【】沙牌碾壓混凝土拱壩設計【水利工程】

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?！?014年】沙牌碾壓混凝土拱壩設計【水利工程】水利工程論文-沙牌碾壓混凝土拱壩設計水利工程論文-沙牌碾壓混凝土拱壩設計摘要：較為詳細地介紹了壩高130m的沙牌碾壓混凝土拱壩的設計和特點，主要包括樞紐布置、拱壩布置、混凝土設計和筑壩材料、結(jié)構(gòu)設計、溫度控制措施和基礎處理。 關鍵詞：碾壓砼拱壩 設計 特點 沙牌水電站 1工程概況沙牌水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)，是岷江支流草坡河上游的一個梯級龍頭電站。電站采用蓄、引相結(jié)合的開發(fā)方式，壩址位于草坡河上沙牌村牛廠溝附近，廠址在其下游約5km的克

2、充臺地，電站尾水匯入已建成的草坡水電站水庫。壩址距草坡河口約19km，距汶川縣城約47km，距成都約136km。沙牌水電站水庫正常蓄水位為18660m，死水位為18250m，總庫容018億m3。電站總裝機容量36 MW，年發(fā)電量179億k Wh，年利用小時數(shù)為4 791h。工程為三等工程，主要建筑物為3級建筑物，設計洪水標準按50年一遇，校核洪水標準按500年一遇，地震基本烈度為7度。樞紐工程主要由碾壓混凝土拱壩、右岸2條泄洪洞及右岸發(fā)電引水隧洞、發(fā)電廠房等建筑物組成。碾壓混凝土拱壩高130m，是目前國內(nèi)外最高的碾壓混凝土拱壩。沙牌水電站分兩期建設：一期工程采用引水式開發(fā)，建低閘臨時取水，于1

3、995年11月開始 施工 ，1997年5月發(fā)電；二期工程采用高拱壩擋水，形成具有季調(diào)節(jié)性能的水庫，于1997年6月16日開工建設，2002年5月30日碾壓到壩頂。拱壩于2003年5月8日下閘蓄水，工程將于2003年12月全面竣工。2樞紐布置 沙牌水電站壩址處河谷深切，兩岸基巖裸露，河谷形狀為V形，基本對稱，其寬高比約為17，適合于修建混凝土拱壩。壩基巖體主要為花崗閃長巖，巖體完整性好，風化卸荷不強；在壩基中上部高程出露有花崗閃長巖夾片巖，對片巖進行混凝土置換處理后，可以滿足拱壩建基面的要求。根據(jù)壩址區(qū)自然條件，并考慮到采用碾壓混凝土筑壩技術等因素，拱壩體型設計為三心圓單曲拱壩，拱壩壩身不布置泄

4、洪建筑物。在拱壩右岸布置2條泄洪隧洞，1號泄洪洞進水口底高程為18460m，結(jié)合導流洞的利用，洞身采用渦漩式內(nèi)消能豎井泄洪洞，最大泄流量為242m3s；2號泄洪洞進水口底高程為18050m，洞身采用長陡坡，坡度為10，最大泄流量為211m3s。發(fā)電引水系統(tǒng)布置在拱壩右岸，進水口底板高程為1818m，引水隧洞全長3 50092m，洞徑3m，引用流量156m3s。調(diào)壓井布置在下廠址草坡河右岸的山體中，為圓筒阻抗式，直徑45m，高9936m。調(diào)壓井后為埋藏式壓力管道，2臺機共享1根總管，管徑2m，支管直徑12m。廠房布置在草坡河左岸的克充階地上，主廠房長26m、寬185m、高3155 m，安裝2臺單

5、機容量為18萬k W的混流式機組。主體工程施工期采用斷流圍堰擋水、隧洞導流、壩體全年施工的導流方案。樞紐布置見圖1。該樞紐布置較大地簡化了碾壓混凝土拱壩 結(jié)構(gòu) ，為碾壓混凝土快速施工創(chuàng)造了極為有利的條件。3碾壓混凝土拱壩布置拱壩建基面確定在基巖弱風化下段下限，即壩基開挖至微風化頂板，壩基主要為類巖體，局部位于兩岸的中、上部高程2類巖體上。當建基面上出現(xiàn)Sc密集帶時，要進行混凝土置換處理，同時加強壩基固結(jié)灌漿，增強壩基整體性和均勻性。 碾壓混凝土拱壩設計應滿足安全和經(jīng)濟的目的，同時應充分發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的優(yōu)勢，并容易保證施工質(zhì)量。經(jīng)比較論證，三心圓單曲拱壩體型形狀簡單，有利于簡化壩體構(gòu)造，

