九匈峡水利枢纽工程混凝土面板堆后坝设计.pdf

九 匈 峡 水 利 枢 纽 工 程 琨 凝 土 面 板 堆 眉 坝 设 计 张少杰，吕生玺，庞晓岚 (甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000) 摘要：九甸峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝建在深厚覆盖层上，坝址处为不对称狭窄河谷，岸坡陡峭。在高陡岸 坡处理、深厚覆盖层基础处理、高地震区抗震措施以及高寒、高海拔地区堆石坝施工技术等专题研究的基础上，对 混凝土面板堆石坝、坝基开挖及基础处理以及坝基深覆盖层处理进行了设计，并对坝体稳定性及应力应变进行了分 析。计算和观测数据分析表明，其成果满足规范要求。为深厚覆盖层及不对称狭窄河谷上建造高面板堆石坝的一次 成功探索。 关键词：面板堆石坝；设计；九甸峡水利枢纽 Desi gn ofConcreteFaceR∞k句ⅡD amforJi udianxi aW at er pr oject ZhangShaoj i e，LuShengxi ，Pang X i aol an G ansuW ater C ons er vancy and H ydropow erInvest i gat i onandD esi gnInst i t ut e，Lanzhou G ansu 730000) A bstr act：TheC FRDdamofJi udi anxi aW at er Proiectfounds ondeepoverburdenandt hedamsi t el ocat esonas ym m et ri c nal Towval leyw i t h st ee psl opes．A ft eradopt i ng t he st udy r esul t son sl opet reat m ent ，dee poverburdent re at m ent ，ear t hquake- resi stancem easureandCFR Ddamconst ruct i ont echnol ogyi nhi gh-col dandhi gh-al t i t udearea：t heCFR Ddam ，t hedam foundat i onexcava t i onandt re at m entandt he deep or erburdent reat m entw er e desi gned．The dana stabi l it y andt hes tr essand str ainw er eal so num e ri cal l yanalyzed．The si m ul at i onand m oni t ori ngdat aanal ysi s s how st hatt he desi gn m eetst he requi rem e nt s of speci f i cat ions andisasuccessful pract i ces f or const ruct i nghi gh CFR Ddamon deep overburdenand as ym met ri c na rrowvall ey． K eyW ords ：facer ockf illdam ；design；Ji udianxiaW aterProj ec 中图分类号：1 V641．