梅州市清凉山水库混凝土砌石重力坝加高技术方案论证与筑坝材料优选.pdf

设计 与施 工 水 利规 划 与设计 2 0 1 1年 第 1期 梅州市清凉山水库混凝土砌石重力坝 加高技术方案论证与筑坝材料优选 罗 怎詹 ( 梅 州 市清凉 山供 水有 限公 司 广 东梅 州 5 1 4 7 6 8 ) 【 摘 要】 本文介绍 了清凉 山水库工程概况 ，总结 了重力坝加 高 的六 种形式 ，分 析清凉 山水库加 高工程特性 ， 通 过技术比较和筑坝材料优选 ，因地制宜利用库底低 温水和 系列温控 措施解决 了冷却 问题 ，全面论 证清凉 山水 库后帮整体 式加高方案 ，推动我国重力坝加高技术发展 。 【 关键词】 清凉山水库 重力坝加高 技术方案 筑坝材料 【 中图分类号】 T V6 4 2 4 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 1 )0 1 0 0 6 7 0 4 【 D0I 编 码 】 1 0 3 9 6 9 1 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 1 O 1 0 2 2 l 概 况 工程 。 清凉山水库位于梅州市西南方的西阳镇石壁背 村 ，坝址位于 梅江 一级 支 流 白宫河 中游 ，集 雨 面积 9 4 3 6 k m。 ，正常水位 2 3 2 m，正 常库 容 3 3 7 0万 m。 ， 总库容 3 6 8 1万 m。 ，主 坝为 C1 0细石 混凝 土砌块 石 重力 坝 ，最 大 坝高 5 8 9 m，是 以供 水 、防 洪 为 主 ， 结合 灌 溉 、发 电 的 多 年 调 节 中 型 水 库 ，水 库 于 2 0 0 2 年 开始 供水 ，2 0 0 4年建成 。 清凉山水库是一项重要民心工程 ，为了提高西 阳镇防洪标准、改善农 田灌溉和保障梅城供水，保 障城 区人 民群 众 饮 水 安 全 ，2 0 0 8年 9月 ，决 定 对 清凉 山水库 进行 扩建 ；2 0 0 9年 1 0月 ，广 东 省 发展 和改革 委员 会批 准立 项 ( 粤发 改农 字 E 2 o o 9 1 1 1 7 号) 。 清 凉 山水库 扩建工 程 可行性 研究 阶段 论证 结果 表 明 ，通过 大坝加 厚加 高 、溢洪 道改 建 、左岸条 形 山加 固 、分 层 取 水 设 施 、管 理 信 息 监 测 系 统 等 工 程 ，正 常水位 为 2 3 7 m，抬 高 5 m，正 常库 容 4 3 0 7 万 m。 ，总库容 4 8 6 4 万 m。 ，最 大坝 高 6 6 1 m，大 坝加 高 7 2 m，工程规 模 为 中型 ，洪水 标 准采 用 5 0 年一 遇设 计 、 1 0 0 0年 一 遇 校 核 ，扩 建 后 每 年 可增 加城市供水 1 0 0 0万 m。 ，水库下游防洪标准提高到 3 0年一 遇 ，同时 可增加 保灌 面积 、改 善 下 游生 态 ， 工程 效益显 著 ，是 白宫河 流域综 合 治理利 用 的关键 2重力坝加高技术方案 比较 2 1 国 内外重 力坝加 高 工程成 功案例 因工程 投资 较小 、经济 效益 显著 ，国外 大坝加 高 建设 相对 已有 上百年 的历 史 。