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文檔簡介
公伯峽水電站混凝土面板堆石壩設(shè)計簡介:
公伯峽水電站的攔河大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,最大壩高139.0
m。該壩的特點是:壩址處于高地震區(qū)且河谷極不對稱,氣候寒冷,日溫差大、干燥,巖性變化復(fù)雜,開挖渣料質(zhì)量差別大,兩岸上游設(shè)有目前國內(nèi)較高的混凝土高趾墻。在設(shè)計中充分考慮了這些特點,就壩體穩(wěn)定、應(yīng)力應(yīng)變分析、壩體分區(qū)、壩料平衡、接縫止水結(jié)構(gòu)設(shè)計、混凝土高趾墻等進行了深入研究和優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵字:混凝土面板堆石壩
設(shè)計
公伯峽水電站
公伯峽水電站混凝土面板壩具有以下特點:面板壩處于極不對稱河谷中,左右岸平均坡度分別為30°和60°;右岸1
980.0
m高程以上為階地砂壤土及砂礫石層,致使面板受拉縫范圍大,右岸陡坡處周邊縫剪切變位較大;由于兩岸壩頭分別為電站進水口及溢洪道,結(jié)合地形地質(zhì)條件,兩岸均需設(shè)高趾墻;壩址處于高地震區(qū),基本烈度7度,壩體設(shè)防烈度8度;壩體大部分(2/3)利用樞紐工程開挖料填筑,樞紐工程開挖量大,巖性變化復(fù)雜,分區(qū)時雖考慮了渣料性能差別,但利用開挖料難度仍較大;氣候寒冷,日溫差大、干燥,因此面板防裂問題較突出。
1
壩體設(shè)計
1.1
壩頂高程和壩頂寬度
水庫正常蓄水位和設(shè)計洪水位為2
005.0m,校核洪水位2
008.0m??紤]了波浪爬高、風(fēng)壅水面高、地震涌浪、地震沉陷及庫區(qū)滑坡涌浪等情況,經(jīng)計算壩頂高程由地震情況控制,防浪墻頂高程為2
011.3m,壩頂高程為2
010.0m,防浪墻底高程高于正常蓄水位0.5m(即2005.5m)。為保證拉模施工平臺寬度大于15.0
m及滿足壩頂交通要求,壩頂寬度確定為10.0
m。
1.2
壩坡設(shè)計
參考國內(nèi)外已建和在建100
m以上高混凝土面板壩的經(jīng)驗,結(jié)合本工程壩料的質(zhì)量和分區(qū)以及處于高地震區(qū)的特點,經(jīng)穩(wěn)定計算分析后,確定上游壩坡為1∶1.4,下游壩坡(實坡)為1∶1.5~1∶1.3,綜合壩坡1∶1.79。
1.3
壩體材料分區(qū)及壩料設(shè)計
1.3.1
壩體材料分區(qū)
(1)
壩體材料分區(qū)原則
。壩體中應(yīng)有暢通的排水通道且壩料之間應(yīng)滿足水力過渡的要求;壩軸線上游側(cè)壩料應(yīng)具有較大的變形模量且從上游到下游壩料變形模量可遞減,以保證蓄水后壩體變形協(xié)調(diào),盡可能減小對面板變形的影響,從而減小面板和止水系統(tǒng)遭到破壞的可能性;充分合理利用樞紐的開挖料,以達到經(jīng)濟的目的。
(2)
壩體材料分區(qū)。根據(jù)分區(qū)原則,壩體從上游向下游依次分為:面板上游面下部土質(zhì)斜鋪蓋(1A)及其蓋重區(qū)(1B)、混凝土面板、墊層區(qū)(2A)、墊層小區(qū)(2B)、過渡區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3BⅠ、3BⅡ)及下游次堆石區(qū)(3C)(見圖1)。堆石料較砂礫石有較大的抗剪強度和良好的透水性,故布置在上游側(cè),而堆石特別是次堆石與砂礫石壓縮模量差別很大(主次堆石壓縮模量為砂礫石的1/3~1/10),其分界線應(yīng)有較大坡度(1∶0.5~1∶1),以使其變形有漸變的過程。除墊層和主堆石間設(shè)過渡料外,砂礫石料底部也設(shè)過渡料層防止砂礫石沖蝕。
