新疆狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计.pdf

3 8 王恩辉 新 疆狭 窄河谷 混凝 土面板 堆石坝设 计 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 _ _ 0 0 3 8 o 4 新疆狭 窄河谷混凝土面板堆 石坝 设计 王恩辉 ( 新疆水利水电勘测设计研究院， 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要： 新疆某狭窄河谷混凝土面板堆石坝 ， 最大坝高 1 0 6 m， 坝长 1 4 1 3 m， 宽高比 1 3 ， 坝址区地处河流出山口峡 谷河段， 河床宽度 81 6 m。为改善不良地形地质缺陷， 本工程借鉴和吸收了国内外已建面板坝的成功经验， 采用 了高址墙、 贴坡趾板、 设置特殊碾压区等筑坝技术 ， 并将上游围堰与混凝土面板堆石坝坝体相结合 ， 取得了显著的 经济效益 。 关键词： 狭窄河谷； 混凝土面板堆石坝 ； 高趾墙； 特殊碾压区 中图分类号 ： T V 6 4 1 4 3 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 5 0 1 0 1 0 De s i g n o f Co n c r e t e Fa c e Ro c k fil l Da m i n Na r r o w Va l l e y W A G En-hu i ( X i n j i a n g Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r I n v e s t i g a t i o n D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ，U r u m q i 8 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I n a n a r r o w v a l l e y i n X i n j i a n g ， o n e C F R D i s 1 0 6 m h J g h a t m a x i m u m， 1 4 1 3 m l o n g a n d i t s r a t i o o f w i d t h t o h e i g h t i s 1 3 ， T h e d a m i s s e a t e d a t t h e v a l l e y o u t l e t w h e r e t h e ri v e r v all e y i s n a r r o w a n d t h e r i v e r b e d i s 81 6 m wi d e T o i m p r o v e t h e u n f a v o r a b l e g e o l o g i c al and t o p o g r a p h i c al c o n d i t i o n s ， t h e p r o j e c t b o r r o w s t h e s u c c e s s f u l e x p e ri e n c e i n d e s i g n o f C F R D a t h o m e a n d abr o a d ， t h e d a m b u i l d i n g t e c h n o l o g y s uc h a s h i g h wa t e r r e t a i n i n g wall ，s l o p e p l i n t h a n d p r o v i s i o n of s p e c i al c o mp a c t i o n z o n e，e t c i s a pp l i e dFu r t h e r mo r e，t h e u p s t r e am c of- f e r d a m a n d t h e C F R D b o d y a r e i n t e gra t e d Ac c o r d i n g l y ，t he o u t s t an d i n g e c o n o lT li c b e n e fi t i s a c h i e v e d Ke y wo r d s ： n a r r o w v all e y ；C F R D ； h i g h r e t a i n i n g w a l l ；s p e c i al c o mp a c t i o n z o n e 1 工程概况 1 1工 程简 介 新疆某狭窄河谷混凝土面板堆石坝位于河流出 山口的峡谷河段 ， 地域气候夏季较湿润、 温和 、 降雨 丰沛 ， 冬季寒冷 ， 积雪较深， 极端最高气温 3 4 4 ， 极端最低气 温一 3 8 5。