6、更便于碾壓混凝土施工及保證施工質(zhì)量。從國內(nèi)外施工技術水平和實踐經(jīng)驗出發(fā)，為積極穩(wěn)妥地推動高碾壓混凝土拱壩建設的順利發(fā)展，沙牌拱壩體型設計采用三心圓單曲拱壩。為改善拱壩壩體應力，合理利用地形條件，減輕河床深槽下部開挖和施工難度，在河床底部設置墊座。拱壩體型參數(shù)特征值見表1。4拱壩混凝土設計強度及筑壩材料沙牌拱壩混凝土設計強度采用90天齡期的20 MPa碾壓混凝土。在基本荷載組合作用下，混凝土抗壓安全系數(shù)取40。應力控制標準和混凝土抗壓強度安全系數(shù)見表2。根據(jù)拱梁分載法壩體應力分析表明，在基本組合及特殊組合工況下，壩體應力、位移分布規(guī)律合理，應力狀態(tài)良好，滿足控制標準。 碾壓混凝土在施工期的水化熱

7、溫升對高碾壓混凝土拱壩應力將產(chǎn)生不利影響，主要可通過合理的分縫及在高溫季節(jié)埋設冷卻水管予以解決。在筑壩材料上，水泥采用阿壩州白花水泥廠生產(chǎn)的白花425號中熱水泥；粉煤灰采用華能成都電廠電吸層粉煤灰和關口電廠風選粉煤灰，粉煤灰品質(zhì)達到國家級灰標準；骨料采用長河壩溝口的花崗巖人工骨料。通過多方案的試驗研究比較，按高鐵、低鋁的原則調(diào)整水泥配方，研制開發(fā)出低脆性延 遲微膨脹專用水泥；采用具有硅質(zhì)界面膠結(jié)作用的花崗巖作為人工骨料，優(yōu)化配制了具有低彈性模量、高極限拉伸值及大徐變度等高抗裂性能的碾壓混凝土?；炷猎O計配合比見表3，混凝土材料性能見表4。5壩體結(jié)構(gòu)設計51混凝土分區(qū)沙牌碾壓混凝土拱壩基本上是按

8、全碾壓混凝土模式設計?；炷练謪^(qū)主要圍繞碾壓混凝土施工、防滲、壩內(nèi)孔洞結(jié)構(gòu)的特點設計。（1）壩體碾壓混凝土設計強度均采用90天齡期的20 MPa，壩體主要采用三級配碾壓混凝土。因壩體防滲的需要，在壩體上游部位采用二級配碾壓混凝土，以減少施工中的骨料分離現(xiàn)象，達到防滲的目的。（2）墊座采用摻MgO微膨脹碾壓混凝土，其微膨脹量控制在70106，可以達到取消墊座分縫、加快施工進度的目的。（3）壩內(nèi)廊道及豎井均采用預制混凝土成型，可避免立模對施工的干擾。（4）在上、下游壩面、壩與基巖接觸部位、壩內(nèi)孔洞配筋部位，均采用改性混凝土。52壩體分縫為減小溫度對壩體的不利影響，防止溫度裂縫的發(fā)生，保證拱壩的安全

9、，并保證碾壓混凝土快速施工，結(jié)合施工進度計劃安排，拱壩結(jié)構(gòu)分縫方案設計采用兩條誘導縫和兩條橫縫的組合方案：2號和3號縫為誘導縫，1號和4號縫為橫縫。碾壓混凝土拱壩分縫結(jié)構(gòu)，既要保證縫的作用，又要保證全斷面通倉碾壓、連續(xù)上升的實現(xiàn)，最大限度地減少對施工的干擾。沙牌拱壩設計采用了預制混凝土重力式模板成縫新技術，該技術的特點是： （1）事先在倉面以外將混凝土成縫模板預制成型，施工時先將重力式成縫模板安裝定位，然后再進行碾壓混凝土施工作業(yè)。（2）模板斷面設計為重力式，縫面為直面，設置灌漿及排氣管路孔、鍵槽等；縫的背面為斜面加趾板，并設置嵌合型齒結(jié)構(gòu)，斜面上鑿毛，保證與碾壓混凝土嵌合緊密。（3）模板的大