43；TV 63( 242) 文献标识码：B 文章编号：0559—9342(2010) 11-0060- -04 九甸峡水利枢纽工程混凝土面板堆石坝最大高 度133nl，为l 级建筑物。500年一遇洪水设计。 5 000年一遇洪水校核。相应设计洪水洪峰流量为 3420m 3，s。校核洪水洪峰流量为4650m 3／s。工程 坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，设计烈度为8度，相 应地震动峰值加速度0．283g。 1坝址区地形地质条件 混凝土面板堆石坝布置在九甸峡峡谷进口的上 段，此处河床宽40～42m ，靠近左岸分布河床深槽 ( 深54- 56n1) ．靠近深槽的岩体边坡近于直立。河 谷两岸不对称．左岸2145m 高程以下自然边坡850 左右，局部为负坡；2145m 高程以上自然边坡为 300-40。。右岸地形坡度为300～45。，2 115m 高程发 育Ⅲ级侵蚀堆积阶地。阶地后缘形成80。以上的岩 墨盛W 越erPow er Vot．36No．1l 石高边坡。 坝址主要由上石炭～下二迭统(C3-P1) 的灰岩和 第四系全新统( Q 4) 不同成因类型的松散堆积物组 成。新鲜岩石饱和单轴抗压强度RC =75～95M Pa，岩 石坚硬完整、耐风化，局部地段岩层扭曲较为强烈。 坝址区河床覆盖层厚度一般为40～50m ．最厚 达54- 56m 。可分为三层：①上层为块石碎石土， 成分均为灰岩，块径一般8—20cm 。大者5—8m 。 结构松散，局部架空，无胶结。②中层为块石砂砾 卵石层，块石碎石成分均为灰岩。块径一般为0．5～3 nl ，大者5～8m ，最大达10余m ；卵砾石成分主要 收稿日期：2010-09—15 作者简介：张少杰( 19“一)，男。湖北鄂州人。高级工程师．从 事水利水电工程勘测设计工作． 兰：：!要：：竺!兰竺：!二!：竺竺：兰：兰竺竺兰!：竺三竺兰二罨二ii：暑瑚 为砂岩、灰岩、石英岩等，整层结构松散，无胶结， ③下层为砂砾卵石层，成分为砂岩、灰岩、石英岩 等，卵石多呈浑圆和次圆状；局部有2～3In的孤块 石分布，无胶结。从颗粒分析试验成果看，该层粗 颗粒居多，平均粒度不均匀系数为13．93。属不良级 配；承载力最小为1．5M Pa，变形模量为70～90M Pa。 2坝轴线的选择和确定 面板堆石坝坝轴线选择时。共对5条坝轴线进 行了布置设计。 ( 1)地形地质条件。比选的5条坝线均位于上 石炭一下二迭系厚层灰岩和角砾状灰岩上，岩层走向 N W 270。～295。．倾N E，倾角300～53。，岩石坚硬完 整，耐风化。从地形地质条件看，由于X号剖面上 游有F，断层的切割，使得F，断层的上游左岸岸坡 陡峻，局部有负坡存在。岸坡的开挖量和坝体填筑 量增大；X号剖面下游，坝体坐落在F7断层的下盘 上，稳定性得到保证；该处河谷狭窄，坝轴线较短， 岸坡开挖量和坝体填筑量相应较少。 ( 2) 工程总体布置。由于坝址区的峡谷长度仅 800m ，进口开阔，出口有两条沟谷切割，如坝轴线 选择偏上，会增加导流洞的长度和费用；如坝轴线 选择偏下。会因下游基坑 面积缩小．而影响下游围 堰的布置。 ( 3)工程投资。5条坝线方案开挖及填筑等工 程量相差不大．主要差别在导流洞长度上。 经综合经济技术比较。设计坝轴线选择了X V— XV 地质勘测剖面线。 3混凝土面板堆石坝设计 ( 1) 坝顶细部结构。坝顶高程2206．5m ，坝顶 长度232．0m ．坝顶宽度11in，坝顶上游设“L”形 防浪墙，墙底高程2203．0m ，坝顶以上墙高1．2113。 墙体上游面垂直。