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.pdf

西北 水 电 2 0 1 1 年 - 第 2期 1 9 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 ( ) ( ) l 9 0 5 积 石峡 水电 站 混 凝 土 面 板堆 石 坝 坝 体 分区 优 化 -i & 计 及 坝 料 调 整 雷 艳， 王康柱， 蔡新合 ( 中国水 电顾 问集 团西北勘 测设 计研 究院 ， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 按照“ 充分利用开挖料上坝 ， 达到坝料平衡 ” 的指导思想 ， 积石峡水 电站混凝土 面板 堆石坝在大坝填筑 之前 ， 先后两次对坝体分区进行了设计优化。在遵循混凝土面板堆石坝设计原则的前提下， 合理调整大坝设计断面， 合理 规划料源， 确定坝料具体技术要求， 积累了相关的工程经验。 关键词： 面板堆石坝； 坝体分区； 优化设计 ； 料场规划 中图分类号 ： T V 6 5 1 4 文献标识码 ： A Da m ma t e r i a l s mo di fic a t i o n a nd d e s i g n o p t i mi z a t i o n o f z o n i ng o f CFRD f o r J i s h i x i a h y d r o p o w e r p r o j e c t L EI Ya n，WANG Ka n gz h u，CAI Xi n-h e ( H y d r o c h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C ，X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t： I n a c c o r da n c e wi t h t he g ui de o f”f ul l y u t i l i z i n g t h e e x c a v a t e d ma t e r i a l s t o r e ali z e t h e b a l a nc e o f ma t e r i a l s a n d d a m c o ns t r uc t i o n ”，t h e d e s i g n o f d a m z o n i n g wa s o p t i mi z e d t w i c e b e f o r e p l a c e me n t o f t h e J i s h i x i a C F RDOn t h e p r e mi s e o f o b e y i n g t h e d e s i g n p r i n c i p i e o f C F RD， t h e d a m d e s i g n s e c t i o n wa s r e a s o n a b l y mo d i fi e d， t h e ma t e r i a l r e s o u r c e s we r e r e a s o n a b l y p l a n n e d， a n d t h e t e c h n i c al r e q u i r e me n t s o f d a m ma t e ria l s we r e d e t e r mi n e d，S O t h a t r e l a t i v e e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e wa s a c c u mul a t e d Ke y wo r ds： CFRD ；d a m z o n i n g；o pt i ma l d e s i g n；q u a r r y pl a n ni ng 1 T程概况 积石峡水 电站工程位于青海省循化县境内的黄 河干流上 ， 是黄河上游规划 的第 5个大型梯级水 电 站， 是 以发电为主 ， 兼顾灌溉 、 防洪等综合利用 的水 利水电枢纽工程 。