10、小與施工現(xiàn)場人工搬運相適應，一般模板長10m，高度025030m（必須為一個碾壓層），底寬（加趾板）030035m，以適應施工現(xiàn)場快速組裝。（4）在趾板上設置固定插件孔，確?，F(xiàn)場安裝及碾壓施工時定位準確。在誘導縫或橫縫的上游面設置邊緣切口縫。設置邊緣切口縫以后，縫斷面的張開條件有很大變化，可以防止裂縫繞過止水片和止?jié){片。對誘導縫和橫縫的接縫灌漿，從考慮拱壩的整體性和蓄水的需要出發(fā)，采用重復灌漿方式。灌漿系統(tǒng)為單回路布置，只預埋一套灌漿管路系統(tǒng)，在灌漿管路中布置重復出漿盒，能多次重復用于接縫灌漿，可解決壩體溫度在未冷卻到穩(wěn)定溫度時就蓄水的要求。每個灌漿區(qū)至少應設2根單回路灌漿管，一是可使灌漿管長

11、度不至于過長，在灌漿時管內(nèi)壓力分布相對均勻，管路上的每個出漿盒均有條件開啟；二是當一條灌漿管路出現(xiàn)堵塞時，可以使用另一條。使用單回路灌漿管路和橡膠套閥出漿盒，具有費用低、容易安裝、節(jié)省時間等優(yōu)點，適合于碾壓混凝土拱壩的施工。灌漿材料采用普通硅酸鹽水泥及超細水泥。53壩體防滲碾壓混凝土的抗?jié)B性主要與膠凝材料用量有關。大量的研究及工程經(jīng)驗表明，中高膠凝材料的碾壓混凝土自身具有較強的抗?jié)B透能力。層面是碾壓混凝土壩防止?jié)B透的薄弱環(huán)節(jié)，防滲的關鍵在于層間結(jié)合的質(zhì)量。沙牌拱壩采取了以下防滲措施：（1）碾壓混凝土的膠凝材料用量不低于150kgm3。（2）拱壩迎水面壩體部位防滲設計采用二級配碾壓混凝土自身防滲

12、，防滲層厚度和抗?jié)B指標為：高程1820m以上防滲層厚度3m，抗?jié)B標號W6；高程1820m以下的防滲層厚度68m，抗?jié)B標號W8。壩體三級配碾壓混凝土的抗?jié)B標號一般為W4W6。二級配與三級配碾壓混凝土同倉碾壓，同時上升，可使兩者結(jié)合良好，成為一體。（3）在上游壩面高程1850m以下，采用LJP型合成高分子防水涂料作為壩體輔助防滲措施，涂層厚 度1mm，在壩面平順連續(xù)部位采用素涂方式，在壩面與墊座轉(zhuǎn)折部位、壩面與基礎連接部位采用加無紡布的2布6涂方式，并覆蓋基巖寬度05m。LJP型合成高分子防滲涂料的涂膜不僅具有優(yōu)異的耐水浸泡性和耐氣候老化性能，而且黏接強度高，抗紫外線幅射好，材料性能能滿足大壩防滲

13、要求。（4）為保證碾壓混凝土施工的層間結(jié)合質(zhì)量，要求連續(xù)碾壓，保證在初凝前覆蓋完下層混凝土。同時還采取了以下保證層間結(jié)合質(zhì)量的措施：二級配碾壓混凝土自身防滲部位，在初凝前層面要求鋪灑水泥粉煤灰漿；對在初凝后至終凝前，二級配及三級配部位的層面均需鋪灑水泥粉煤灰漿；完全終凝以后，層面按施工縫處理，要求鑿毛清理，在鋪上層混凝土前先鋪1020mm的水泥砂漿；加強施工現(xiàn)場管理，對入倉后存在骨料集中的部位，要求進行翻清，分散均勻。54壩體排水壩體排水系統(tǒng)由豎向排水孔、排水溝、集水井及泵房組成。壩體豎向排水孔設置在二級配碾壓混凝土防滲層后、高程18501750 m之間，排水孔間距為3m，孔徑為100mm。設