上游侧底部设有1．1m 宽检修人 行道。底部翼缘与混凝面板相接。坝顶下游侧设 置电缆廊道．用钢筋将其与防浪墙柔性连接。防浪 墙沿坝轴线方向每20m 设伸缩缝一道，以适应温度 应力和不均匀移t 陷。坝体上游坡比为1：1．4，下游坝 坡布置“之”字形马道。马道宽8．Om 。局部坝坡为 l ：1．4，平均坝坡为1：I．5。坝坡稳定分析采用简化毕 肖普法，计算参数采用非线性抗剪强度指标。 ( 2) 筑坝材料。①堆石料场位于洮河左岸瓦力 沟与扒泥沟之间，料场岩石裸露，岩性单一，岩石 强度高，耐风化，为厚层灰岩。开采条件优越，运 距较短。厚层灰岩比莺2．72，天然密度为2．69加m3， 饱和吸水率0．22．单轴饱和抗压强度为78M Pa。孔 隙率1．47：②坝体的主堆石料采用料场爆破开采的 新鲜灰岩料直接上坝；③下游堆石料选用料场弱风 化灰岩和坝区其他建筑物施工开挖料，可利用填筑 料主要有坝体左岸削坡、1号、2号溢洪洞、放空泄 洪排沙洞、发电引水洞、引洮隧洞等扦挖料：④过 渡料采用控制爆破的洞挖料直接上坝；⑤垫层料采 用新鲜灰岩机械扎制，人工砂及部分爆破石渣，筛 分分级后掺配而成。 ( 3) 坝体分区。坝体填筑料分区自上游向下游 依次为：①面板上游面下部土质斜铺盖lA 区。铺 盖的顶高程2130．O OI ll ，由厚3．0m 渐变为5．0 in。 ②盖重保护区1B区。采用建筑物开挖料填筑，顶 高程2130．00m ，顶宽3．0m 。上游坡1：2．5。⑧混 凝土面板(F)。④挚层区(2A )、周边缝处特殊垫 层区( 2B ) 。2A 区垫层料位于面板下部，水平宽度 3．0m ，等宽布置。在垫层底部周边缝处设置特殊垫 层区( 2B)，其断面为梯形，最小厚度2．0m ，顶宽 1．0m ，下游坡1：l。⑤过渡层区(3A ) ，过渡料为满 足垫层及主堆石水力过渡而设置，水平宽度5．0m ， 等宽布置。⑥主堆石区(3B)，是承受水荷载的主 要支撑体，大部分位于坝轴线上游部位。⑦下游堆 石区( 3C) ，位于坝轴线下游，高程2100．0m 以上 部位。⑧下游坝面干砌块石护坡区( 3D ) ，下游坝 面干砌块石护坡。 (4)坝体填料设计。①蛰层区(2A )：采用洞 挖中新鲜、坚硬的厚层灰岩人工轧制掺配而成。最 大粒径为100m nl 。小于5m m 颗粒的含量占35％一 50％．小于0．075m m 颗粒的含量占2％~8％，且级 配连续：设计干密度2．28t ／m 3，设计孔隙率16．2％， 渗透系数K =ixl0- 3lO％m ／s。特殊垫层料(2B)，采 用剔除大于40rain以上颗粒后剩余的垫层料，最大 粒径40rnnl，填筑层厚20cm 。设计干密度2．28t／m 3。 ②过渡层区(3A )：采用新鲜的灰岩爆破料和洞挖 料填筑。级配良好，设计最大粒径300m m ，小于 5n,l ／- tl 颗粒含量占11．5％～25．5％。小于0．075m m 颗 粒含量占00／0-2．5％．连续级配。设计干密度2．25t／m3， 设计孔隙率17．3％，水平宽5m 。③主堆石区 ( 3B)：采用料场开采的新鲜灰岩填筑。最大粒径为 600l rl m ．小于5m m 颗粒的含量占10％。20％，小于 0．075m m 颗粒的含量0％～5％，级配连续。设计孔 隙率19．1％，设计干密度2．2t ／m 3。填筑层厚80cm， 采用18t 振动碾碾压6～8遍，洒水量20％。④下游 堆石区(3C) ：采用料场开采的弱风化灰岩及其它 建筑物开采的弃料填筑。最大粒径为600m m ，级 配连续．设计孔隙率19．1％，设计干密度2．