冲乎尔水电站碾压混凝土重力坝的设计.pdf

小水电2 0 1 1 年第3 期 ( 总第 1 5 9 期) 规划设计 冲乎尔水 电站碾压混凝土重力坝的设计 李劲飞 ( 新疆水利水电勘测设计研 究院新疆鸟鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 【 摘要】详细介绍了冲乎尔水电站大坝的设计，由于工程所在地特殊的气候条件，碾压混凝土的冬季保温是本工程 的一大难点；经过温控计算及参考相关工程的施工经验教训，找到了最好的解决办法。表 3 个。 【 关键词】碾压混凝土重力坝 坝设计严寒保温 1 工程 概况 冲乎尔水 电站位于新疆 阿勒泰地区某县境 内， 主要以发电为主 ，兼有灌溉 、供水任务 。水库总库 容 0 8亿 m 3 ，电站装机容量1 1 0 MW，为 中型 等 工 程 。 2 水文气象及工程地质 2 1 水文 气 象 坝址以上流域 面积1 0 9 3 0 k m 2 ，多年 平均年径 流量 4 3 1 7亿 m 3 ，多年平均流量1 3 6 8 5 m 3 s 。设计 洪水频率为 1 0 0年一遇 ，洪峰流量 p=2 0 3 6 m 3 s ； 校核洪水标准频率为 1 0 0 0 年一遇 ，洪 峰流量 p= 2 6 2 3 m3 s 。 工程坝址 区属大陆性北温 、寒温带气候。工程 所在地气候干燥 ，春秋季短 ，冬夏季长 ，夏季较凉 爽 ，冬季多严寒 ，气 温年较差悬殊 ，日较差 明显 。 多 年 平 均 气 温 2 6 0 ，历 年 极 端 最 高 气 温 3 6 6 0 ，历年极端最低气 温 一4 5 ，多年平均 降 水量2 6 9 4 0 m m；历年各月最大积雪 深3 6 c m，多年 平均蒸 发量 1 8 0 0 i n m，多年平 均最大风 速2 8 m s ， 最大冻土深度1 2 7 m m。 2 2工程 地质 坝区在区域构造上属阿尔泰褶皱系的克兰地槽 褶皱带 内，区内断裂展布 以 N W W 向和 N N W 向为 主，根据历史地震分布 ，工程 区属外围中强地震的 波及区，地震动峰加速度值 为0 0 5 g ，相应地震基 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 3 2 9 作者简介 ：李劲 飞 ( 1 9 7 7一) ，男 ，工程 师 ，主要从 事水 利 水 电工 程设计 工作。E m a i l ：l ij i n f e i l 8 1 6 3 c o m 本烈度为 6度 ，建筑物设防烈度为 6度。 库区位于冲乎尔断陷盆地北侧的峡谷 内，出露 的地层岩性主要为云母石英片岩 、变质砂岩和部分 花岗岩等 中硬 坚硬不透水岩层 。第 四系地层在库 区两岸 阶地 、河谷 、冲沟出口及下游 以及陡坎下部 广泛分布 。库区无 区域性断裂通过。 坝址 区河谷 呈不 对称“ U ”形 ，走 向近南 西 向 ，河流纵坡约 3 1 o 。谷底 与两岸山顶相对高差 近2 0 0 m，河床宽 9 01 2 0 IT I ，正常高水 位处谷 宽 5 3 0 m。左岸山体陡峻 ，岸边残留有 级堆积 阶地 ； 右岸坝线上游发育 级堆积阶地 ，岸边分布有 级 侵蚀阶地 ，阶地前缘为基岩陡坎 ，阶面地形平缓 。 坝址 区出露的地层岩性 以云母石英片岩为主， 呈 中 厚层状。