14、計采用多孔無砂混凝土管，施工后鉆孔形成排水管。排水溝主要布置在各層水平廊道，在高程18101750m之間靠近基礎部位左右兩岸各設置了一道排水暗溝。壩內(nèi)集水的排出在高程1810m以上采用自流排水，通過壩體排水孔和廊道內(nèi)的排水溝將滲水引至下游壩面貼角處的排水溝排出；在高程1810m以下，通過排水孔和排水溝將滲水匯集于集水井，然后通過深井泵將水排至壩外。為減少施工干擾，集水井布置在壩外墊座下游端。55壩內(nèi)廊道及交通根據(jù)灌漿、觀測、排水及交通的需要，按簡化壩體、集中布置的原則，分別在高程1750m、1810m、1850m布置三層多用途水平廊道，在壩內(nèi)設置電梯井與各層廊道連通。水平廊道設置在二級配碾壓混

15、凝土防滲層后，斷面設計為25m30m的城門洞形。高程1850m和1810m層水平廊道在兩岸設有橫向廊道或壩后棧橋通至下游壩外。帷幕灌漿通過布置在高程1750m、1810m、18675m的三層灌漿平洞內(nèi)進行，其中1750m和1810m高程灌漿平洞與水平廊道相通。電梯井為20m20m的方形豎井。6拱壩溫度控制措施 沙牌碾壓混凝土拱壩采用全斷面薄層通倉碾 壓、連續(xù)上升的施工方法，由于拱壩較高、規(guī)模較大，溫度應力問題突出。解決溫度應力問題除提高混凝土抗裂性能并進行合理的結(jié)構(gòu)分縫外，還采取了下列溫度控制措施：（1）盡量利用低溫季節(jié)多澆混凝土，高溫季節(jié)少澆或不澆，高溫季節(jié)澆筑混凝土必須有可靠的溫度控制措施

16、。（2）拱壩最高溫度控制：高程1810m以下，最高溫度Tm25；高程1810m以上，最高溫度Tm28。（3）澆筑溫度以自然入倉溫度為主，在高溫季節(jié)對骨料采取噴霧、冷風、涼棚等簡易措施，降低澆筑溫度；在寒冷季節(jié)采取熱水拌和等措施，保證澆筑溫度不低于5。（4）在高溫季節(jié)施工，采用倉面噴霧、鋪設冷卻水管等措施以保證混凝土溫度控制滿足要求。當不能滿足要求時，應停止施工。（5）在寒冷季節(jié)施工，當氣溫低于2時，已碾壓完成的表面須立即用保溫材料覆蓋，以保證混凝土表面溫度不低于5。當不能滿足要求時，應停止施工。對于碾壓混凝土壩埋設冷卻水管的問題，在沙牌拱壩首次提出在碾壓混凝土中預埋高密度聚乙烯冷卻水管降溫技術

17、，并在大朝山水電站上游碾壓混凝土拱圍堰上成功地進行了試驗，后又在沙牌拱壩上進行了試驗和應用，現(xiàn)已推廣應用于塔西河、龍首等碾壓混凝土拱壩，成功地實現(xiàn)了碾壓混凝土高拱壩筑壩技術的突破。7拱壩基礎處理在基礎處理上，針對壩址的地質(zhì)缺陷及薄弱環(huán)節(jié)，考慮盡可能減少對碾壓混凝土的施工干擾，提出了適合大壩碾壓混凝土快速施工的基礎處理措施。71防滲帷幕防滲帷幕主要在兩岸的灌漿平洞進行施工，少部分在壩體水平廊道內(nèi)進行。帷幕采用懸掛式。主帷幕基巖內(nèi)最大深度為8250m，設計灌漿壓力在1050 MPa之間。帷幕控制標準：高程181000m以上，壩高為5750m，要求3Lu，帷幕采用單排孔，孔距為20m；高程18100

