驮英水库坝型比较阶段的混凝土面板堆石坝设计.pdf

广西水利水电G X WA T E R R F _ , U R C E S&HY D R O P O WE R E N GI N E E R I N G 2 0 1 0 ( 4 ) 规划设计 驮英水库坝型比较阶段的混凝土面板堆石坝设计 胡本 勇 ( 广西水利电力勘测设计研究院， 广西南宁5 3 0 0 2 3 ) 摘要 驮英水库拦河坝经混凝土面板堆石坝与碾压混凝土重力坝两种坝型的比选， 推荐采用混凝土面板堆石坝 坝型。根据地质地形情况对混凝土面板堆石坝、 溢洪道、 灌溉、 发电系统等建筑物进行协调布置。结合坝料主要来 源于料场和溢洪道开挖料的特点， 对大坝进行了分区设计， 并根据坝料室内试验及现场试验结果初步确定坝体填 筑标准。 关键词】 坝型； 比选； 混凝土面板堆石坝； 设计 中图分类号】 T V 6 4 1 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 4 6 0 5 1 工程概 况 驮英水库位于广西宁明县那堪乡垌中村上游约 6 k m， 是一座 以灌溉、 供水为主 ， 兼顾发电等综合利 用的大( 2 ) 型水库。项 目建议 书阶段初拟水库堆石 坝方案由拦河坝 、 溢洪道、 灌溉与发 电引水系统、 电 站厂房及升压站、 场内永久交通道路等建筑物组成 。 拦河坝为混凝土面板堆石坝， 坝顶高程 2 3 4 4 m， 坝 顶总长 2 2 2 r n ， 坝顶宽 8 IT I ， 最大坝高 7 1 4 IT I 。水库 正常蓄水 位 2 2 8 l r l ， 总库 容 2 3 8亿 m3 ， 有效库容 1 6 4 5亿 m3 。混凝土 面板堆石坝、 泄洪建筑物( 溢 洪道) 设计洪水标准为 1 0 0年一遇， 相应洪峰流量为 5 1 2 0 m3 s ； 校核洪水标准为 2 0 0 0年一遇 ， 相应洪 峰流量为 8 2 1 0 m3 s 。本阶段推荐坝址河谷为“ V” 型谷 ， 根据本阶段所推荐 的上坝址的地形、 地质条件 及天然建筑材料供应条件， 项 目建议书阶段对混凝 土面板堆石坝与碾压混凝 土重力坝进行 比选， 推荐 混凝土面板堆石坝坝型。 2 混凝土面板堆石坝布置 2 1 坝址地形地质条件 坝址河谷为“ V” 型谷， 坝址河床及河漫滩部位 覆盖层 主要为漂卵砾 石层 ， 夹孤 石等， 厚 度 1 3 6 m； 两岸斜坡为残坡积含碎石粘土 ， 厚度 0 5 6 5 m。 坝址出露岩体主要为侏罗系下统百姓组下段含钙粉 砂质泥岩、 泥质粉砂岩、 砂岩地层 ， 岩相变化不大， 岩 性简单。 河床段为 J b 1 棕红色中厚巨厚层状含钙粉 砂质泥岩与褐红色泥质粉砂岩互层， 夹有条带状砂 岩， 岩体节理裂隙不发育 ， 风化浅， 基本为弱微风化 岩体。坝基断层构造不发育， 但岩体褶皱现象发育， 坝基岩体扭曲、 破碎严重， 岩体沿层面、 裂隙面产生错 动现象 ， 错动面发育泥膜和软弱夹层。坝址两岸覆盖 层下即为强风化岩体。两岸风化深度从岸边至坡顶 深度增加。河床部位岩体基本为弱微风化。 坝址坝基部位小褶皱发育 ， 岩层倾角变化较大， 总体倾角较平缓 ， 倾向上游 ； 在背斜轴部 ， 岩层近水 平 ； 由于坝基岩性为泥质粉砂岩、 砂岩夹粉砂质泥岩 地层 ， 岩层挤压强烈， 层间泥化夹层发育， 如果建混 凝土重力坝 ， 存在坝基深层抗滑稳定问题。坝址地 质条件较适合修建当地材料坝。 2 2 混凝土面板堆石坝布置 驮英水库枢纽建筑物 由拦河坝、 溢洪道、 灌溉与 发电引水 系统等建筑物组成。