1.3.2
壩體材料設(shè)計
(1)墊層料(2A)。墊層料由微、弱風(fēng)化花崗巖和片麻巖加工而成。最大粒徑100
mm,小于5
mm的顆粒含量為35%~45%,小于0.1
mm的顆粒含量為4%~7%。設(shè)計干密度2.23
g/cm3,孔隙率16%,滲透系數(shù)K=1×10-3cm/s,允許滲透坡降J>70。該區(qū)水平寬度3.0
m,鋪料厚度40.0
cm。為了改善壩體與岸坡的連接,在壩基部位墊層向下游延伸0.3
H(H為該處作用水頭)。
(2)過渡料(3A)。過渡料位于墊層與主堆石區(qū)之間,為微、弱風(fēng)化花崗巖。最大粒徑300mm,小于5
mm的顆粒含量為3%~17%,小于0.1
mm的顆粒含量小于7%。設(shè)計干密度2.17
g/cm3,孔隙率18%,滲透系數(shù)K=1×10-1cm/s,允許滲透坡降J>30。水平寬度3.0
m,鋪料厚度40.0
cm。在壩基與岸坡部位向下游延伸將墊層料包住。
(3)主堆石料(3BⅠ)。主堆石料Ⅰ區(qū)為大壩主要支撐體的一部分,兼作壩體排水體。為微、弱風(fēng)化花崗巖和片巖,其中片巖含量不超過30%。最大粒徑800
mm,小于5
mm的顆粒含量小于8%,小于0.1
mm的顆粒含量小于5%。設(shè)計干密度2.15
g/cm3,孔隙率20%,鋪料厚度80.0
cm。
(4)主堆石料(3BⅡ)。為大壩主要支撐體的一部分,材料為砂礫石。最大粒徑450mm,小于5
mm的顆粒含量為15%~40%,小于0.1
mm的顆粒含量小于7%。設(shè)計相對密度0.8,鋪料厚度60.0
cm。
(5)次堆石料(3C)。次堆石料位于壩體下游干燥部位,為強風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化片巖(試驗表明強風(fēng)化片巖不宜作為上壩料)。級配連續(xù),最大粒徑1
000mm,小于5
mm的顆粒含量小于35%,小于0.1
mm的顆粒含量小于8%。鋪料厚度100.0
cm,15t振動碾碾壓6~8遍。
(6)墊層小區(qū)料(2B)。該區(qū)位于面板周邊縫下游,該部位狹窄,應(yīng)加強人工夯實或采用平板震動器進行碾壓。材料為微、弱風(fēng)化花崗巖和片麻巖。最大粒徑40
mm,小于5
mm的顆粒含量45%,小于0.1
mm的顆粒含量小于7%。設(shè)計干密度2.2
g/cm3,孔隙率17%,鋪料厚度20.0
cm。
(7)上游粉砂質(zhì)壤土壓坡(1A)。為封堵面板裂縫和周邊縫裂縫,在上游1
940.0
m高程以下面板上游側(cè)設(shè)置粉砂質(zhì)壤土壓坡,頂寬5.0
m,上游坡度1∶1.65,其上游側(cè)設(shè)置碎石蓋重體加以保護。
1.3.3
土石方平衡
由于公伯峽壩址地質(zhì)條件復(fù)雜,巖性變化規(guī)律性差,主體工程開挖后,實際可利用上壩的石渣料數(shù)量、質(zhì)量均有很大變化。根據(jù)2002年3月底實際統(tǒng)計資料對壩體分區(qū)進行了調(diào)整優(yōu)化,以盡可能提高開挖料的利用率,減小料場補充量(圖1為調(diào)整后斷面)。經(jīng)調(diào)整后壩體總填筑量為476.33萬m3,利用開挖渣料318.97萬m3,占總填筑量的66.9%。其中墊層、過渡料由藥水溝料場開采,以保證其質(zhì)量。主次堆石利用開挖料達71%,不足部分由溢洪道引渠局部擴挖補充,砂礫石由下游水車村料場開采
2
壩體應(yīng)力應(yīng)變分析