枢纽主要建筑物由混凝土面板堆 石坝 、 坝下掩埋式 引水及 坝后 厂房 、 左岸 岸边溢洪 道 、 左岸中孑 L 泄洪洞 、 左岸泄洪排沙底孔等组成。工 程规模为二等大 ( 2 ) 型 ， 大坝为 1级建筑物 。最大 坝高 1 0 3 m， 总库容 2 9 4 x 1 0 m 。水 电站装机容量 1 0 2 0 MW， 多年平均发电量 3 3 6 3 x 1 0 k wh ， 保证出 力 3 3 2 3 MW。 大坝 为 混 凝 土 面板 堆 石 坝 。坝轴 线 方 位 为 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 - 0 7 作者简介 ： 雷艳( 1 9 8 2 -) ， 女 ， 陕 西省渭南市人 ， 助理工 程师 ， 从 事水 电站水工设计工作 N E 6 9 。 0 5 4 3 ” ， 坝顶长度为 3 2 1 9 i n ， 坝顶宽度为9 8 in， 最大坝高 1 0 3 m， 上游坡 1： 1 5 ， 下游坡 1： 1 3 1： 1 4 ， 坝顶设有高度 为 5 2 In 的“ L ” 防浪墙 与 面板相接 ， 坝顶高程 1 8 6 1 0 In， 防浪墙高程 1 8 6 2 2 m。左岸上游 电站进水 口、 溢洪道右边墙与面板连 接 。面板不等厚 ， 厚度 0 3 0 6 1 T I ， 面板问设垂 直 缝 ， 面板与趾板 、 电站进水 口、 溢洪道边墙间设周边 缝 ， 坝顶防浪墙与面板间设水平缝 、 与左岸溢洪道边 墙间设伸缩缝。坝体从上游到下游依次分面板上游 面下部粉质壤土斜铺盖及盖重 区、 混凝土面板、 混凝 土趾板 、 垫层 区、 过渡层 区、 L形坝体排水区、 主堆石 区及下游次堆石区、 砌石护面。 2 面板堆石 坝坝体 分区设计原 则 根据面板堆石坝的受力特点 、 渗透稳定性及耐 久性等要求 ， 确定堆石坝坝体分区主要原则为 ： ( 1 )坝体 中的坝料之 间应满足水力过 渡的要 2 O 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 求。要求垫层料 ( 2 A) 具有半透水性 ， 排水料 ( 3 F) 具有透水性 ， 从上游向下游坝料的渗透系数递增 ， 各 区坝料间应满足水力过渡的要求 ， 保证坝体能排水 畅通且相邻 区下游坝料对其上游 区有反滤保护作 用， 以防止产生内部管涌和冲蚀。 ( 2 )坝体上游应具有低压缩性。满足坝体各部 位的变形协调， 尽量减少 ( 尤其是坝轴线上游) 变形 量 ， 减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。 ( 3 )充分合理利用枢纽 的开挖料 ， 分 区尽可能 简单以达到经济的目的。 3 招标阶段坝体分区及料源选择 3 1 招标 阶段 坝体 分 区 根据上述分区原则 ， 坝体从上游 向下游依次分 为： 面板上游面下部粉质壤土斜铺盖( 1 A) 及其盖重 区( 1 B) 、 混凝 土 面板 、 垫层 区 ( 2 A) 、 特 殊垫 层 区 ( 2 B ) 、 过渡区( 3 A) 、 反滤区( 3 E) 、 排水区( 3 F ) 、 主 堆石区( 3 B I， 3 B I I ) 、 下游次堆石 区( 3 C) 及下游护 坡 ( 3 D) 。 