早在 1 9世 纪 以前 ， 国外就 对 部 分 大 坝 进 行 了 加 高 ，如 西 班 牙 的 Al n a l n s a 坝 ，意大利的 P n o t a l o t 坝 ，澳大利亚的 P a r a r ma t a 坝 ，瑞 士 的 Gr a n d Di x e n c e坝等 。2 O世 纪 初期 ，随着筑坝技术 的发 展，埃及 的 As wa n坝， 美 国的 L a k e S p a u l d i n g坝 等也 进 行 了加 高。在 1 9 3 0年后 大坝 加 高 的优 越 性 进 一 步 表 现 出来 ，世 界上许多国家开始采用大坝加高方式进行扩建。 我 国是 世 界上建 坝最 多 的国家 ，据统 计 ，我 国 共 建 成各类 水库 总 计 8万 多 座 ，其 中大 型水 库 3 5 5 座 ，中型水 库 2 4 6 2座 ，这 些 大 坝 为 我 国的 工农 业 发展起到了很大的促进作用 。受兴建时技术经济的 局 限性 ，有 近 三 分 之 一 的 土 石 坝 由 于防 洪 标 准 较 低 ，需 要进行 加 高加 固处理 。由于重力 坝加 高技术 较 为复 杂 ，已实施 的重 力 坝加 高工 程 在 国 内很 少 ， 如 四川龚 嘴大 坝 、大连英 那河 大坝 、湖北 丹江 口大 坝等 。 作者简介 ：罗志唐 ( 1 9 7 2年一) ，男 ，高级工程 师 ，清凉 山水 库扩建工程 总工程师 。 6 7 设计 与施工 水利规 划与设 计 2 O 1 1 年 第 1 期 大连英那 河 大 坝 ( 加 高 1 5 m)是 我 国 目前 已 建成 的第 一宗浆砌 石重力 坝加高工 程 ，清 凉 山水库 大坝加 高是广东 省第 一 宗浆 砌石 重 力 坝加 高 工程 ， 随着近年来 国 内有关 混凝土 裂缝成 因 、施工 防裂方 法 和安全快 速施工技 术 的明显突破 ，清凉 山浆砌石 重 力坝加高 工程 的实 施将进 一步推动 基础理论 和应 用科 学技术 的发展 。 2 2 大坝加 高技术 方案论证 2 2 1 重 力 坝 加 高 类 型 综 合重力 坝加高在 国 内外 的多宗成 功案例 ，加 高技术 方案可分 以下六种形 式 。 ( 1 )后帮整 体型 。其技 术方 案是 ：在 老坝顶部 和下游 面加 筑混凝 土 ，新老 混凝土 粘结在一 起构成 整体 ；成功 案例有 ：委 内瑞 拉古里 坝 、瑞士 大狄克 桑 斯坝 、 日本王泊 坝 、川上 坝 。 ( 2 )后帮分离型。其技术方案是 ：后帮部分压 在老坝下游面上 ，起支撑作用 ，新老接合面用其他 材料 如金属板 隔开 ，两部 分各 自独 立地工 作 ，使 原 坝体不 产生 内应 力 ；成功 案例有 ：埃及 阿斯 旺坝第 二次加 高工程 。 ( 3 )前帮整体 型 。其 技术方案 是 ：在 老坝 的上 游 面浇筑 前帮混凝 土 ，从 坝踵至坝顶 ，老坝 的上游 面变为新 老混凝土 的接合 面 ；成功案 例有 ：美 国马 歇尔福特 坝 。 ( 4 )前 帮加后 帮型 。其技术 方案是 ：在老 坝的 游面、下游面及坝顶上部加筑 ；成功案例有 ：美 国的罗斯 坝 。 ( 5 )直接加 高型 。其 技术方 案是 ：将 老坝坝 顶 拆除一部分，然后浇筑新混凝土 ，将坝顶升高；成 功案例有 ：埃及 阿斯旺坝 、穆尔拉 多兹坝 。 ( 6 ) 预应力钢索加 高型 。其技术方 案是 ：在老 坝顶 部加 高 ，从新坝 顶部钻孔 ，深入基 岩 ，用钢 缆 索锚到基岩 内，再灌浆，在新坝顶部设置千斤顶， 施加预 应力 使 坝体 处 于受 压状 态 ；成 功案 例 有 ： 西班牙 的哈布拉 坝 ，亦称科 伊 内法 。 