洪家渡水電站攔河壩面板堆石壩設(shè)計(jì)

洪家渡水電站攔河壩面板堆石壩設(shè)計(jì)

洪家渡村水庫位于河谷溶合區(qū)。兩岸地勢陡峭，左壩肩坡約7080，河谷極不對稱。計(jì)算表明,因河谷狹窄,壩體變形拱效應(yīng)顯著。因此,在峽谷地區(qū)修建高179.50m的面板堆石壩,減少岸坡開挖和填筑工程量,減小不均勻沉降,確保止水效果是工程建設(shè)的關(guān)鍵。針對不對稱狹窄河谷,設(shè)計(jì)中著重研究了如何提高左岸陡邊坡開挖坡度以及陡邊坡對壩體應(yīng)力變形的影響;峽谷區(qū)面板壩應(yīng)力變形規(guī)律及相應(yīng)工程處理措施。本工程吸收和借鑒國內(nèi)外已建面板堆石壩的成功設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn),對不對稱狹窄河谷的面板壩特性有了一定的認(rèn)識。因此,在招標(biāo)設(shè)計(jì)中,對大壩進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)優(yōu)化,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1．壩體及壩體壩體設(shè)計(jì)壩基巖層從上游至下游主要有永寧鎮(zhèn)灰?guī)r、九級灘泥頁巖和玉龍山灰?guī)r,永寧鎮(zhèn)和玉龍山灰?guī)r堅(jiān)硬完整,但巖溶發(fā)育(底納河伏流和K40溶洞等),九級灘泥頁巖強(qiáng)度低,但高大雄厚,隔水性能良好。根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)條件,大壩布置主要遵循以下原則:①壩體盡可能布置在底納河伏流和K40溶洞之間,以避開不利的水文地質(zhì)條件;②趾板應(yīng)座落在堅(jiān)硬的永寧鎮(zhèn)灰?guī)r上;③趾板上的帷幕灌漿應(yīng)穿過永寧鎮(zhèn)灰?guī)r,下接九級灘泥頁巖,以形成封閉的防滲系統(tǒng);④壩軸線盡可能與河流大致正交;⑤壩體趾板上游應(yīng)留有適當(dāng)余地,以便在底納河伏流和趾板間布置導(dǎo)流圍堰,大壩下游要為壩后地面廠房布置留出余地。根據(jù)以上原則,選定的壩軸線位于底納河伏流出口下游340m處,上游壩坡避開了底納河伏流,下游壩坡避開了右岸K40溶洞。壩體呈不對稱“V”形,最大壩高179.5m,是目前世界上高面板壩之一,壩頂長427.79m,寬高比2.38。洪家渡工程規(guī)模為一等大(1)型,攔河壩為Ⅰ級建筑物?？赡茏畲笮：撕樗?145.40m,500年一遇設(shè)計(jì)洪水位1141.34m,正常蓄水位1140m,死水位1076m。壩頂高程1147.50m,壩頂寬11m,上游坡1∶1.4,下游局部邊坡1∶1.25,壩后設(shè)3層“之”字形上壩公路,加上壩后公路的平均邊坡為1∶1.4。壩體填筑方量約900萬m3。1.1壩體墊層料及排水堆石區(qū)的設(shè)置壩體斷面分區(qū)遵循既滿足受力和滲流要求又滿足簡單和經(jīng)濟(jì)的原則,分為7個(gè)區(qū)域,即墊層區(qū)(2A)、過渡區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3B)、次堆石區(qū)(3C)、排水堆石區(qū)(3E)及上游防滲區(qū)(混凝土面板)和防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)(1A、1B)(見圖1)。墊層料水平寬均為4m,在壩基部位向下游延伸30m,岸坡部位向下游延伸20m。過渡料頂寬4m,底寬11m,在壩基與岸坡部位順應(yīng)墊層料的需要,向下游延伸將墊層料包住。