面 板，设计压性垂直缝隙在剩下的面板上。共设计缝距 为 1 1 m 的压性垂 直缝 1 3条 ，缝 隙距 离为 5 m 的张性 垂直缝隙8 条，面板的抗冻等级为F 2 5 1 ，防渗漏等级 为 W1 1 ，强度设计等级为 C 3 1 。 2 4设 计 大坝止 水接缝 ( 1 )面板压性垂直缝。一般使用平接硬缝的方法 来进行接缝 ，在下面放置一个用来止水 的铜 片 ，并 且 在有缝 面涂上厚度为 4 m m沥青乳胶 。 ( 2 )防浪墙伸缩缝。一般使用被沥青浸泡过的青 杉板放置在伸缩缝缝隙中，设计一个 T形的止水铜片 在上游侧。 ( 3 )趾板伸缩缝。保留7 c m的V形槽在缝隙接口 处，同时使用橡 胶板放置 在顶部缝 口，起到保 护 作 用。 ( 4 )四周的止水缝 。在周边缝缝 隙中放 置经过沥 青浸泡的青杉板 ，使用橡胶板来保护顶缝 口，在下部 放置止水铜片，用沥青砂浆层来填充挖槽 ，放置塑料 V C棒在顶部 凹槽 中。 3 坝基的建设处理 3 1 坝基的建造 ( 1 )设计需要开挖的坝基。把坝轴线上游两岸的 7 D 趾板线下方修整成比较平缓 的坡度。在低于趾板下 5 0 m 的范 围中挖掘坡度低 于 1 ： 0 4的坡 度 。两边岸坡 都按照 1 ： 0 2 5的坡度进行开挖。使用锚索对趾板以 上的岸坡进行牢固。共使用 2 0 0根长度为 2 5 m、承重 量为 1 9 0 t 的锚索 ，并采用梅花形设计。 ( 2 )坝基修建。趾板是修 建在弱风化 的基岩上 的，要使用加固底座布局 、用混凝土填充开挖区的办 法来解决软弱夹层、局部悬空、断层破碎带等问题。 比较密实的河床下层冲洪岩石层，可以直接作为坝基 使用 。对挖开 的建筑基 面 ，要对地 面进 行密 实处理 ， 为了确保河床岩石有稳定的渗透性，应该填充并密实 3 m厚的垫层料在河床建基层中，然后再填充并密实 3 m厚 的过渡料 。 ( 3 )在大坝轴线的下游岸坡部位，构造 3 0 m长的 主堆石，再构建 3 m长的过渡料与主堆石连接起来， 过渡料的覆盖范围应该在大坝轴线 9 0 m的下游范围 内。为使岸坡9 m内的主堆石料更加密实，应该把直 径比较大的石块分拣出来。 3 2 对坝基进行覆盖 针对河床段对平趾板的特性，研究出了以下几种 解决措施：防漏墙刚性连接措施；岩石趾板措 施 ；单防渗墙和双防渗墙措施 ；防渗墙柔性连接 措施 。通过认 真对 比上 面的几 种可行 措施 ，考 虑 到 各方面的情况，使用? 昆 凝土防渗墙柔性连接方法 ，具 有施工安全稳定 、投入资金比较少、施工时间比较短 的优点，因此在河床覆盖层比较深的地方安置了床段 平趾板基 础。趾板宽为 7 m、厚为 l m，建基高程为 2 0 8 0 m；使用混凝土防渗墙对趾板上游坝基进行防渗 保护，墙体厚度定为 1 3 m。 4 监控大坝的稳定性 ( 1 )大坝坝基渗压值在水位不断改变的情况下， 渗压值也越来越高，当水库水位为 2 2 0 0 m时 ，大坝坝 基的渗压值为0 2 4 3 MP a ，大坝内水位为 1 3 0 0 m。 ( 2 )在填充构造好坝体后，坝基土受到的压力逐 施工技术 Co n s t r u c t i o n Te c h no l o g y 渐变得非常平稳 ，不过随着水位的不断提高，还是对 其有一定的影响，经监测得到，坝基土可以承受 的最 大压力值为 1 8 5 9 M P a。 ( 3)不 同 部 分 的 坝 体 最 高 土 压 力 分 别 为 1 8 5 9 M P a 、0 8 0 4 M P a 、0 4 5 6 M P a 和 0 3 2 1 MP a ，随着 时间的不断增加，压力值也越来越高 ，但是增高的趋 势越来越平缓。