壩體三維應(yīng)力應(yīng)變分析的計算模型采用雙屈服面彈塑性本構(gòu)模型,混凝土材料采用線彈性參數(shù),壩料采用非線性材料參數(shù);動力分析采用等價非線性粘彈性模型進行計算;靜力計算模擬大壩壩體填筑、面板澆筑和分期蓄水過程,分33級進行仿真計算。動力計算是在水庫蓄水后遭遇地震,按場地基巖地震加速度過程線(100年超越概率2%)計算。
經(jīng)計算壩體的最大沉陷量140.9
cm,相當于壩高的1%,壩體內(nèi)的應(yīng)力水平均小于1.0,說明壩體內(nèi)的堆石體不會發(fā)生剪切破壞。一期面板澆筑后,在壩體繼續(xù)填筑時,頂部10.0
m左右面板可能脫空??⒐ぜ靶钏诿姘屙樒孪驊?yīng)力絕大部分為壓應(yīng)力,軸向應(yīng)力河槽部位為壓應(yīng)力(最大7.2
MPa),兩岸有一定拉應(yīng)力區(qū)(最大0.5~2.5
MPa)。蓄水期面板最大撓度為28.5
cm,位于河床深槽部位,半壩高以上。面板軸向位移由河谷兩岸向河槽中央變形,最大位移1.5
cm。面板垂直縫僅主河槽部位受壓,兩側(cè)約80%范圍為張開區(qū),最大張開變形為7.4
mm。在一期面板頂部附近及右岸陡坡下部的周邊縫位移較大(周邊縫最大變位:張開11.5
mm,沉陷19.8
mm,剪切24.8
mm),兩岸高趾墻的位移與應(yīng)力狀態(tài)較好。
動力計算結(jié)果表明,在遭受8度地震的情況下,壩頂永久變形較大,垂直沉降35.1
cm,水平位移25.3
cm。動力反應(yīng)較大,壩頂垂直和順河向地震反應(yīng)最大加速度達4.18
m/s2和7.34
m/s2,地震反應(yīng)加速度放大倍數(shù)達3.7。下游壩坡上部可能出現(xiàn)坍塌、滾石等局部破壞現(xiàn)象,但發(fā)生大范圍滑坡的可能性不大。在地震過程中,面板中動應(yīng)力較大(最大振動拉應(yīng)力達7.0
MPa),不能排除面板有出現(xiàn)局部損壞的可能。在動應(yīng)力作用下,面板的垂直縫和周邊縫變位均有所增加,但增加量不大(5~18
mm)。
計算分析得出的壩體與面板應(yīng)力變形規(guī)律與已建壩觀測結(jié)果相似,根據(jù)計算結(jié)果,在設(shè)計中采取了以下措施:周邊縫剪切變位較大,采用適應(yīng)較大變形的止水結(jié)構(gòu)型式;適當放緩下游壩坡并采用上緩下陡(1∶1.5~1∶1.3)的形式,下游壩坡上部采用加錨筋的漿砌石護坡,防止地震引起的局部破壞,面板垂直縫設(shè)5條柔性壓縫,以滿足抗震要求;為減小一期面板與墊層間脫空現(xiàn)象,一期面板施工時,要求壩體填筑高度高于面板頂10.0
m以上
3
面板、趾板(高趾墻)及接縫設(shè)計
3.1
面板設(shè)計
鋼筋混凝土面板頂部厚度0.3
m,底部最大厚度0.7
m,控制最大水力梯度小于200(為196),面板總面積57
528
m2。面板分縫寬度考慮河谷部位壓性縫范圍較小,寬度均為12.0
m。面板采用單層雙向鋼筋(螺紋鋼筋),每向配筋率為0.3%~0.4%。在周邊縫及垂直縫側(cè)面設(shè)置抗擠壓鋼筋(細鋼筋),防止局部擠壓破壞。面板分二期澆筑,一、二期面板混凝土標號分別為C25W12F100和C25W10F300,為二級配混凝土。為防止面板裂縫除要求加強養(yǎng)護外,擬采用聚丙烯纖維混凝土(正進行試驗研究)。
3.2
趾板(高趾墻)設(shè)計
趾板是整個混凝土面板壩防滲系統(tǒng)的重要組成部分,可保證面板與壩基間的不透水連接。趾板建基面座落在弱風(fēng)化巖石上,趾板寬度按垂直于趾板控制線(X線)由地基允許滲流比降(J<15)確定。趾板寬度分別為5.0、6.0、7.5、9.0
m,趾板厚度分別為0.5、0.6、0.7
m。趾板在頂部布置單層雙向鋼筋,每向配筋率為0.3%,鋼筋與趾板錨筋相連。沿趾板軸線每30.0