次堆石料位于壩軸線下游壩坡附近,為壩體受力最小部位,次堆石總量340萬m3,廢渣料利用率75%。為保證壩體排水順暢,又降低堆石填筑要求,在次堆石體下部設(shè)排水堆石區(qū)。過渡區(qū)與次堆石料之間即為主堆石區(qū)。1.2壩體及陡岸坡開挖和高壓區(qū)域的劃分工作根據(jù)壩區(qū)地形地質(zhì)特點(diǎn),本工程壩體堆石與壩基和岸坡的連接主要遵循以下基本原則:①壩軸線上游陡岸按不陡于1∶0.5邊坡開挖,壩軸線下游岸坡僅需挖除覆蓋層;②壩軸線上、下游開挖邊坡連接過渡角在平面上按不大于30°控制;③全部挖除壩體輪廊范圍的覆蓋層,沒有覆蓋層的地方需清除表面松動石塊、凹槽內(nèi)積土和突出的巖石,以及樹根草皮;④壩體上游1/6范圍內(nèi)的九級灘泥頁巖,應(yīng)挖至微風(fēng)化與弱風(fēng)化線之間,同時(shí)該范圍內(nèi)河床及岸坡均應(yīng)大致平順。按照上述原則,僅在左岸壩軸線上下游約60m范圍出現(xiàn)陡于1∶0.5的開挖邊坡時(shí),需要較大開挖量。另在右岸永寧鎮(zhèn)灰?guī)r與九級灘泥頁巖交界面的小陡壁下,因陡坎高差突變過大,局部地段需回填混凝土。由于壩區(qū)河谷狹窄,邊坡較陡,為了改善壩體與陡岸坡的連接,采取了6項(xiàng)措施:①岸坡趾板嵌深確定后,向下游開挖20～30m,再以比較平順的開挖邊坡與堆石體基礎(chǔ)連接。墊層料在兩岸和河床向下游延伸20～30m,過渡料也相應(yīng)下延;②左岸設(shè)特別碾壓區(qū),以提高接觸帶的壓實(shí)密度和變形模量,減少堆石滑移,即使壩料沿岸坡滑移后也不易出現(xiàn)空隙。特別碾壓區(qū)填筑層厚40cm,寬50～40m,目前正研究左右岸分階上升的施工措施;③在墊層料延伸的坡面噴混凝土保護(hù),并進(jìn)行固結(jié)灌漿,一方面延長透水過趾板滲水的滲徑,另一方面作為陡岸帷幕灌漿的側(cè)向蓋板;④周邊縫選用耐水性好的止水材料,墊層料內(nèi)設(shè)特別級配區(qū),以適應(yīng)周邊縫的變形;⑤趾板通過錨桿和基巖連接;⑥除上游1030m高程以下設(shè)粘土鋪蓋外,死水位以下不易檢修的部位沿周邊縫亦設(shè)粘土鋪蓋,減少局部接縫止水一旦破損后的滲透量。1.3開挖料材料特性壩區(qū)無天然砂礫石料可供利用,但灰?guī)r儲量豐富,壩體填筑料主要為料場開采料和建筑物開挖料。材料特性見表1。減小施工期和運(yùn)行期堆石體沉降,提高設(shè)計(jì)干密度,降低孔隙率是關(guān)鍵。實(shí)踐證明,振動碾薄層碾壓超過6～8遍,效果和效率將降低,很不經(jīng)濟(jì)。目前,設(shè)計(jì)正在研究能提高壓實(shí)度的施工機(jī)具選型和施工工藝。1.4低熱微膨脹混凝土制作縫洪家渡面板壩壩體防滲結(jié)構(gòu)由面板、趾板和接縫止水系統(tǒng)組成。鋼筋混凝土面板總面積7.22萬m2,厚度0.3～0.91m,最大水力梯度161(<200)。面板分縫寬度均為15m。面板混凝土為二級配C30。趾板選用水平(寬度)方向與準(zhǔn)線方向垂直的布置形式,寬度采取“4.5+L1”的布置方式。為滿足多排帷幕灌漿要求,趾板寬度均為4.5m,然后根據(jù)水頭大小確定掛網(wǎng)噴混凝土區(qū)防滲所需滲徑大小L1。這樣可使趾板開挖寬度較傳統(tǒng)布置減少約1.5～5.5m,從而大大減少了高邊坡巖石開挖量。趾板縱向采取連續(xù)、不設(shè)永久縫的布置方式,可減小伸縮縫中的止水與周邊縫止水片連接的施工難度。為防止連續(xù)趾板施工期出現(xiàn)收縮裂縫,采取跳塊澆筑的施工方法,跳塊間經(jīng)施工縫處理后澆筑低熱微膨脹混凝土接縫止水分5種形式(見表2)。為適應(yīng)兩岸周邊縫變形特點(diǎn)和要求,周邊縫采取止水與自愈措施相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式。