2 2 2 清凉 山水库大坝加 高工程 特性分析 ( 1 )清凉 山水库 大坝原 坝体材料 为混凝 土砌块 石 ，如采用 与 旧坝体不 同的材 料 ，新 旧坝体 的弹模 差异 很大 ，相互之 间的不利影 响也会加 大 ，容 易形 成裂缝 ，因此 。新坝体 材料应优 先选用混 凝土砌 块 石 。 ( 2 )清凉 山水 库担 负着 梅 州 城 区 的供 水 重任 ， 原设计 日供 水 量 1 5万 t d ， 目前 清 凉 山水 库是 唯 一 的主供水源 ，扩 建工 程 实施 期 间仍 需 连续 供 水 ， 6 8 因此 ，水 库不符 合放空 施工 的要求 ，故 无法进 行前 帮式加 高 。 ( 3 )经坝体 稳定计 算 ，如 采用直接 加高 ，坝踵 应力 较大 ，通过灌 浆措施仍 难 于达到规 范要求 。 ( 4 ) 清 凉 山 水 库 大 坝 迎 水 面 设 l m 厚 防 渗 面 板 ，每 2 0 m 设一 条 分缝 ，坝 体 是 C 1 0混凝 土 砌块 石 ，每 4 0 m 设 一 条分 缝 ，与 混 凝 土重 力 坝 存 在本 质性 区别 。 以上分析 表 明，清凉 山水 库扩建 工程适合 采用 后 帮 整 体 式 加 高 方 案 ，大 坝 加 高 后 坝 顶 高 程 为 2 4 0 8 m， 防 浪 墙 顶 高 程2 4 2 1 m， 最 大 坝 高 6 6 1 m，较原 坝 加 高 7 2 m。下 游 坝坡 在 2 3 2 6 4 m 以上 垂直 ，2 3 2 6 4 m 以下采 用 1： 0 8 2培厚 ，平 均 培厚 7 8 m，详见挡 水 坝标 准 断面 图。溢 流坝 段 总 长 2 6 m，溢 洪 道 2孔 ，净 宽 1 0 m，采 用 WE S工型 堰 ，堰 顶高 程 2 3 1 5 m，较原 坝加高 6 O m。 清凉山水 库建 成 于 2 0 0 4年 ， 目前 ，坝 体 已形 成 准稳定 温度场 ，借鉴 英那河 水库和 丹江 口水 库加 高工程取 得一些 成功经 验 ，后 帮整体 式加高 的技术 难 点主要是 新浇 筑坝体 材料温度 应力控 制 ，必须 控 制 新老坝体 之 间的变形协 调和应 力分 布 ，让新老 坝 体永 久牢 固地结合 ，作为一 个整体 结构共 同发挥重 力稳定 作用 ，确保 大坝安全 运行 。 图 1清凉 山水库大坝 3 清凉 山水库大坝加高技术方案 3 1 坝后 坡结 合面处理 大坝加高普遍采用坝后坡结合面处开凿成梯级台 设计 与施 工 水利 规划 与设 计 2 0 1 1 年 第 1 期 阶的形式 ，但是从大连英那河水库 建造过程看 ，在砌 石坝后坡开凿 台阶难度非常大 ，工期长 ，工 日多。 为 了更好 的 了解 结 合面 的力 学性态 ，有 限元计 算采 用接 触单 元进行 模 拟结合 面 。 计算 结果 表 明 ，对 坝踵垂 直应 力 、约束 剪切位 移中的抗剪强度 ，设置锚筋不如键槽 ，且锚筋 的轴 力不 大 ，远未 到达锚 筋设 计值 。 新老 混凝 土界 面若存 在缝 面 张开 的情 况 ，通过 设置 键槽 ，可使 坝踵及 坝 体应力 大 为改善 ，且 梯形 键槽 比矩形 键槽 的抗 剪性 能更好 。 