2t／m3。 填筑层厚80cm 。⑤下游坝面护坡( 3D)：采用干砌块 W at er Pow er I／01．36N o．11圈 罨二ii：j盈竺!竺三：：：：：：： 石护坡，考虑抗震因素，设计取护坡水平宽度1．2m 。 粒径大于300m m ，并在下游坡顶范围设置钢筋网。 (5)混凝土面板(F)。①面板厚度：面板最大 厚度t =0．69m 。承受的最大水力梯度为188，面板 顶部厚度0．3m (2203．0m 高程处) ，中间按直线变 化。②面板分缝：河床中央部分。面板压性垂直缝 设有ll 条，缝间距为12．0m ；两岸陡坡段面板受拉 区，设张性垂直缝，缝间距为6．0m ，左岸设4条。 右岸9条，共13条。③面板混凝土：面板混凝土采 用C30高性能混凝土，抗渗等级W IO ，抗冻等级 F250，面板总面积36200m 2。面板混凝土采用二级 配混凝土。限制粗骨料最大粒径dm ax≤40ITlnl．吸 水率不大于2．0％，含泥量不大于1．0％：细骨料吸 水率不大于3．00％，含泥量不大于2．o％，细度模数在 24以．8。④面板配筋：面板受压区采用单层双向配 筋，配筋率顺坡向为0．4％，水平向为0．35％。钢筋 布置在面板中部；面板受拉区采用单层双向配筋， 配筋率均为0．4％。面板垂直缝、周边缝处需设置边 缘加强钢筋．采用双层双向配筋。 ( 6)趾板。趾板布置为等宽窄趾板“6慨”形 式，厚度为0．8、0．6rt l ；混凝土设计强度等级C25， 抗渗等级W 8，抗冻等级F250。左右岸并取值为5。 15m ，采用喷聚丙烯纤维混凝土，厚度0．2m 。河 床段平趾板基础直接置于河床深覆盖层上。建基高 程为2073．5Il l ，趾板厚度0．8ITI。宽度6 nl 。河床 截渗采用混凝土防渗墙．趾板与防渗墙之间采用一 块连接板连接，连接板长度4．0m ，厚度0．8m 。 ( 7) 防渗墙。河床平趾板上游侧采用防渗墙截 渗，墙厚1．2m ，单墙面积约1002m 2。底部最低高 程为2047．0m ．墙顶高程为2074．3m ，墙顶长度 47m ，其中顶部2．8m 范围采用现浇C25混凝土， 下部采用机械造孔C25混凝土。墙体上下游侧均配 钢筋网，钢筋直径为西25ri -l m ，间距均为20c：m。 ( 8) 渗控工程。①帷幕灌浆：帷幕灌浆范围为 左岸坝肩沿坝轴线伸入山体水平长200m ，右岸坝 肩伸入山体水平长300113．整个帷幕深度约为坝高 的0．3～1．0倍。最大帷幕深136．2m 。桩号坝横0— 026．66以左和坝横0+287．02以右为单排。其余帷幕 均设两排．主帷幕设于下游，副帷幕深度为主帷幕 深度的2／3，孔间距2．0m ，排距1．5m ，河床防渗 墙处帷幕排距为0．8ITI；防渗帷幕线路总长990I l l， 帷幕钻孔迸尺7245lm 。②固结灌浆：在2134．72 m 高程以下孔深10m ，以上孔深8m 。灌浆孔沿趾 板底部呈梅花形布置，孔排距为3．0m x3．0m 。采用 自上而下孔内阻塞分段灌浆法施工．灌浆压力采用 0．4M Pa，灌浆材料一般采用普通硅酸盐水泥。 圈W aterPowerV oL36N o．11 ( 9) 接缝止水。本工程接缝形式共分周边缝、 面板与防浪墙接缝、面板张性垂直缝、面板压性垂 直缝、趾板伸缩缝、防浪墙伸缩缝6种。 4坝基开挖及基础处理 ( 1) 坝基开挖设计。坝轴线上游左右岸坡趾板 线以下分别削成平顺边坡。开挖边坡为1：0．25～1：0．3。 在趾板下游1／3水头( 40m ) 范围内开挖成不陡于1D ．5 的坡度。趾板线以上左岸岸坡按l：0．