溢洪道与灌溉和发电 引水系统分岸布置于拦河坝右岸山坡和左岸山体 内， 工程总布置情况如下 ： 拦河坝为混凝土面板堆石坝 ， 布满整个河道， 坝 顶总长 2 2 2 m， 坝顶宽 8 1T I ， 坝顶高程 2 3 4 4 m， 坝顶 设防浪墙， 墙顶高程 2 3 5 4 IT I ， 最大坝高 7 1 4 m， 上 游坝坡 1 ： 1 4 ， 下游边坡分别在 2 1 0 m、 1 8 5 1T I 高程 收稿日期】 2 0 1 0 0 6 - 0 9 作者简介】 胡本勇( 1 9 7 5 一) ， 广西岑溪人， 广西水利电力勘测设计研究院工程师 ， 学士， 从事水利水电工程建筑设计工作。 4 6 广西水利水电G X WA T E R R K S OU RC E S& HY D R OP OWE R E N GI N E E R I N G 2 0 1 0 ( 4 ) 设置宽 3 m、 5 m的马道， 2 1 0 n l 高程以上坝坡 1 ： 1 5 、 以下坝坡 1 ： 1 6 。坝体堆石料来源除下游堆石 料考虑选用溢洪道开挖 出的强风化及以下的新鲜泥 质粉砂岩外， 其余堆石料从坝址右岸上游约 8 5 k m 处的板底砂岩石料场开采 。 驮英水库混凝土面板堆石坝布置见图 1 。 图 1 混凝土面板堆石坝 平面布置 图 3 混凝土面板堆石坝建 筑物设计口 3 1 坝顶及建基面高程确定 3 1 1 堆石坝坝顶高程确定 根据本地 区和 自治区水 文气象汇编资料 ， 驮英 水库多年平均最大风速为 1 6 9 m s ， 设计洪水位工 况采用多年平均最大风速的 1 8 倍作为计算风速， 校核洪水 位工况采用 多年平 均最大风 速作为计算 风速。 驮英水库坝顶高程根据相关规范进行计算 ， 计 算成果见表 1 。 坝顶高程的确定 由校核洪水位控制 ， 计算结果 为 2 3 5 3 9 5 m， 因混凝 土面板堆石坝的防浪墙 与防 渗体面板形成了防渗整体， 防浪墙可作为坝顶超高 的一部分 ， 即取防浪墙顶高程为 2 3 5 4 IT I ， 坝顶至防 浪墙 顶 的高 差 取 1 0 I T I ， 因此 拟 定 坝 顶 高 程 为 23 4 4 r r l 。 表 1 坝顶高程计算成果表 r r l 计 算 工 况 水 位 波 浪 爬 高 ； 安 全 加 高 坝 顶 高 程 3 1 2 堆石坝建基面高程确定 面板趾板基础对地基 的要求相对较高 ， 原则上 河床最大坝高部位趾板 建基面开挖至弱风化上部 ， 两岸坝高较低部位趾板建基 面开挖至强风化下部。 故趾板基础挖除覆盖层和全、 强风化带基岩( 坝高较 低部位可适当抬高建基面) ， 趾板基础嵌入弱风化 带。趾板基础开挖基底面高程为 1 6 3 n l ， 最大坝高 71 4 r r l o 由于堆石 区对地基 的要求相对较低， 建基面 的 4 7 胡本勇： 驮英水库坝型比较阶段的混凝土面板堆石坝设计 选择与确定， 以满足基础渗透变形等要求同时尽可 能减少开挖为原则。坝址河床及河漫滩部位覆盖层 主要为漂卵砾石层， 夹孤石等， 厚度 1 3 6 m； 两岸 斜坡为残坡积含碎石粘 土， 厚度 0 5 6 5 m。堆石 区河床部位可挖除河床及河漫滩部位的杂质漂卵砂 石层至基岩面， 两岸岸坡段要求清除覆盖层， 堆石区 最低建基面高程为 1 6 3 6 m。 3 2 坝体结构设计 3 2 1 混凝土 面板 面板是大坝的防渗主体 ， 为便于面板混凝土施 工 ， 防止面板开裂 ， 面板设垂直缝。两岸坝肩附近的 面板垂直缝按张性垂直缝设计 ， 缝距 6 m； 面板中间 部位按压性垂直缝设计， 缝距 1 2 m。 面板混凝土采用 C 3 0 ( 2 ) ， 面板厚度应满足防渗 性和耐久性要求 ， 按公式 e =0 3+0 0 0 3 5 H确定。 面板顶部高程为 2 3 1 6 m， 厚度 0 3 0 5 4 m。面板 承受的最大水力梯度 1 3 0 ， 满足规范规定 的面板允 许承受的水力梯度 2 0 0的要求。 3 2 2趾板 趾板基础置于弱风化上部或强风化底部。弱风 化岩体允许水力梯度 l 0 2 0 ， 强风化岩体允许水力 梯度为 5 1 0 ， 趾板下游侧垫层料和过渡料 向下游延 伸增加渗径。 结合本工程坝址的地形、 地质条件 ， 趾板宽度按 1 1 0 水头确定。