清凉山水库 扩建工程大坝采用梯形键槽面宽 1 2 5 m，底 宽 0 5 m，高 0 5 m，每 4 m 高 设 一条 键 槽 ，每条 键 槽 长 7 5 m 8 5 m，同一 排 的两 条 键 槽 间距 为 1 5 m2 m ( 见 图 1 ) 。 3 2大坝加 高材 料优 选 3 2 1混 凝 土 性 能 试 验 为 充分利 用 国 内科 研 院所 的技 术 优势 ，建设 单 位 与广 东省 水 利 电 力勘 测 设 计 研 究 院联 合 申请 了 “ 清 凉 山水 库 砌石 重力 坝 加 高 新 老 坝体 结 合 技术 研 究 与应用 ”技 术创新 项 目，专 门委托长 江科 学 院完 成 了扩建 工程 混 凝 土性 能试 验 研 究 ， 以水 化 热低 、 抗拉 强度 高 、极 限拉 伸 大 、收 缩小 为 目标 ，对 不 同 部位 的混 凝 土掺 加 了不 同 的外 加 剂 ，通 过 多 次 试 验 ，合理选 择 混凝土 配合 比，材料 的热 学参数 详见 表 1 。 3 2 2 筑 坝 材 料 优 选 由于清凉 山水 库大 坝两岸 山体 陡峭 ，较难 开挖 施 工道 路 ，块 石上 坝 困难 ，而混凝 土则 可通过 泵送 方法解决进料难题 ，此外混凝土的粘结性能要 比砌 石混 凝 土 的好 。针 对 不 同部 位 对 采 用 C 1 5混 凝 土 砌块 石方 案 和混凝 土方案 进行 比选 。 挡水 坝分 别 考 虑 用 C1 5混 凝 土 、混凝 土 砌 块 石 以及 预 留 0 5 m 1 0 m 宽混 凝 土 施 工 缝 三 种 加 高方案进行 比较 。采用混凝土砌石+C 1 5宽缝，与 全部 采 用 C 1 5混 凝 土 相 比，水 化 热 产 生 温 度 低 4 ，结合 面上 最 大 剪应 力 相 差 不大 ，但 枯 水 期 应 力 集 中点 最 大 主 拉应 力 小 1 5 ，可 见 采 用 混 凝 土 砌石可降低由水泥水化热产生的温升 ，改善坝体应 力 。浇 筑过 程 中预 留宽缝 ，与整 体浇筑 相 比 ，增加 散 热 面可 降 低 温 升 。而 在 结 合 面 ，采 用 C 1 5混 凝 土 比 C 1 5混 凝 土 砌 块 石 的粘 合 性 能 要 好 ，可 抵 抗 较 大 的剪切应 力 。 由于混凝 土砌 块石 较混凝 土材 料 的水泥水 化热 低 ，散热 小 ，而石 头本 身又可 以吸收热 量 ，并 不造 成 自身 的 温度 应 力 ，所 以挡 水 坝采 用 混 凝 土 砌 块 石 ，最 大限度 解决 了温度 应力 问题 。通 过有 限元仿 真计算比较，冬季混凝土砌块石条件下坝体最大主 拉应力可降低 3 2 ，结合面 的最大剪应力可降低 5 ，同时可有 效 地 降低 上 游 坝 踵 拉应 力 ，具 有 明 显优 势 。 表 1坝体材料及基岩热学参数汇总 项 目名称 C 1 5混凝土 C1 5 砌石混凝土 C 2 5混凝土 砂岩 单位 部位 基础垫层 混凝土 溢流坝接长 挡水坝加高混凝土 溢流面混凝土 基岩 导热系数 1 8 4 8 1 8 4 8 2 1 0 1 2 5 1 5 2 k J ( m d ) 比热 C 0 8 8 O 8 8 0 8 8 0 7 2 k J ( k g) 导温系数 O O 8 4 0 0 8 4 0 0 8 4 0 1 3 4 k J m d 放热系数 一空气 1 4 4 0 1 4 4 0 1 4 4 0 | 绝热温升 3 5 9 O r ( 2 0 1+r ) 1 8 6 7 3 ( 2 0 1 +r ) 2 2 6 ( 1 一e o 6 9 ) f 膨胀系数 8 9 E 一6 8 9 E一6 8 9 E一6 6 E一6 1 弹性模量 1 2 5 1 2 5 2 8 O 2 8 o Gp a 泊松 比 O 2 O 2 O 2 O 2 5 f 密度 2 4 0 0 2 4 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 K g m。 