1。右岸岸坡按 l ：0．2边坡开挖，20m 高差分级设宽3．0m 马道，并 进行喷锚同坡处理。对水库水位变化区(2166m ) 趾板以上的开挖岸坡采用预应力锚索进行了加固。 设计锚索长30m 。200t 级。间排距为5m x5nl 的 梅花形布置。总根数为23l 根。 ( 2) 坝基处理。趾板基础在两岸置于弱风化基 岩上，凡遇到断层破碎带、软弱夹层、局部悬空等， 需彻底开挖后分别采用回填混凝土、底座局部加厚 等措施处理。河床覆盖层下层冲洪积砂砾卵石，属 密实～中等密实状态，可作为坝基保留。设计对坝轴 线以上部分全部挖除至2．073．50In高程，坝轴线以 下部分沿坝基挖至2。083Il l高程。对开挖完成的建 基面，进行强夯处理。然后在河床建基面首先夯填 2m 厚的垫层料，再夯填2rt l厚的过渡料，以保证 河床砂砾石的渗透稳定。 ( 3) 为减小坝体变形梯度。在坝轴线下游延伸 20ITI范围主堆石与岸坡接触部位．设置2．0I T I 宽的 垫层料。然后向坝内设置2m 宽的过渡料区与主堆石 之间衔接．过渡料范围为坝轴线下游80nl 。对靠近岸 坡8rn范围内的主堆石料，剔除30cm 以上的大块石。 加强碾压密实度，保证坝体变形过渡的协调。 5坝基深覆盖层处理 对河床段平趾板设计研究了以下处理方案：① 岩石趾板方案；②碾压混凝土高趾墙方案；③防渗 墙柔性连接方案(单防渗墙和双防渗墙方案)；(梦防 渗墙刚性连接方案。 对上述方案进行了比较。综合评价认为，坝基 深覆盖层处理采用混凝土防渗墙柔性连接方案工期 较短，费用较低，安全可靠；故选择了将河床段平 趾板基础直接置于河床深覆盖层上，建基高程为 2073．50m ，趾板厚度0．8m ，宽度6m ；趾板上游 坝基采用混凝土防渗墙截渗、厚度1．2r lr l，采用机械 造孔的坝基覆盖层处理方案。 6坝体稳定分析及应力应变分析 ( 1) 计算案。委托中国水利水电科学研究院 要：：!三：：竺三：竺：：二!：竺==竺兰竺竺竺兰竺竺竺三竺兰!E茹i：：互团 对该混凝土面板堆石坝河床平趾板设计的刚性墙 方案和柔性墙方案分别进行了平面和j 维计算分 析。平面应力变形计算中选取的典型断面为包含一 定深度覆盖层的河床断面，计算工况包括竣工期和 蓄水期，分析中模拟了坝体的实际填筑施下步骤和 蓄水过程；三维有限元计算中，沿坝轴线将整个坝 体分成25个横断面，计算中坝体填筑荷载的施加 与施工设计的步骤一致，面板之间的纵缝采用分离 缝的方法处理，面板与趾板间的周边缝采用软单元 模拟。 ( 2) 主要结论。①坝体沉降位移在深槽段偏向 坝体底部，坝体的沉降并不大。②平面计算所得坝 体在蓄水期的累积垂直位移为1．5／1 1左右，面板的 最大挠度为28cm 。三维计算分析所得的蓄水期坝 体最大沉降为1．3m 左右，坝体大、小主应力的最 大值分别在3M Pa和1M Pa左右，面板的最大挠度 在20cm 左右：防渗墙的位移约为1l一25 cm ，压应 力15M Pa左右。③刚性墙和柔性墙方案对坝体的 应力变形影响不大。④在水库蓄水的情况下，面板 的大部分区域呈双向受压的应力状态。沿坝轴线方 向．河床坝段的面板主要承受压应力，两岸坡处的 面板存在拉应力区。相对而言，右岸坡面板的拉应 力区略大。⑤竣工期防渗墙墙体向上游侧的变形并 不大，但蓄水后，墙体向下游变形。相对而育，柔 性墙变形稍大。⑥刚性墙方案的趾板下直接接混凝 土连接梁和双防渗墙，趾板底部变形较小，而面板 受坝体和覆盖层变形的影响，变形相对较大，两者 之间的变形差大于柔性墙方案。⑦柔性墙和刚性墙 方案整体应力变形分布均可满足坝体安全运行的要 求。