坝体主堆石区以 1 7 8 4 m高程为界 ， 即 1 7 8 4 m 高程以下的主堆石 区 3 B I( 砂砾石料 ) 和 1 7 8 4 m 高程以上的主堆石区 3 B l I ( 开挖料 ) 。详见图 1 。 3 2 招标 阶段 料源 积石峡水 电站 面板 堆 石 坝坝 体 填筑 总 量 约 2 9 5 6 9万 1T I ( 不含上游压坡体及下游回填料) ， 其 中垫层料 ( 2 A、 2 B ) 6 8万 1T I ， 过渡料 ( 3 A) 9 7万 m 。 ( 含 3 A a ) ， 主堆石料 ( 3 B I) 4 7 3万 1 1 1 ， 主堆石料 ( 3 B 1 I ) 9 7万 m。 ， 反 滤料 ( 3 E) 9 8万 n l ， 排水料 ( 3 F ) 3 0万 m ， 次堆石料 ( 3 C) 8 1 7万 m ， 下游坡面 干砌石 ( 3 D) 3 9万 m 。 积石峡水电站面板堆石坝招标阶段分别对左岸 上游样板弯料场、 甘河滩料 场及溢洪道工程开挖料 等进行了勘察和比较 。根据坝体各区的工程量及各 区对坝料的要求 ， 经技术经济比较 ， 鉴于可研阶段推 荐 的左岸上游样板弯块石料场块石料 ， 开采难度大 ， 交通布置困难 ， 投资较大 ， 予 以舍去。设计坝料料源 选择如下 ： 甘河滩料 场的砂 砾石征 地范 围的储量 6 0 0余万 11 1 ， 可用作垫层料、 特殊 垫层料 、 过渡料、 排水料 、 主堆石料的料源。其中， 垫层料 、 过渡料、 排 水料、 反滤料由甘河滩料场 的砂砾石筛分或掺配而 成 ； 主堆石料 3 B I采用甘河滩料场 的天然砂砾石 料 。积石峡主体 工程土石方开挖总量达 4 5 1 4 4万 i n ， 其 中覆 盖层 开 挖 5 4 8 1万 m ， 弱 风 化 岩 石 2 1 7 0 7 万 m ， 新鲜岩石 ( 含弱风化 中下部 一微风化 岩石) 1 3 8 6 3万 m ， 可用作主堆石料 3 B和次堆石 料 3 C的料源 。 4 施工详图阶段坝体分区优化及坝料 调整 4 1 施 工详 图阶段坝 体优 化 4 1 1 问题 的提 出 坝体主堆石区原设计分为 2个 区， 即 1 7 8 4 m 高程以下的主堆石 区 3 B I( 砂砾石料 ) 和 1 7 8 4 m 高程以上的主堆石区 3 B I I ( 堆石开挖料) 。 原设计时 ， 从坝址 区岩石试验资料看 ， 岩石的抗 符嗍 图 1 原设计大坝填筑分区图 单位 ： c m； 高程 ， m 西北水 电 2 0 1 1年 第 2期 2 1 压强度试验值较高 ， 但由于岩层分布无规律 ， 岩相变 化大 ， 岩体抗风化能力差 ， 分布在不 同层 的岩石强度 差异大 ， 即使 同层 的岩石其抗压 强度 差异也较 大。 同时 ， 室内实验表明， 坝址 区砾岩砂岩混合料颗粒强 度较低 ， 破碎率较高 ， 抗剪强度较低 ， 压缩模量相对 较低 ， 软化系数较小 ， 特别是浸水饱和后压缩模量降 低。所以， 1 7 8 4 m高程 以下的主堆石 区 3 B I 采用 甘河滩料场的砂砾石 ， 以避免上述不利因素。 施工过程中 ， 为了充分利用开挖料 ， 减少甘河滩 料场砂砾石开采量 ， 在大坝开始填筑前 ， 开展了坝址 区 开 挖 料 可 否 用 在 下 游 水 位 以 下 的 研 究 ，即： 1 7 8 4 O 0 m高程以下采用开挖堆石料 ， 取代原设计 的 3 B I( 砂砾石区) 料。 