阶地 、冲沟 、岸坡坡脚、河床等部 位分布有厚度不等的风积黄土、碎石土及粉土 、含 土碎石 、含漂石砂卵砾石等。 3 枢纽布置 枢纽工程主要由碾压混凝土挡水坝段 、表孔溢 流坝段 、底孔泄洪坝段及左岸发电引水系统坝段等 组成。采用坝后式厂房 ，压力钢管为坝后背管，表 孔坝段布置在河床段 ，底孑 L 坝段布置在右岸阶地。 4 大 坝设计 4 1 大坝轮廓设计 大坝为碾压混凝土重力坝 ，最大坝高7 1 1 T I ，坝 顶宽度为8 1 T I 。坝体上游面高程6 9 5 m 至坝顶为垂直 面 ，高程6 9 5 n l 至坝基 为 1 ： 0 2的斜坡面。坝体下 游面7 4 9 0 6 1T I 以上为垂直面，7 4 0 4 6 m以下由1 ： 0 7 的坝坡连接至坝基。7 4 9 0 67 4 0 4 6 m 之 间以 = 3 9 规划设计 1 5 m 的圆弧 连接 。 4 2 坝体 分 区及 混凝 土设计指 标 1 )坝体分 区。坝体混凝土设计主要考虑挡水 坝段和溢流坝段 2种剖面。在分析坝体在各种工况 工作条件及应力计算 的前提下 ，为满足坝体应力控 S MA I I HYDR0 P OW ER 2 01 1 No 3， T o t a l No 1 5 9 制要求 ，坝体混凝土应满足强度 、抗渗、抗冻、抗 侵蚀 、抗冲刷 、低热等性能方面的要求 ；另外 ，坝 体材料分区应在满足强度及耐久性要求的前提下 ， 力求简洁 ( 见表 1 ) 。 表 1 碾压混凝土坝备 部位 混凝 土设计指标 2 )混凝 土设计。工程采用 c 2 、c 3料场 的天 然砂砾料 ，其碾压混凝土配合 比如下 ( 见表 2 ) 。 表 2 施工碾压混凝土配合比 4 3 坝体防渗结构 上游防渗层采用二级配碾压混凝土加变态混凝 土防渗方案 ，7 4 0 1 1 1 高程以下厚度为4 m，7 4 0 m 高程 以上厚度为3 5 i n 。 4 4坝 体分缝设 计 坝体根据地基条件、结构布置 、施工浇筑条件 以及混凝土温度控制等因素 ，设置永久横缝 ，将大 坝分 为 2 9个 坝 段。非 溢 流坝 段横 缝 间距 一般 为 4 0 2 0 m，溢流表孔坝段间距为1 9 m，泄洪底孔坝段宽 度为2 3 m，发电引水系统坝横缝间距为1 5 5 i n 。 4 5 止 水 系统设计 坝体上游二级配碾压混凝土 防渗层及 坝体下游 非溢流坝面横缝 内设置 2道止水 ，第 1 道为紫铜片 止水 ，第 2道为橡胶止水 ，缝 内填充 1 e m 厚沥青木 板。上下游横缝止水均埋设在坝踵和坝趾的止水基 座内，止水片埋入基岩 内的深度为5 0 e m，止水槽设 小水电 2 0 1 1 年第3 期 ( 总第 1 5 9 期) 规划设计 8月份必须采取降低骨料和水泥 的温度并通冷却水 降温等 特殊温 控措施 ，否 则坝 体最 高温 度会超 出 要求 。 5 大 坝监测 设计及成果分析 为了解和评价大坝的运行状 况，本工程设立的 主要监测项 目有坝体变形监测 、温度应力应变监测 、 渗流观测 、水力学监测 等，监测系统采用 自动化系 统 ，具备 自动数 据采集 功能 和信 号越 限报 警功 能 ( 见表 3 ) 。 置插 筋 。 坝内所有穿越横缝 的廊道 ，均在其周边横缝 内 布置 1 圈橡胶止水带。