高程 2 0 0 m以下范围趾板宽度为7 m。 高程 2 0 0 r l l 以上范 围趾板宽度为 4 m。趾板厚 度均为 0 6 m。趾板混凝土强度等级采用 C 2 5 ( 2 ) ， 设 置 锚 杆 将 趾 板 与 基 岩 连 接 在 一 起 锚 筋 ， 问 距 1 5 m。 3 2 3 接缝和止水 坝体防渗系统由基础防渗帷幕、 混凝土趾板、 混 凝土面板及其止水系统、 垫层料、 过渡料、 上游铺盖 等组成。止水材料选用铜止水片、 P VC止水带、 粉 煤灰填料， 其力学指标均应满足设计要求。 3 3 坝体材料分区及坝料设计 3 3 1 材料分 区 筑坝材料为砂岩、 泥质粉砂岩等 ， 坝体按料源及 对坝料强度、 力学指标、 施工方便、 经济合理等要求 进行分区。坝料分 区原则是 ： 各 区坝料 的透水性按 水力过渡要求从上游 向下游增加 ， 堆石坝体上游部 分具有低压缩性， 坝轴线下游部分最大限度地利用 工程开挖料， 各分区最小尺寸满足机械化施工要求。 坝体断面结构从上游往下游依次分为上游盖重 区、 上游铺盖区、 混凝土面板 、 垫层区、 特殊垫层 区、 4 8 过渡区、 主堆石区、 下游堆石区及下游干砌石护 坡等。 本阶段板底石料场石料储量丰富， 质量满足要 求， 可作为堆石料与反滤料料源。溢洪道基础大部 分为弱风化至微、 新鲜岩体构成， 其砂岩、 泥质粉砂 岩强度能满足工程要求 ， 可以用作上坝材料 。 根据坝体分区原则、 填筑料的料源及开挖料的 情况 ， 堆石坝体分为 5区。即： 2 A区为面板下的垫 层料 区， 3 A区为过渡料区， 3 B区为主堆石料区， 3 C 区为下游堆石料区( 利用石料场及溢洪道开挖的强 风化 以下开挖料 区) 。下游堆石料 区设在坝轴线下 游 ， 下游校核洪水位以上干燥区域。 其它填筑分区为： 1 A区为上游铺盖区， 1 B区为 盖重区( 任意料区) ， 2 B区为特殊垫层料区， 3 D区为 块石护坡区。 3 3 2坝料设计 垫层料( 2 A区) ： 垫层料位于面板下面， 具有半 透水性、 低压缩性 、 高抗剪强度 、 高渗透稳定性、 并对 粘土起反滤作用。垫层料拟采用砂石料系统加工的 人工 砂岩料 ， 垫层 料 的设 计级配 为 ： 最 大粒径 8 O i n lT l ， 小于 5 r n l n的颗粒含量 占 3 0 5 0 ， 小于 0 1 1 T l r n的颗粒含量不大于 8 。填筑干密度大于 2 2 3 g c m3 ，填筑孔隙率不大于 1 8 ， 渗透系数 A1 0 I 4 一A1 0 一c m s 。垫层水 平宽 度为 3 m， 填筑 层厚 0 4 m。 过渡料( 3 A区) ： 过渡料对垫层料起渗流保护和 排水作用 ， 防止垫层料冲蚀到主堆石的大孔隙中去， 排泄渗透水流。过渡料位于坝体上游 ， 要求具有高 抗剪强度、 低压缩性 ， 过渡料采用石料场专门开采的 细堆石料。过渡料设计级配 为： 最大粒径 3 0 0 1 T i m ( 保证其排水性能) ， 小于 5 r n r n的颗粒含量不大于 2 0 ， 小于 0 1 mm的颗粒含量不大于 5 。填筑干 密度大于 2 1 8 g c m 3 ， 填筑孔隙率小于 2 0 ， 渗透 系数大于 3 1 0 _ 。 c m s 。垫层的水平宽度为 4 m， 坡度为 1 ： 1 4 。为便 于机 械化 施工 ， 垫层 填筑层 厚 0 4 m。 主堆石料( 3 B区) ： 主堆石区是坝体承受水荷载 的主要部分， 并将水荷载传给坝基 ， 其变形直接影响 面板变形 ， 要求具有低压缩性 。采用板底石料场开 挖的弱风化至新鲜的砂岩、 泥质粉砂岩石料填筑 ， 控 制最大粒径 8 0 0 n 瑚 ， 小于 5 mr f l 的颗粒含量不大于 2 0 ， 小于 0 0 7 5 1 T ff n的颗粒含量不大于 5 。填筑 干密度大于 2 1 2 g c m3 ， 填筑孔隙率小于 2 1 。