清华大学 的试验结果认为 ： 开挖料用于筑坝的 主堆石是可行性的 ， 开挖料的湿化变形特性处于一 般水平 ， 用于下游尾水位以下的主堆石 区时可能会 导致坝体产生一定 的湿化变形 ， 建议适 当采取措施 ( 如在浇筑面板前 泡水等) 减小该变形对 于面板 的 影响。堆石体采用开挖料 时 的有 限元 分析结果表 明 ， 坝体的应力水平总体较小 ， 蓄水后有所减小 ， 这 表明大坝采用开挖料作 为主堆石具有 良好的稳定 性。根据混合料的 3种岩性组分 比例 5： 3： 2 ， 竣 工后坝体的变形可控制在坝高 的 1 以内， 而且蓄 水后引起的坝体变形也不大 ， 从坝体变形控制 的角 度 ， 采用开挖料筑坝具有较好的可行性。 2 0 0 8年 8月 ， 黄河 公 司召开 的专 家 咨询会 议 上 ， 各位专家认为坝址区开挖料 可用在下游水位以 下 ， 结合清华大学的试验成果 ， 设计方从既要充分利 用枢纽工程开挖料又要遵循混凝土面板堆石坝设计 原则的角度出发 ， 确保工程安全前提下 ， 提出对坝体 分区进行优化 ， 以最大限度地利用枢纽工程开挖料。 4 1 2坝 体优 化 方案 1 2 0 0 8年 7月底 ， 现场开挖 已基本完成 ， 料场堆 存 的坝料数量基本确定 。根据 积石峡坝料 实际情 况 ， 结合会议精神及清华大学的试验成果 ， 设计方提 出了坝体优化方案 1 ， 主要从以下几方面作以优化 ： ( 1 )垫层料 、 过渡料在试验验证并可 以承受本 工程各工况水力坡 降的前提下 ， 采用甘河滩料场的 天然砂砾石 ， 主、 次堆石采用开挖料 ， 主堆石分为两 部分 ， 主堆石 3 B I 及 3 B I I 。主堆石 3 B I 采用左右 岸洞挖料 ， 岩性 以中细砂岩( 饱和抗压强度 9 0 MP a ) 为主 ， 主堆石 3 B I I 以坝址区开挖料为主。后经黄河 公司提供的垫层料 、 过 渡料渗透及渗透变形试验结 果证明， 采用天然砂砾石作垫层料和过渡料可 以承 受本工程各工况水力坡降要求 。 ( 2 )根据咨询专家意见， 取消了原方案 中的垂 直排水体以及该排水体上游 的反滤料 ； 保 留水平排 水体 以及排水体周 围的反滤料。过渡料水平宽度增 加为 6 m。 ( 3 )取消水平排水体底部 的砂砾石主堆料 ， 取 而代之的是坝址区开挖料。 ( 4 )主堆石料 3 B l 、 次堆石 3 C所采用的料源 与原方案相同。主堆石采用左岸上游主堆石堆料场 的开挖料 ( 新鲜 弱 风化 下部岩石 ) 上坝。次堆石 采用左岸上游次堆石堆料场 的开挖料 ( 弱风化 中上 部岩石 ) 上坝 。 ( 5 )主堆石料 3 1 3 I I 与次堆石 3 C的分界线坡 比 维持原来的 1： 0 5 ， 但将主堆石料 3 B与次堆石 3 C的分界线的位置 向上游移动 5 m， 增加次堆石区 3 C的范围， 以增加开挖料的利用率。 ( 6 )为了减少砂砾石 的用量 ， 水平排水体的条 带数 由原方案的平铺改为 4条。 ( 7 )下游 坝坡局部坡 比在第 2级 马道 以下 由 1： 1 4 调整 为 1： 1 3 。 4 1 3坝 体优 化 方案 2 方案 1 通过设计优化， 充分利用了开挖料 ， 大大 减少 了砂砾石料 ，设计优化成果明显 。但是 ， 由于 主堆石料水平渗透系数约为 1 1 0 c m s 、 垂直渗透 系数约为 1 1 0 c m s ， 采用砂砾石 料作 过渡料 ， 无 排水料 ， 主堆石区3 B I， 3 B 1 1 与次堆石区 3 C内渗透 水难 以快速降下去 ， 坝 内存在渗透压力 ， 不完全满足 自由排水的要求。因此 ， 在优化方案 1的基础上提 出了方案 2 。 方案 2在过渡料下游侧增设垂直 自由排水 区， 并采用原设计 的反 滤料作为排水 料 ， 以简化 分区。 现场碾压试验证 明， 排水料 3 F的渗透系数在 1 1 0 。 