相对而言，柔性墙方案适应地基变形较好，整 体方案较优。⑧在给定地震作用下，坝体加速度反 应在顺河向最为强烈，在河床中部最大。⑨在给定 地震作用下，坝体堆石最大动剪应力为334．3kPa。 坝体中各单元抗震安全系数均大于l。不会产生动 力剪切破坏。⑩面板地震动应力中，坡向和坝轴向 动应力较大，法向动应力较小。坡向最大动应力出 现在面板中上部，面板坡向最大动压应力为3．21 M Pa，坡向最大动拉应力为3．04M Pa：坝轴向最大 动压应力为2．68M Pa，坝轴向最大动拉应力为2．5l M Pa。迫少地震过程中防渗墙竖向最大动压应力为1．67 M Pa，竖向最大动拉应力为1．55M Pa；防渗墙坝轴 向最大动压应力为1．52M Pa，坝轴向最大动拉应力 为1．46M Pa。嗵≥地震引起的周边缝最大位移为：张 开10．8ITlm 。沉降10．1m i ll 。剪切9．3m m 。地震引 起的垂直缝最大位移为：张开7．5m m ，沉降4．5 m m ，剪切3．7m m 。⑩在给定地震作用下，坝体最 大顺河向残余位移中，向下游最大为20．3em ，向上 游的最大水平残余位移12．4em ；最大坝轴向残余位 移中，右岸10．2cm ，左岸9．8cm ；最大竖向残余位 移(沉降)为37．8em ，发生在坝顶处。嗵多在不考 虑孔隙水压力的消散时，算得的覆盖层中最大孔压 比为0．382；当考虑孔隙水压力的消散时，为0．052。 在地震作用下坝基覆盖层不会发生液化。唾$按动力 时程线法算得的不考虑上游水压力时面板抗震稳定 安全系数时程曲线的最小值为1．12．按动力等效值 法算得的最小安全系数为1．26．面板是满足抗震稳 定性要求的。4旁按动力时程线法算得的下游坡抗震 稳定安全系数时程曲线最小值为1．04．按动力等效 值法箅得的最小安全系数为1．15，在地震过程中下 游坡基本上是稳定的，不过安全裕度不大。 7观测资料的统计与分析 九甸峡大坝I监测的成果：①坝基渗压值随着坝 内水位的升高渗压值升高。在水库水位达到2 192．8 m 时，坝内水位在2097．8m 左右，坝基渗压值是 0．253M Pa；②坝基土压力值随着坝体填筑的完成， 其压力值趋于稳定。但随坝内水位的升高其值也受 到影响：坝基土压力值最大为1．76731M Pa。③坝 体内部土压力最大值分别为1．0795、0．70534、 0．3149、0．2792M Pa。土压力值随时间增长呈线性 变化。但随时间的增长，趋势减缓。坝体沉降的最 大值为1258m m ．位于桩号坝横0+067．5，坝纵0+ 000．0，高程2168．3m 。坝后坡位移标点最大值是 向下游移动34．7m m 。下沉10．31111111，从测得的成果 看．表明坝后坡在蓄水期处于时效变形期，在蓄水 位稳定后变形餐将随之变小。面板部位的观测仪器 随着坝前水位变化各监测仪器值均正常变化，应变 计测值为负，表明面板受压；测缝计无异常测值间 差。表明部分部位受水压作用有较小的变形。同定 式测斜仪测得面板向下游位移，顶部大于底部，一 期面板与二期面板结合部位挠度最大，在水库处于 高水位状态下的观测数据表明，各监测仪器在受压 状态下呈规律变化，无异常。 8结语 九甸峡水利枢纽的混凝土面板堆石坝是建在高 海拔、高震区、严寒气候、高陡边坡、窄深峡谷和 深厚覆盖层上的高面板堆石坝。从观测仪器监测的 数据成果分析看。观测数据均呈现规律变化，无异 常现象。数值的大小也符合计算条件，其成果满足 规范要求。 ( 责任编辑刘书秋) W cEer Pow erV01．36N o．11固