电站坝址 以上流域面积 2 3 6 4 k m ， 多年平均径 流量为 1 4 4 1 1 0 m ， 电站 正常蓄水位 1 9 3 0 m， 正常库容 1 2 9 8 1 0 m ， 为不 完全年调节水库 ， 电站装机 1 1 0 M W， 多年平均发 电 量 3 6 1 5亿 k Wh 。最大坝高 1 0 6 m， 坝长 1 4 1 3 m， 宽高 比 1 3 ， 属 大 ( 2 ) 型工程 ， 大坝为 1级建筑物。 坝址区 5 0年超越 概率 1 0 的 A 区峰值 加速度 为 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 - 0 1 作者简介 ： 王恩辉( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 湖北省沧 州市人 ， 工 程师 ， 从事 水利水 电工程 的设计工作 0 1 9 3 g， B区峰值加速度为 0 2 1 6 g， 确定坝址 区地 震基本烈度为度 。 1 2地 形 、 地 质条件 本工程坝址 区位于河流出山 口的峡谷河段 ， 河 谷呈基本对称 “ V ” 形 ， 左岸山体雄厚 ， 岸坡较陡 ， 坡 度多在 4 O 。 8 0 。 ， 局部为陡坎 ， 基岩裸露 ， 山顶高程 1 9 1 5 O 01 9 3 6 O 0 m； 右岸 山体高 陡， 坡度 多在 5 0 。一8 5 。 ， 局 部 近 直 立 ， 基 岩 裸 露，山 顶 高 程 1 9 6 5 0 01 9 7 0 0 0 m。坝址现代河床宽 81 6 n q ， 正常水位 1 9 3 0 0 0 m高程处 ， 谷宽约 1 1 6 m。 坝址区两岸基 岩裸露 ， 岩性 为黑 云母 花 岗岩 。 岸坡无大的断层发育 ， 节理 裂隙较发育。左岸对坝 肩稳定有影响的节理裂隙相互切割使岩体呈块状 ， 在高程 1 8 6 0 O 0 m 以上形 成不稳定体 B T 1 。右岸 对坝肩稳定有影响的节理裂隙 ， 使右岸岩体呈次块 状 块状 ， 尤其是倾 向坡外 的 3组缓倾 角节理裂隙 对右坝肩 的稳定影 响较大 ， 并且这 3组缓倾角节理 王恩辉 新疆狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计 程 1 8 6 0 0 m 以下沿趾墙上游面设 置 2 0厚铺 盖 料 ， 增强趾墙结构缝 的止水效果。 ( 2 )上游盖重区 ： 位于上游铺盖区上游 ， 顶高程 1 8 7 3 O 0 m， 顶宽 1 0 0 IT I ， 在 1 8 6 0 0 0 m高程设置 一 平台， 平 台宽度 2 7 7 2 1T I ， 再采用 1： 2 5的坡度 与截流堤上游边坡相连 。该部位属于上游围堰的一 部分， 为趾墙的上游支撑结构， 采用坝体主堆石区料 源填筑 ， 填筑要求 同主堆石区。 ( 3 )垫层 ： 设 于面板下游 ， 水平宽度 3 m， 垫层 料要求 D 8 0 m m， 小于 5 mm的颗粒含量为3 5 5 5 ， 小于 0 0 7 5 mm的颗粒含量宜少于 8 ， 渗 透系数控制在 1 0 1 0 c m s 。 ( 4 )过渡层 ： 设于垫层下游 ， 水平宽度 3 m， 过 渡选料要 求 D 1 5 0 m m， 小 于 5 m m 的含 量为 3 0 5 0 ， 小于 0 1 mm含量 8 ， 渗透系数控制 在 1 0 1 0 c m s 。 ( 5 )主堆石 区： 位于垫层下游 ， 是面板的主要支 撑结构。顶高程 l 9 3 2 0 0 m， 底部位于坝基； 采用 C 2 料场的砂砾料 ， 小于 5 m m的含量为 3 0 5 0 ， 含 泥量小于 5 。渗透系数控制在 1 0 1 0 c m s 。 ( 6 )下游次堆石区： 即建筑物开挖即有用料 ， 采 用建筑物爆破开挖所得的新鲜或弱分化石料 。 