对 于中轴线与横缝重合的廊 道，在其顶部和底部的横缝上各设置 1 道橡胶止水带。 4 6 坝体 坝基 排 水设计 为了灌浆 、排水 、监测 、交通及运 行维护的需 要 ，碾压混凝土大坝设置纵 向廊道 ，断面为城 门洞 型 ，布置 2层 ，高程 分别为7 2 5 m、6 8 6 m。除基 础 灌浆廊道外 ，其下游主河床段设有 网格状的基础排 水廊道，纵向为 2 道，横向为 3 道，断面为城门洞型。 坝体排水孔设置 于上游二级配与三级配混凝土 交界面上，从左岸至右岸形 成坝体排水幕 。通过坝 面二级配混凝土 的渗入排水 管，再汇集至排水廊道 和集 水 井 ，抽 排 出坝 体 。排 水 孔 间距 3 m，孔 径 声 1 1 0 ra i n 。大坝上游侧设置横缝排水 管 ，位于最后 一 道横缝 止水下游0 5 m处 ，横缝排水 管采用 塑料 管 ，直径 1 1 0 i n l n 。 4 7坝基 处理 本工程岩体 以中 厚层状云母石英 片岩为主 ， 局部片理发育带属薄层状 ，为保证原状岩体少扰动 ， 应严格控制施工爆破 。根据 岩石特性 ，保护层厚度 控制为 2 5 3 m，以保证坝基下岩体质量。 在坝基范围内进行铺盖式 的固结灌浆 ，固结灌 浆在大坝基础混凝土浇筑完成且达到 5 0 强度后实 施 ，固结灌浆孔 深5 IT I ，孑 L 排距 3 m，梅花形 布置。 帷幕灌浆深度按3 L u 线 和坝基承受 最大水头 的 1 2 控制 。灌浆深度为3 L u 线 以下5 m。帷幕灌浆设置 1 排 ，最大帷幕深度 为 4 0 m，孔距为2 m。右岸 帷幕 灌浆向坝肩延伸3 0 m，深度为4 0 IT I 。 4 8温 控 设 计 通过温控计算 ，工程采取如下温控措施 ：夏季 温控的主要 目标是降低( 同 自然拌 和相 比)坝体混 凝土最高温度 5 o c7 。基础约束区的夏季温差较 大，尽可能安排在较低气温季节内完成 ，如 45月 份及 9月份后施工 。4 、1 0月份浇筑 混凝土 时，由 于外界温度较低 ，在 自然情况浇筑 即可满足温控要 求 ，基 础温 差在 允 许 范 围 内 ，所 以无 须 进 行 特 殊 的 温控措 施 ，只须 加 强 混 凝 土 的 养 护 ，混 凝 土 浇 筑后 及时以保温板进行覆盖 。5 、9月份 ，可 以采用一般 的温控措施降低骨料和水泥的温度来降低混凝 土的浇筑温度 ，从而控制混凝土的最高温度。6 、7 、 表 3 大坝监测项 目 施工中监测未发现大的异常 ，各仪器运行正常。 6 工程特点 1 )该工程位于严寒地区 ，施工条件差 。工程所 在地积雪较厚 ，冬季有 45 个月均不具备露天施工 条件 ，导致有效施工时段较短 ， 期安排较为困难 。 2 )施工期和永久运行期各建筑物过冬保护和防 冰冻破坏是设计的难题 。由于工程所在地特殊的气 候条件 ，碾压混凝土 的冬季保温是本工程 的一大难 点 ，经过温控计算及参考相关工程的施工经验教训 ， 大 坝越 冬保温 采 用 喷涂 5 c m厚 聚 氨酯 泡 沫 。相 对 于 传统的保温方式 ，聚氨酯保温保湿效果显著，且施 工方便 ，经过 工程 建设 阶段 2个越 冬期 的实 践证 明 ， 未发现混凝土的贯穿裂缝 ，因而值得在寒冷地区推 广应用 。 ( 下转第 5 9页 ) 41 小水电 2 0 1 1 年第3 期 ( 总第 1 5 9 期) 计算机应用 提出的连接请 求时 ，采用标准 的 Mo d b u s T C P协议 与上位机监控程序进行通讯 ，将采集到的数据发送 给上位机监控程序 ，同时转发监控程序需要下发到 各工控设备 的参数 。 n 号 串 【 服务器 图 2 通讯工作站工作原 理 1 一 厂 长办公室 监控 计算机 九峰水库坝上闸门监控通讯工作站负责坝上各 设备数据的采集 ，电站通讯工作站负责电站各设备 数据的采集 通讯服务程序通过开放不同的端 口，可以同时 与多台监控计算机进行通讯。 4 2 工作 特点 由于设备通讯过程中 ，一个设备不能 同时与多 台计算机通讯 ，所以当系统中有多台监控计算机需 要共享数据时 ，通常的做法是 以先启动的监控计算 机作为主机 ，与设备进行通讯 ，其它监控计算机作 为从机与主机进行通讯 、共享数据。主机关 闭时 ， 从机 自动切换为主机 ，与设备进行通讯。在这种模 式下 ，如果监控计算机数量多于 2台时 ，切换过程 比较复杂 ，容易发生错误 。 由于通讯工作站的使用 ，监控系统 中的各监控 计算机都单独与通讯工作站进行通讯 ，监控计算机 之间 相 互 独 立 ，没 有 数 据 联 系 ，不 再 需 要 主从 切 换 ，各监控计算机都可以当作主机来使用 ，数据采 集更加顺畅。 5 监控计算机 监控计算机选用西门子 5 4 7 C工控机 ，安装 I F I X 4 5中文版组态软件 ，使用组态软件 的 MB E驱 动。监控计算机接入水 库局域 网中，MB E驱动通 过网络采用 Mo d b u s T C P协议与通讯工作站 的通讯 服务软件进行通讯 ，采集设备的数据 。 1 )电站监控计算机 。电站有 2台监控计算机 同时与电站通讯工作站上的通讯服务程序通讯 ，互 为冗余 。 2 )厂长办公室监控 。厂长办公室监控计算机 安装有监控程序，可同时与电站监控通讯工作站和 坝上闸门监控通讯工作站进行通讯。 监视画面内容在 电站监控程序的基础上增加 了 泄洪 闸和引水 闸的监控信息 ；同时从 电站安 全考 虑 ，取消了控制功能 。 6 结语 网络化在计算机监控系统 中的运用 ，使 网络中 的任何计算机通过 Mo d b u s T C P协议都能读取到任 意设备的数据 ，实现了网络数据的共享 ，极大地提 高了监控系统的扩展性 、冗余性。通讯工作站的使 用 ，使得系统 中的监控计算机无需进行主从切换 ， 系统更加稳定 。 监控 系统 的网络化必将成为监控发展 的一个 趋势 。 责任编辑吴昊 S 址 S S S S S 吐 S 址 5 止 ； S 屯 址 5 L 也 ； 也 S l L L L 址 5 t S 址 驰 ； 舢 L ； 屯 S 舢 址 址 S S 址 ( 上接 第 4 l页) 7 结语 1 )由于本工程岩石 条件较好 ，设 计采用 了 1 道帷幕灌浆 ，但施工时发现 ，河床坝段的灌浆效果 不是很好 ，故对该段进行了加密补灌 ，并适 当增大 了灌浆压力。 2 )下游 坝坡 为 1 ： 0 7 ，造成 坝体顶部结构较 窄 ，工程设计 中，对碾压 混凝土进行 了常规 的分 区 ，造成施工至坝顶部位时无法正常碾压 。建议今 后在混凝土结构尺寸较小 的部位分区应尽量单一 ， 避免 碾压 不密 实 。 责任编辑吴昊