为 便于排水 ， 河床基础面以上至 1 8 5 m高程范 围内用 广西水利水电GX WAT E RUR C E S&HY D R OP O WE R E N GI NE E RI N G 2 0 1 0 ( 4 ) 砂岩料填筑。 下游堆石料( 3 c区) ： 下游堆石 区受水荷载影响 较小， 其变形模量可适当降低， 但具有强透水性。接 近下游坝坡的坝体的抗剪强度直接影响下游坝坡的 稳定性， 要求该部位具有高抗剪强度。采用溢洪道 开挖料的强风化至新鲜 的砂岩、 泥质粉砂岩石料填 筑， 允许局部夹有弱风化及以下的泥岩， 但含量不得 超过 1 5 ， 控制最大粒径 8 0 0 mm， 无 级配要求 ， 填 筑干密度大于 2 1 5 g c m3 ， 填筑孔隙率小于 2 0 。 周边缝周 围的特殊 垫层 料采用最 大粒 径小于 4 0 mm 的反滤 料 ， 从 人工 骨料场开采石 料加工 而 成。下游 护坡 采用 干砌 石护坡 ， 石料 从堆 石料 场 开采。 混凝土面板上游铺盖为粘土铺盖， 上游盖重区 采用开采的碴料填筑。考虑到混凝土面板检修运用 特 点 ， 面 板 上 游 铺 盖 区 和 盖 重 区 顶 部 高 程 设 为 1 9 0 r n 。 坝料分区设计成果见表 2 。 表 2 坝料分 区设计成果表 3 4 基础 处理 大坝座落在 中厚 厚层含钙粉砂质泥岩、 泥质 粉砂岩、 砂岩地层上 ， 由于面板堆石坝 的面板直接承 受水压力 ， 并传给面板下 的基础 和堆石 ， 在强度 、 柔 性和防渗性方面均有严格要求。因此 ， 趾板对地基 的要求相对较高， 河床及两岸 2 0 0 IT I 高程以下部位 趾板基础座落在弱风化上部岩层上 ， 两岸 2 0 0 IT I 高 程以上部位趾板建基面挖至强风化岩层 中下部。趾 板置基础最大挖深 1 1 m； 坝体堆石 区对地基 的适应 性较强 ， 要求相对较低 ， 堆石区范 围内的河床段考虑 挖除河床及河漫滩部位 的杂质漂 卵砂石层至基 岩 面 ， 两岸岸坡段要求清除覆盖层 。 趾板进行帷幕灌浆和 固结灌浆 ， 并采用锚筋拉 结。趾板开挖后 ， 采取 喷射混凝土或钢筋 网喷射混 凝土保护。 坝基岩体渗透性较弱 ， 3 L u线埋藏较浅 ， 地基 稳定性较好 ， 经帷幕灌浆处理后可满足建坝的要求。 帷幕灌浆布置在趾板 中部 ， 与固结灌浆结合。帷幕 灌浆深度 ： 根据河床部位按深入基岩 3 L u以下 5 I T I 及大于坝前水头 1 3控制 ， 两坝肩 2 0 0 m 高程以上 趾板范围的两岸深入基岩 5 L u以下 5 r n控制 ， 两岸 延伸至正常蓄水位与地下水位线相交处 的原则 ， 防 渗帷幕的深度 ： 河床深入至 1 4 r n ， 左岸 1 4 3 9 r n ， 右 岸 1 4 -6 0 IT I 。趾板基础固结灌浆布置为两排 ， 孔深 均为 7 1 T I ， 孔距 2 3 m， 排距 3 4 I T I 。在裂隙密集 区等地质缺陷部位视具体情况加密、 加深灌浆孔 。 3 5 坝体稳定分析 坝 坡 稳 定 分 析 采 用 二 维 线 性 计 算 ， 采 用 S T AB 2 0 0 0程序 进行计 算 ， 滑裂面为 圆弧 ( 毕 肖普 法) 。选取面板堆石坝最大坝高断面进行计算 ， 堆石 体完全透水， 不考虑面板作用 。坝料计算参 数依据 堆石坝初拟的分区坝料成果。 计算工况及荷载组合见表 3 ； 坝体计算参数见 表 4 。 表 3 坝坡稳定计算荷载组合表 49 胡本勇： 驮英水库坝型比较阶段的混凝土面板堆石坝设计 表4 坝 坡稳定计算参数 非常运行情况为 1 0 。坝体稳定计算成果见表 5 。 计算工况： 施工完建工况、 正常运行工况、 校核 工况、 校核洪水位骤降工况。 安全系数根据规范规定： 正常运行情况为 1 2 ， 表5 坝坡抗滑稳定安全系数计算成果袭 由计算成果看出， 堆石坝坝坡抗滑稳定安全系 数满足规范要求， 坝坡稳定。 