2 4岸 坡设 计 由于坝区河谷狭窄 ， 边坡较陡， 为了改善坝体与 陡岸坡的连接 ， 采取了以下措施 ： ( 1 )设置贴坡趾板 ， 为减少岸坡石方开挖量 ， 岸 坡趾板设置 了“ L ” 形贴坡趾板 ， 趾板水平宽度 3 5 m， 然后采用向上游开挖坡进行贴坡浇筑余下的趾 板宽度。趾板总宽度按地基允许渗透 比降和施工灌 浆要求确定 。 ( 2 )设特别碾压区， 以提 高接触带的压实密度 和变形模量 ， 减少堆石滑移 ， 即使坝料沿岸坡滑移后 也不易出现空隙。特别碾压区填筑层厚 4 0 e m， 宽 5 0 40 IT I 。 ( 3 )趾板水平及贴坡段均设 置锚 杆和基岩 连 接。 ( 4 )为保证止水 的有效性 ， 除设置周边缝止水 外 ， 在贴坡趾板的顶部与岩石接触部位增设 1道止 水 ， 设置 G B W 止水 ， 并涂刷 2 m m厚聚脲。 2 5防渗 结构 ( 1 )混凝土面板垂直缝 本工程 由于河谷狭窄 ， 坝体填筑料因岸坡陡峭 ， 将产生垂河向位移变形 ， 造成岸坡面板结构缝多为 张性缝 ， 对河谷中心面板结构缝产生巨大挤压应力 ， 可能造成河谷面板结构缝发生积压破坏 。故在岸坡 与河谷接触部位面板垂直缝 中设 置闭孔塑料板 ， 协 调坝体挤压变形 ， 另外面板垂直缝均设 2道止水 ， 即 底部铜片止水 ， 顶部填充料止水 ， 同时为防止冬季冰 力对顶止水膨胀螺栓的破 坏， 在水位变化区部位采 用沉头螺栓 ， 水位变化 区以下部分采用普通螺栓 ， 螺 栓间距为 2 5 e lT l 。 ( 2 )周边缝 由于本工程 1 8 6 0 0 0 1 T I 高程以下采用 高趾墙 型式 ， 所以本工程周边缝起始高程为 1 8 6 0 0 0 1T I ， 周 边缝实际作用水头 7 0 i n ， 设置 2道止水。同时考虑 到本工程坝体设防烈度达 8度 ， 为确保强震情况下 周边缝仍 能有效止水 ， 铜片安置在 P V C垫片上 ， 垫 片则铺设在砂垫块上 ， 砂垫块坐落在垫层特别级配 区， 顶部止水为“ G B ” 填料 ， 其上以具有一定强度和 柔性的薄层覆盖保护， 缝 内以沥青杉木板填充 ， 板厚 2 5 m m， 与周边缝等宽。 ( 3 )防浪墙与面板的接缝 鉴于沟后水库 因未重视防浪墙与面板的接缝止 水设计而导致垮坝 ， 考虑到本工程位于 8度震 区， 地 震工况下势必造成 较大的防浪墙变位 和较高 的涌 浪 ， 为确保任何工况下均不致 因库水通过进入坝体 ， 从而危及坝体安全 ， 防浪墙 与面板的接 缝设置 1道 底部铜片止水和 1道顶部柔性填料止水 。 为避免防浪墙 因温度应力或坝体不均匀沉降而 产生裂缝 ， 沿其长度方 向每隔 9 m设 1 道变形缝 ， 变 形缝位置应同面板接缝错开 ， 缝 内设 1道橡胶止水 带 。 3 面板 坝应力应变分析 本工程对混凝土面板砂砾石坝进行了三维有限 元静力应力应变和动力响应计算分析。静力分析中 坝体填筑料采用邓肯一 张 ( D u c a n - C h a n g ) E- B非线 性模型模拟 ， 混凝土采用线弹性模型模拟 ， 混凝土防 渗墙与地基土的接触面采用薄层接触面单元模拟 ； 动力计算中采用等效线性总应力法进行分析。计算 结果如下 ： ( 1 )坝 体在 自重 作用 下 的沉 降 量最 大 为 2 4 c m， 坝体的变形在坝高的 1 以内， 而且蓄水后引起 的坝体变形也不大 ， 面板 的挠度最大为 8 c m， 坝体 西北 水 电 2 0 1 5年 第 1 期 4 1 的最大沉降为 2 5 c m。从应力水 平分 布来 看 ， 除两 岸局部地形陡变部位外 ， 无论竣工期还是蓄水期 ， 坝 体绝大部分 区域 的应力水平总体上较小。 ( 2 )面板顺坡 向应力在 中上部 以压应力 为主， 在面板 的下部 以及周边 出现一定数值的拉应力 ， 拉 应力最大值为 3 MP a 。面板的水平向应力在中部坝 段 出现压应力 ， 两岸坝肩的坝段 出现拉应力区 ， 尤其 在左岸陡坡部位面板的拉应力最大值 2 M P a 。 ( 3 )面板竖缝在河谷 中间部位表现为压缩 ， 在 两岸坝段表 现为张开 。面板周边缝 的沉 陷变 形不 大 ， 张开变形较大 ， 在左岸陡坡部位的周边缝张开量 1 21 mm 。 ( 4 )竣工期 ， 在土压力作用下 ， 高趾墙 向上游变 形 ， 量值 约 0 6 c m； 高趾 墙 的压 应 力 最大 约 为 3 MP a ， 发生在墙踺部位 ， 基本没有拉应力 。蓄水期 ， 由于水压力的作用 ， 高趾墙发生向下游的变形 ， 量值 约 3 5 c m； 在墙趾部位产生 8 MP a的压应力 ， 在墙 踵部位产生约 3 MP a的拉应力 。