c m s ， 既满足 自由排水 的要求 ， 又满足过 渡料 与主 堆石料之间的反滤关系要求。同时 ， 过渡料水平宽 度恢复为 3 m。坝体断面详见图 2 。 优化方案 2是在优化方案 1的基础上提出的， 体现 了既要充分利用枢纽工程开挖料节省工程投资 又要遵循混凝土面板堆石坝设计 原则， 确保工程安 全的设计思路 ， 是设计采用的最终坝体断面。 优化前后各 区工程量变化见表 1 。 2 2 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 符号说明 图 2 设计优化后的大坝填 筑分 区图 单位 ： c m； 高程 ， m 表 1 优化前后各 区工程量表 万 m 从表 1 可看出 ， 优化方案 1坝体总填筑量减少 了 1 3 3万 m 。坝体所利用的坝址区开挖料( 3 B I， 3 B， 3 C) 比招标设计 阶段多了 1 3 8万 1I 1 。 ， 3 C用量 基本持平 ， 砂砾石 的用量 ( 2 A， 3 A， 3 E， 3 F ) 减 少 了 2 7 1万 m 。 与优化方案 1相比， 方案 2的开挖料利用量略 有增加， 砂砾石用量有所减少。坝料平衡显示 ， 此方 案也是合理可行的。 4 2施工 详图 阶段 坝料 调整 施工详图设计阶段料场特性同招标设计阶段。 2 0 0 8年 9月 ， 根据现场堆存 的上坝料 的实际情况， 重新作了坝料平衡 ， 截至 2 0 0 8年 7月， 各料场可利 用开挖料数量见表 2 。 甘河滩天然砂砾石料场储量约 6 0 0万 m ， 能满 足垫层料 、 特殊垫层料 、 过渡料 、 排水料所需砂砾石 料的利用总量 4 6 8万 m ( 压实方 ) 的开采要求 。 5 结论及建议 积石峡水 电站混凝土面板堆石坝子 2 0 0 9年 9月 2 7日完成高程 1 8 5 7 m以下坝体填筑。经过填筑过 程中及填筑完成后半年多的监测表明， 大坝沉降量不 大 ， 截至 2 0 1 0年 6月 1 5 日， 最大沉降值 约为 4 9 0 C IT I ， 小于设计预期值 。目前坝体沉降各个测点变化平 缓 ， 说明坝体分区优化和坝料调整成果明显。中国水 利水电科学研究院坝体三维有限元静力及动力计算 分析结果表明， 大坝分区合理 ， 结构设计安全。 表 2 各料场可 利用开挖料数量表 ( 已考虑 了损失 ) 万 m 料 场 ( 备注 通过本项 目的实践 ， 有一些经验可供借鉴 ， 主要 有以下两点 ： ( 1 )开展了砾岩 、 中细砂岩、 泥质粉砂岩混合料 的应力变形试验 ， 证 明了采用开挖料筑坝具有较好 的可行性 ， 既充分合理利用 了枢纽的开挖料 ， 又遵循 了混凝土面板堆石坝设计原则 ， 在确保工程安全的 前提下， 达到了节省工程投资的 目的。 ( 2 )坝体分区优化时， 在过渡料下游侧增设垂 直强透水区， 并采用原设计的反滤料作为排水料 ， 即 西北 水 电 2 01 1年 第 2期 2 3 将反滤料和排水料合二为一 ， 这样既满足 自由排水 的强透水区的要求 ， 又满足过渡料与主堆石料之 间 的反滤关系要求。同时 ， 取消水平排水层上下部 的 反滤料， 将水平排水料改为反滤排水料 ， 并将其条带 数 由原方案 的平铺改为 4条。这一优化既体现了坝 体分区尽可能简单的原则 ， 也为坝体分区提供 了新 的思路 。 参考文献 ： 1 郦能惠 高混凝 土面板堆 石坝设计 理念探讨 J 岩土 工程学 报 ， 2 0 0 7， 2 9 ( 8 ) ： 1 1 4 3 1 1 5 0 f 21 陈念水 ， 安盛 勋， 汤肠 ， 吴 曾谋 公伯峡 水电站混凝 土面板堆石 ( 上接 第7页) 表 4 黄河连续 1 1 a 枯水段各河段径流丰枯等级定性成果表 注 ： 表 中径流丰枯等级采用 1 9 6 8年调查 报告 中的丰枯等级 ； 降雨旱涝等级采用中国近 5 0 0年 旱涝分 布图集中的等级 。 