18、0m以下，要求1Lu，帷幕采用雙排孔，孔距為20m，排距為10m，交錯布置。72排水設計基礎排水按工程部位分為大壩基礎排水系統(tǒng)和抗力體排水系統(tǒng)兩部分。大壩基礎排水系統(tǒng)由兩道排水幕、壩內(nèi)集水井 和深井泵房組成。第一道排水幕在灌漿平洞及排水平洞內(nèi)進行，第二道排水位于壩趾處高程177000185000m范圍內(nèi)。抗力體排水系統(tǒng)利用勘探平洞擴挖而成，采用自流式排水。壩基下排水孔深度取05倍主帷幕深度，孔距為30m；壩趾排水孔孔深均為300m，孔距為50m；抗力體排水孔孔深為300m，孔距為50m。排水孔孔徑均為110mm。73固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿主要對壩基爆破松動和卸荷松弛的淺表部巖體進行常規(guī)處理，在全壩基

19、范圍進行。固結(jié)灌漿采用無蓋重灌漿加淺層引管灌漿的方式，采用這種方式對碾壓混凝土的上升干擾相對較小。灌漿參數(shù)見表5。 74接觸灌漿為提高壩基接觸面強度，防止沿基礎接觸面滲漏，并增強表層固結(jié)灌漿效果，須進行接觸灌漿。接觸灌漿主要部位是坡度大于5060的建基面、在基巖中開挖置換混凝土的斜坡坡面。沙牌工程采用結(jié)合固結(jié)灌漿和帷幕灌漿方式進行接觸灌漿。結(jié)合固結(jié)灌漿具體方法是：在進行接觸灌漿部位，先對20m基巖以下進行固結(jié)灌漿，20m以上的固結(jié)灌漿在澆筑壩體混凝土前，采用預埋1英寸鋼管引管至下游貼角，待壩體混凝土澆筑一定高度，且當混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度后，按固結(jié)灌漿壓力或稍大于固結(jié)灌漿壓力進行淺層固結(jié)灌漿和接

20、觸灌漿。結(jié)合帷幕灌漿具體方法是：在位于帷幕灌漿軸線上進行接觸灌漿的部位，待壩體澆筑一定高度且混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度后，實施帷幕灌漿，其淺表段可作為接觸灌漿，灌漿壓力按帷幕灌漿壓力即可。需要指出的是，碾壓混凝土要達到穩(wěn)定溫度需要采取措施，否則將影響大壩蓄水。本工程是采用預埋高密度聚乙烯冷卻水管降溫技術來解決的。75軟弱巖體處理左岸建基面的主要軟弱巖體為片巖類花崗巖角巖，寬37m，出露在182400186750 m高程間的上游壩踵附近。右岸建基面的主要軟弱巖體為千枚巖夾片巖，寬335m，出露在177400186750m高程間的上游壩踵附近。對在建基面出露的片巖密集帶采用混凝土置換處理。根據(jù)三維有限元

21、法和變位一致法計算，左岸垂直置換開挖深度為40m，右岸垂直開挖深度為30m，并鋪設一層2525mm25 mm的鋼筋網(wǎng)。置換混凝土與壩體碾壓混凝土同時上升，按改性混凝土施工。76邊坡支護和預應力錨索設計左岸上游邊坡高度37112m，下游邊坡坡高1436m左右；右岸上游邊坡高度為25107m，下游邊坡坡高為2051m左右。上游開挖邊坡主要是片巖類花崗巖角巖，其中2類以上巖級占70左右，2類巖級占30左右；下游開挖邊坡主要是花崗（閃長）巖夾角巖，其中1類以上巖級占55左右，1類巖級占45左右。為保證施工期和運行期的邊坡穩(wěn)定，采取的主要支護措施是系統(tǒng)錨桿支護，輔以排水，對強卸荷、弱風化上段巖體邊坡還采用噴混凝土支護。系統(tǒng)錨桿長35m，間、排距225m，直徑25mm。左岸壩肩中上部存在陡巖區(qū)，右岸壩肩中上部山體單薄，導致兩岸中上部壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)略低，故采用了預應力錨索加固。兩岸共布置200t錨索99根，左岸布置在高程181500185000m間，單根長度為500m和440m兩種，共計64根；右岸