高趾墙与连接板间 的缝 、 连接板与趾板间的缝 、 趾板与面板间的缝都呈 压缩状态。说明这种结构形式的防渗是安全的。 ( 5 )在 5 O年超越概率 1 0 的设计地震波输入 下 ， 坝顶顺河向加速度峰值约为 7 3 m s ， 放大系数 约为 3 2 ， 竖向加速度峰值约为 3 5 m s ， 放大系数 约为 2 3 。坝体的残余变形较大 ， 最大沉 降量在 1 6 e m左右 ， 最大顺河 向位移 8 e m。震后 面板发生 残 余变形 ， 最大挠度达到 1 4 c m， 面板两岸的竖缝及周 边缝张开 ， 最大张开值 9 m m。 4 结语 根据国内外面板坝工程 的实践 ， 结合本工程计 算结果 ， 可以得出如下结论 ： ( 1 )将上游 围堰建成一座 刚性混凝土心墙坝 ， 围堰堰体和防渗体按大坝主体工程的要求进行设计 和施工 ， 不仅优化了枢纽布置 ， 提高了工程的度汛安 全度 ， 同时减少 了高陡边坡趾板布置的难度和面板 向上游河床延伸 的长度。 ( 2 )岸坡设计中， 应采取综合处理措施 ， 降低工 程施工难度 ， 确保坝体与陡边坡的连接质量 ， 减少坝 体轴 向位移 。 ( 3 )狭窄河谷受岸坡约束影 响， 坝料三维拱效 应显著。需 有效划分填筑分 区和提高坝料填 筑要 求 ， 是工程质量的关键 。 参考文献 ： 1 曹克明 ， 汪易森 ， 徐建军 ， 等 混凝土面板堆石坝 M 北京 ： 中 国水利水电出版社 ， 2 0 0 8 2 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 3 王君利 ， 吴 曾谋 ， 陆希 黄河公 伯峡水 电站混 凝土 面板 堆石 坝 工程特点 J 西北水电 ， 2 0 0 5 ， ( 1 ) ： 3 0 3 3 4 雷艳 ， 王康柱 ， 蔡新 合 积石峡 水电站 混凝土 面板堆石 坝 坝体 分 区优化设计及坝料调整 J 西北水电 ， 2 0 1 1 ， ( 2 ) ： 1 9 - 2 3 5 陆希 ， 安盛勋 ， 陈念水 ， 等 公伯峡面板堆石 坝右岸高趾墙设计 J 水力发电 ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 8 )： 3 8 4 0 6 朱晟 ， 王继敏 建造在狭窄河谷上的高混凝 土面板堆石坝 J 红水河 ， 2 0 0 4， 2 3 ( 4 ) ： 8 1 8 4 7 万里 ， 罗永祥 ， 黄刚 ， 范建朋 马来西亚 巴贡混凝土面板堆 石坝 面板抗挤压破坏措施探讨 J 西北水电 ， 2 0 0 7 ， ( 4 )： 3 7 3 9 欢 迎订 阅 西北 水 电 期 刊 西北水电 期刊系中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司主办的技术性双月刊。1 9 8 2年创刊， 国内外公开发行。 西北水电 期刊为陕西省优秀科技期刊； 中国学术期刊综合评价数据库来源期刊； 中国科技论文统计源期刊； 中国科学引文 数据库来源期刊； 中国学术期刊( 光盘版) 人编期刊； 北极星 网站入网期刊； 万方数据数字化期刊群入网期刊； 中国水利水电 文摘入 编期刊 。 西北水电 期刊以推动西北地区水利水电科技进步为宗旨， 主要刊登有关大、 中型水利水电工程的科技论文 ， 设置有水 文与水 资源 、 地 质与勘测 、 水工 与施 工 、 机 电与金属 结构 、 计算 机技术 、 科 研与试 验 、 专题研 究 、 工程监理 、 经 营与管 理等栏 目。 本刊每期在 2 、 4、 6 、 8 、 1 0 、 1 2月末出版， 大 1 6开， 彩色封面装帧， 电脑照排， 印刷精美。2 0 1 5年每期订价 6 O 0元， 全年 3 6元( 包 括邮寄费) 。欢迎在当地邮局征订( 邮发代号5 2 1 3 0 ) ， 也可直接与本刊编辑部联系订阅。 邮局汇款 地址： 陕西省西安市电子工业园区丈八东路 1 8号 单位： 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 西北水电 编辑部 邮编 ： 7 1 0 0 6 5 电话 ： ( 0 2 9 ) 8 8 2 8 0 7 0 9 ， 6 2 3 1 0 7 0 9 8 8 2 8 0 7 1 2 ， 6 2 3 1 0 7 1 2 8 8 2 9 0 3 6 6 ， 6 2 3 2 0 3 6 6 联 系人 ： 王燕姜东琳魏娟 莉