3 5结果 分析 黄河陕县站 自 1 9 1 9年有实测水文资料 ， 出现了 1 9 2 2 -1 9 3 2年连续 1 1 a枯水段。综合 以上几个方 面分析结果可知 ， 无论是从历史调查资料 ， 还是从玛 曲站 、 唐乃亥站与贵德站 、 兰州站 、 陕县站 实测段天 然年径流的地 区组成 、 同步性 、 相应性等来看 ， 黄河 上游 自玛曲站至兰州站干流全河段与中游一样均存 在 1 9 2 2 - 1 9 3 2年连续 1 1 a枯水段。 坝分 区设计 J 水力发电 ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 8 ) ： 3 0 - 3 2 赵其兴 ， 杨 国全 道塘水库面板堆石坝料 场调整及坝体优 化设 计 J 贵州水力发电， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 6 ) ： 3 7 - 4 0 张岩 ， 燕乔 ， 吴长彬 ， 等 超高面板堆石坝应 力变形随高度 变化 规律探讨 J 西北水 电， 2 0 1 0 ， ( 3 ) ： 8 4 - 8 7 梁俊群 ， 卓淳 南山水库混凝 土面板堆石坝 坝体 分区及坝料设 计 J 岩土工程界 ， 2 0 0 7 ， 1 1 ( 2 ) ： 7 8 8 0 何勤 ， 李劲飞 ， 范金勇 J 水 电站混凝土 面板砂砾 一 堆 石坝坝 体分区及坝料设 计 J 水利规划与设计 ， 2 0 0 8， ( 6 ) ： 5 9 - 6 1 杨 再宏 ， 孙 怀昆， 李强非 龙马水 电站混凝 土 面板 堆石 坝设计 与实践 J 云南水力发电 ， 2 0 1 0， 2 6 ( 1 ) ： 1 1 1 4 4 结语 黄河中游陕县站 1 9 2 2 -1 9 3 2年 出现 了连续 1 1 a 枯水段 ， 水量 比正 常年份水量偏枯近 3 0 。在黄 河上游龙 青段各梯级水电站的设计 中， 经多方分 析论证 ， 认为黄河上游龙 青段与 中游陕县站一样 ， 也存在 1 9 2 2 -1 9 3 2年 连续 1 1 a枯水 段 ， 并插 补 了 龙 青段 各主要水文站枯水段 的历年各月径 流资 料 ， 在梯级水库径流调节计算中予以考虑， 为合理确 定龙羊峡多年调节水库 的库容以及梯级水 电站 的能 量指标奠定了基础 。从玛曲站 、 唐乃亥站与贵德站 、 兰州站 、 陕县站实测段天然年径流的地区组成 、 同步 性 、 相应性等来看 ， 黄河上游龙羊峡以上玛 唐河段 与中游陕县河段一样均存在 1 9 2 2 -1 9 3 2年连续 1 1 a 枯水段 ， 在黄河上游湖 口至羊 曲河段各梯级水 电 站的设计中应予 以考虑。 参考文献 ： 史辅成 ， 王国安 ， 高治定 ， 等 黄河 1 9 2 21 9 3 2年 连续 1 1年枯 水段 的分析研究 J 水科学进展 ， 1 9 9 1 ， ( 4) ： 4 4 4 9 杨百银 黄 河上 游连 续 1 1 a枯水 段 的探 讨 J 水 文 ， 1 9 9 3 ， ( 3 ) 王维第 ， 孙汉贤 黄河上游连续枯水段分析与设计检验 J 水 科学进展 ， 1 9 9 1 ， ( 4) ： 2 5 1 2 5 7 王锐琛 中国水力发 电工程 工程水 文卷 M 北 京 ： 中 国电 力出版社 ， 2 0 0 0 王正发 黄河龙羊峡 以上河段径 流 系列 代表性 分析论证 J 西北水 电 ， 2 0 1 0 ， ( 2) ： 1 5 i 1 J 1 J ；1 J 二_ _寸_