3 3大坝 混凝 土温 控措 施 参 考 国内外 混 凝 土工 程 施工 经 验 ， 通 过 温控 措 施 可有 效改 善坝体 应力 ， 而 采用 骨料 预冷 、 加冰 拌和 需 要专 门 的制冷 设 备 ， 费用 较 高 。考 虑 到 清凉 山水 库库底水温长期保持在 1 6 以下 ， 对溢流坝段 C 2 5 混凝土 ， 采用较经济的埋设冷却水管等系列温控措 施 ： ( 1 ) 直 接 引用库底 水对 骨料 进行 预冷 ； ( 2 ) 用 库底水 进行 混凝 土搅 拌 ； ( 3 ) 采 用 直 径 为 3 2 mm 的高 强 度 聚 乙烯 管 ， 壁 厚 2 mm， 每 浇筑 层 仓 面 中部 蛇形 铺 设 ， 间距 l m， 通 1 8 库底 水冷却 ， 冷却水流量为 2 o了 1 mi n ， 通水 时间为连续 2 0 d ， 使坝体约束 区温差均满 足规范要 求 。 6 9 设计 与施工 水利规划 与设计 2 0 1 1年 第 1 期 4 总 结 根据安 全 、 合理 、 经济 、 科 学的原 则 ， 通过技 术论 证 和多方 案 比较 ， 清凉 山水 库 大坝 加 高技 术 方案 及 筑坝材料 优选取 得了一些 实用性成 果 ， 总结 如下 。 ( 1 ) 通 过技术 比较 ， 清 凉山水库 扩建工 程采用后 帮 整 体 式 加 高 方 案 ， 大 坝 加 高 后 坝 顶 高 程 为 2 4 0 8 m， 防浪墙 顶 高程 2 4 2 1 m， 最 大 坝 高 6 6 1 r n ， 较原 坝 加 高 7 2 m。下 游 坝 坡 在 2 3 2 6 4 r n以 上 垂 直 ， 2 3 2 6 4 m 以下采用 l： 0 8 2培厚 。 ( 2 ) 根据安 全 、 进度 、 合理等要 求 ， 挡水 坝段后 边 坡 以 1： 0 8 2采用 C 1 5混 凝土 砌块 石加 高 培厚 ， 每 砌高 2 m， 预 留 5 0 c m2 0 0 c m 的空 腔 ， 新 旧坝结合 面 设 置梯 形 抗 剪键 槽 ， 采 用 c l 5微 膨 胀 混凝 土 回填 ； 坝顶加高部 分采用 C 1 5 混 凝土 ( 添加高效 减水剂 ) 。 ( 3 ) 溢 流 坝 段 较 原 坝 加 高 6 m， 溢 流 堰 面 采 用 C 2 5混凝土 ( 添加 WGC MA高效 防水剂 ) 加厚 ， 在 溢流 面板 中间 ， 预 留 1 m 施工 宽缝 ， 采 用 C2 5混凝 土 ( 添加 WGHE A 抗裂膨胀 剂 ) 回填 ； 溢 流坝段下 游 接长部分用 C 1 5 混凝土砌块石。 ( 4 ) 因地制宜 利用库底 低温水 ， 采取温 控系列措 施 。一是 直接引用 库 底 水对 骨 料进 行 预冷 ； 二 是用 库底 水进行 混凝土搅 拌 ； 三 是采用 高强度聚 乙烯管 ， 每浇 筑层 中部 间距 为 1 m 蛇 形铺 设 ， 连 续 通 水冷 却 2 0 d ， 使坝 体约束 区温差均 满足规 范要求 。 ( 5 ) 清凉山水库大坝加高是广东省第一宗浆砌石 重力坝加高工程 ， 随着近年来 国内有关混凝 土施工技 术方法的明显突破 ， 清凉 山砌石重力坝加 高工程 的实 施将进一步推动我 国重力坝加高技术 的发展 。 参 考文献 1 朱伯芳 大 体积 混凝 土温度 应力 与温度 控 制 M 北 京 ： 中 国 电 力 出版 社 ， 1 9 9 9 3 2 朱岳明 ， 贺金仁 混凝土水管冷却的试验及计算与应用 ， 河海大学学报， 2 0 0 3 3 S I 2 5 2 0 0 6砌石坝设计规范I s 4 董芸 ， 周世华 清凉 山水库扩 建工程混凝土性 能试验研 究 ， 长江 水 利 委 员会 长江 科 学 院 ， 2 0 0 9 1 1 5 董 良I J ， 李贤锋 等 梅州市清凉 山水 库扩建工程 初步设 计报告， 广东省水利 电力勘测设计研究院 ， 2 0 0 9 1 1 ( 上接 第 4 2页) 土流失 完全得 到控制 ， 明显保护 和改 善项 目区的生 态环境 。评估组认 为湖北 省长江 干堤 水土保持工程建设符合国家水土保持法律法规及规 程规 范和技术标 准 的有关 规 定 和要 求 ， 各项 工 程 安 全可靠 、 质量合格 ， 总体 工程 质量 达 到 了合 格 标准 ， 水土流失 防治到达 了 开 发建 设 项 目水 土流 失 防治 标 准 ( 送 审稿 ) 提 出的建设类 项 目一 级防治标 准 ， 具 备 了竣工验 收的条件 。 3 存在 问题的处理 由于湖 北 省长 江干 堤工 程开 工 时 ， 水 土保 持 监 测技术规 程 尚未 颁布 ， 工 程 未进 行 专项 水 土保 持监 测工程 ， 项 目建设 区 没有 布设 专 门的水 土 流失 监测 站点 ， 缺乏 有关水 土流失 、 防治效果 及危害 的监测记 录与资料 。 因此 ， 对 于施工 期 间和 运行 初期 水 土保 持措 施 的防治 效果 、 水 土流失状 况 以及所 产生 的危害等 ， 主 要依据 现场调查 、 访 问和经 验估判 作 出评估 结论 。 对某 些堤段堤 外侧堤 脚存在 的少量遗 留弃渣应 70 及时进 行清 除 ， 对堤 内平 台上 的施 工 场地 使用 完 毕 后应及 时清理 场地并恢 复植被 。 同时作 好水土 流失 监测预 报和维 修管护工 作 ， 保证 堤 防安 全运行 。 要 做好植 物 措施 的调查 和巡 查 工作 ， 发现 有枯 死 的树苗或 凸斑 的草 皮及 时 补植 ， 并 做 好植 物 措施 的后 期管护 工作 。 水土保持 竣工决 算总投 资与批 复的初步设 计投 资基本 吻合 ， 实际完成 投资 比初 步设计 投资多些 ， 主 要 原 因是 后期增 加 了沉 螺池等 工程 ， 相 应的料场 、 施 工 场地 等治理措 施工程 量增大 ， 增 加 了投资 。 参 考文献 1 朱三华 ， 黎开 志， 刘 飞 生态 堤防设计 J 中国农村 水 利 水 电 ，2 0 0 5 ， ( 6 )： 7 6 7 7 2 江涛 ， 蔡晓明 ， 李健 开发建设项 目水土保持设施验收评 估要点 J 水 土保持应用技术 ， 2 0 0 9 ， ( 3 ) ： 2 2 2 4 3 高宝林 ， 周全 输 变电工程水土保 持设施技术评 估程序 及应注意的问题 J 中国水土保持 ， 2 0 0 9 ， ( 1 0 ) ： 1 4 1 5