與原設(shè)計(jì)相比,現(xiàn)行接縫有如下特點(diǎn):①取消中部橡膠止水帶,保留縫面瀝青乳劑和硬木墊板(厚12mm),從而避免了中部止水帶造成的縫兩側(cè)混凝土澆筑可能出現(xiàn)缺陷成為止水薄弱環(huán)節(jié)的弊端;②加強(qiáng)頂部嵌縫填料的保護(hù),頂部的平板塑料蓋片改為富有彈性、具有強(qiáng)度的加筋橡膠片,相當(dāng)于中部橋型橡膠片移至表面。加筋橡膠片的隆起長度要能滿足周邊縫張開的要求,兩側(cè)用扁鋼及膨脹螺栓固定在趾板和面板上;③表面加設(shè)粉煤灰條帶,進(jìn)一步提高因周邊縫破壞后的自愈能力,用帶孔不銹鋼片保護(hù)。在兩岸粘土鋪蓋區(qū),不銹鋼片保護(hù)罩上設(shè)加筋環(huán),配合設(shè)在岸邊趾板上的踏步,共同起防止粘土沿周邊縫滑移的作用。為滿足施工期墊層料保護(hù)和壩體臨時(shí)斷面擋水渡汛要求,墊層表面噴厚10cm的化學(xué)纖維混凝土(C20)進(jìn)行保護(hù)。1.5加風(fēng)壓高的趨勢國內(nèi)外面板堆石壩防浪墻高度一般為3～8m,并有逐漸增高的趨勢。本工程上游側(cè)“L”形鋼筋混凝土防浪墻高6m,下游側(cè)亦設(shè)高為4.8m的“L”形鋼筋混凝土擋土墻,大大減小了壩底寬度和壩體填筑量,為圍堰和廠房布置創(chuàng)造了條件。2壩體變形破壞機(jī)理洪家渡面板堆石壩分別用二、三維有限元法進(jìn)行動靜力應(yīng)力應(yīng)變分析,二、三維成果規(guī)律是一致的,但三維結(jié)果數(shù)值普遍較二維小約30%～50%,只有面板法向位移略高于二維成果。三維分析中,壩料采用鄧肯—張雙曲線模型,混凝土應(yīng)變關(guān)系按線彈性材料模擬。材料參數(shù)由試驗(yàn)和類比擬定。計(jì)算分動靜力兩種情況。得出壩體最大垂直位移83.9cm,占最大壩高的0.46%,面板最大法向位移44.6cm。周邊縫最大動靜力張開度2.23cm,發(fā)生在周邊縫最底部位;最大動靜力剪切位移2.3cm,發(fā)生在右岸約1050m高程處;最大動力沉降3.89cm,影響范圍在右岸1030～1070m高程左右,影響段長122m。通過分析得出以下結(jié)論:①壩體與面板應(yīng)力變形規(guī)律與已建壩觀測成果相類似;②壩址河谷狹窄,受岸坡約束,三維效應(yīng)對壩體應(yīng)力變形影響較明顯;③周邊縫最大位移不在岸坡陡峻的左岸,而在右岸約1/2壩高處,變位較大,需要研究采用專門的止水措施(如前所述)。3壩底地區(qū)的深孔充填施工趾板基巖作固結(jié)灌漿。趾板后邊坡巖體在距帷幕中心線22m范圍之內(nèi)作固結(jié)灌漿,以確保陡邊坡帷幕灌漿的側(cè)向巖石穩(wěn)定和抵抗厚度。通過趾板部位的斷層,挖除地表破碎帶,回填混凝土塞,并作深孔固結(jié)灌漿。在壩坡覆蓋范圍內(nèi)的勘探平洞、地質(zhì)鉆孔均需進(jìn)行回填處理。為防止壩基范圍內(nèi)的九級灘泥頁巖施工中進(jìn)一步風(fēng)化,要求開挖后立即用噴混凝土進(jìn)行封閉。在開挖過程中,如出現(xiàn)倒懸,需采用回填混凝土處理后才能進(jìn)行壩體填筑施工。4壩體施工“岸坡”和寬坡相結(jié)合的基礎(chǔ)通過向國內(nèi)外已建面板壩工程的學(xué)習(xí)和洪家渡面板堆石壩設(shè)計(jì)的實(shí)踐,我們認(rèn)為:①洪家渡面板壩位于峽谷巖溶地區(qū),其布置的關(guān)鍵是避開不利的水文地質(zhì)條件,同時(shí),為圍堰和其他建筑物布置留出余地。②岸坡連接中,應(yīng)采取綜合處理措施確保壩體與陡邊坡的連接質(zhì)量。③河谷狹窄,受岸