混凝土面板堆石坝河床段标准断面图见图 2 。 图 2 混凝土面板堆石坝河床 段标 准断面图 4结 语 驮英水库坝型比选阶段的面板堆石坝设计， 是 在选定坝址的地形地质条件情况进行布置 ， 坝料主 要来源于料场和溢洪道开挖料 ， 根据坝料特点进行 了分区设计 ； 根据坝料室内试验及现场试验结果初 步确定坝体填筑标准。对类似工程坝型比选阶段有 一 定的参考价值。 参考文献 1 】 S L 2 7 4 2 0 0 1 ， 碾压式土石坝设计规范I s 2 S L 2 2 8 9 8 ， 混凝土面板堆石坝设计规范 S ( r 任编辑： 周群) De s i g n o f c o nc r e t e f a c e d r o c k- f i l l d a m f o r Tu o y i ng Re s e r v o i r P r o j e c t a t d a m t y p e c o mp a r i s o n s t a g e HU Be n y o n g ( Gu a n g x i Wa t e r a n d P o w e r D e s i g n I n s t i t u t e ， Na n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ，c t ： C o n c r e t e f a c e d r o c k - fi l l d a m ( C F r O)t y p e w乏 L S s e l e c t e d a f t e r mmmp i son wi t h rol l e r c o mp a c t e d con c r e t e( R C C) d a m t y p e f o r t h e wa t e r r e t a i n i n g d a m o f T u o y i n g R e s e r v o i r P r o i e c t C F R D， fl o o d s p i l l wa y a n d i r r i g a t i o n powe r s y s t e m a r e a r r a n g e d a c c o r d i n g t o t h e g l o g i c a l and t o p o g r a p h i c a l con d i t i o n s o f t h e p r o j e c t s i t e B e cau se t h e co n s t r u c t i o n ma t e r i a l s of ma i n d am wi l l b e f r o m b o r r o wi n g y ard s a n d e x c a v a t i o n d i s p o s a l o f s p i l l wa y ， ma i n d am wa s d i v i d e d i n t o b l o c k s wi t h d i f f e r e n t d e s i g n Th e g r o u t i n g s t an d d of d am b o d y i s als o t e n t a t i v e l y d e t e r mi n e d a c cor d i n g t o t h e r esu l t s of i n d o o r a n d f i e l d t est s K e y w o r d s ： D am t y p e ； comp a r i son a n d s e l e c t i o n ； con c r e t e f a c e d r ock f i l l d am( C F R D ) ； d esi g n 5 0