大坝坝体高值最大为 1 2 6 0 m m，位于 桩号坝 横 0+0 6 8 4 、坝 纵 0+ 0 0 1 0 ，高 程 2 1 7 0 4 m 处。坝后坡移动最高值是往下游偏移 3 6 1 m m，下降 为 9 3 ra m。由以上监测结果可 以看 出，大坝后坡发生 时效形变是在蓄水时，蓄水位逐步平稳后，坝后坡就 逐步趋于平稳了。在使用监测仪器对大坝面板进行检 查时，仪器的监测数据都在正常的变化范围内；根据 测缝计显示 的测量结果 ，有一些 地方在受 到水 压 的作 用后 ，产生了很小的变形。固定式测斜仪监测数据显 示大坝面板发生 了少量 的位 移 ，且 顶部 移动范 围略大 一 些 ，但是数据在正常 的变化范 围 内。 由以上 监测数 据可以看出，大坝在高水位的情况，各个监测仪器所 监测到的数据都是正常的，说明大坝质量符合规定。 5 结 语 随着社会的发展 ，我 国在水 利水 电工程方 面也 取 得了非常大的成果 ，混凝土面板堆石坝也经常被使用 到大坝建设 中，但是还存在一定的缺陷。本文通过实 际工程情况 ，介绍 了混凝 土堆石坝在建 筑过程 中应该 注意的问题 以及正 确的处 理方法 ，并通 过仪器监测证 明这一系列方法是可行的，从而使混凝土面板堆石坝 在以后的坝工建设中更好地发挥作用。 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 圄澄，傅志安 ， 凤家骥混凝土面板坝工程 M 武汉 ：湖 北科 学技术 出版社 ，1 9 9 6 +“+“- 4 -“+”+”+“ 卜 “ - 卜 ” + -”+” 十 ” + “+n卜 ”- + -“+” + 一“ - 卜 “- 4 -“+” 卜 ” 一“ 十 “ 卜 ” 卜 “十” + “十“ 卜 “+” 卜 - 4 - - 十 r”十” 十 卜 “+“ 卜 ” “+”+”一”+“ “+ ( 上接 第 7页)较小 ，表面水 分蒸发 后得 不到 泌水补 充，易产生塑性收缩开裂 ，故应及时覆盖保湿。混凝 土浇筑后 61 8 h内养护。护坡的仓面、侧面铺麻袋 片湿水养护 ，护坦采用蓄水 、流水养护，养护至设计 龄期。在高速水流的作用下，施工残渣、杂物等类推 移质是产生混凝土表面磨损的重要因素，因此在施工 结束后，将认真将工作面施工残渣 、杂物等全面检查 与清理干净 。 5 结语 福鼎桑园水库大坝下游护坦、护坡工程于 2 0 1 2 年5月全部完工，工程在施工期及完工后都没有发现 混凝土裂缝及其他混凝土缺陷，施工质量良好。2 0 1 2 年 8月3日，由于 “ 苏拉”台风登陆，洪水超过溢流 堰顶 1 m，下游冲刷坑加 固后第一次承受水流冲刷 ， 未 出现质量缺 陷和安全事故 。经过此次福 鼎市桑 园水 库大坝下游护坦 、护坡工程 的实践 ，初 步掌握 了水工 建筑物泄流工程为提高 C 3 0混凝土的抗冲磨性能，应 采取的各项技术措施，并积累了一些经验 ，供 同类水 利水 电工程参考 。 参考文献 1 王波 ， 李玉德水工抗 冲磨混凝 土配合 比设计 探讨 J 人 民 黄河 ，1 9 8 7 ( 5 ) 2 水利水电工程施工手册 编委会 水利水电工程施工手册： 第三卷 混凝土工程 M 北京 ：中国水利水电出版社 ， 2 0 0 2 3 马建社 ，梁小勃浅谈过 ( 泄 ) 水建筑 物抗 冲磨 混凝土应用 及 技术 J 陕西水利 ， 2 0 1 0 ( 6) 4 陈改新 高速水流下新 型高抗 冲磨材料新进展研究 J 水利 发 电， 2 0 0 6 ( 3 ) 5 张四平 水工抗冲磨混凝土原材料选用分析 J 山西水利科 技 ， 2 0 0 7 ( 3 ) 7 7