m間距及在拐點兩側(cè)設(shè)永久伸縮縫,每15.0
m間距設(shè)施工縫。趾板混凝土為二級配混凝土,標號為C25W12F100。
左右岸混凝土高趾墻直接關(guān)系到面板防滲的可靠性和大壩的安全。右岸高趾墻最大墻高50.0m,墻頂隨壩坡降低,墻頂寬度4~12
m,墻底寬度13.06~31.9
m,墻背坡1∶0.6。左岸高趾墻為溢洪道引渠邊墻,墻頂高程2
010.0
m,墻高38.0
m,墻底寬度9.52~21.31m。高趾墻在施工期要承受壩體堆石的側(cè)向壓力,在蓄水期還要承受幾個方向巨大的水壓力,為防止破壞上游面板和周邊縫止水或拉裂高趾墻下的灌漿帷幕,墻體不允許產(chǎn)生較大的變位。所以,高趾墻的受力以及在荷載作用下的工作狀態(tài)較一般的重力壩、擋土墻復(fù)雜。
本工程用材料力學(xué)方法及有限元法對形態(tài)不同的高趾墻進行了整體分析計算。根據(jù)計算結(jié)果,為保證墻體穩(wěn)定及墻底應(yīng)力要求,左右岸高趾墻均需做成整體。底部設(shè)廊道進行接縫、帷幕灌漿并設(shè)排水,以減小基底揚壓力。
3.3
接縫止水設(shè)計
接縫止水設(shè)計的原則:能適應(yīng)接縫處的位移和滿足防滲要求,有利于施工及保證質(zhì)量,各道止水間應(yīng)形成統(tǒng)一的防滲系統(tǒng)。
計算表明,周邊縫變位較大,做好周邊縫的止水是至關(guān)重要的。參照國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗,結(jié)合本工程周邊縫變位值,設(shè)3道止水。頂部設(shè)SR-2塑性填料,外部用SR保護蓋片(厚7
mm)和PVC壓條(厚6
mm)保護,縫口設(shè)橡膠棒(直徑50
mm);中部設(shè)橡膠止水帶(H2-861型);底部設(shè)F形止水銅片與面板垂直縫底部銅止水相接,為適應(yīng)較大剪切變形,銅止水鼻寬和鼻高為30
mm和105
mm,鼻內(nèi)設(shè)30橡膠棒,并用聚氨脂泡沫塑料充填。周邊縫內(nèi)充填12
mm厚的瀝青木板。
面板張性縫設(shè)2道止水。頂部設(shè)SR-2塑性填料,外部用SR保護蓋片(厚7
mm)和PVC壓條(厚6
mm)保護;底部設(shè)W形止水銅片,鼻子內(nèi)設(shè)12橡膠棒并用聚氨脂泡沫塑料充填,縫面刷瀝青乳膠。
面板壓性縫位于河谷中部,且設(shè)置為柔性縫,其止水設(shè)置與張性縫相同,但縫內(nèi)需設(shè)瀝青木板。
面板與防浪墻間的伸縮縫設(shè)2道止水。頂部設(shè)SR-2塑性填料,外部用SR保護蓋片(厚7
mm)和PVC壓條(厚6
mm)保護;底部設(shè)W形止水銅片(厚1
mm)并與防浪墻伸縮縫內(nèi)的銅片止水相接,W形止水銅片的鼻子內(nèi)設(shè)12橡膠棒并用泡沫塑料充填,縫面設(shè)12mm厚瀝青木板。
防浪墻墻體間的伸縮縫間距為10.0~20.0
m,縫內(nèi)設(shè)銅片止水1道,縫面充填L-600閉孔低發(fā)泡塑材板。
趾板間的伸縮縫設(shè)2道止水。頂部設(shè)橡膠止水帶;底部設(shè)銅片止水(厚1
mm),趾板間伸縮縫縫面刷瀝青乳膠。
趾板每15
m設(shè)1道施工縫,鋼筋穿過縫,并設(shè)12@10
cm騎縫鋼筋,縫面要求鑿毛,并設(shè)1道橡膠止水帶。
4
壩基處理
4.1
基礎(chǔ)開挖
趾板建基于弱風(fēng)化巖石上,趾板下游0.3倍壩高范圍內(nèi)的基礎(chǔ)開挖至強風(fēng)化中、下部巖石上,開挖面應(yīng)平坦,基礎(chǔ)開挖面必須清洗干凈。其后至壩軸線基礎(chǔ),將表面覆蓋及沖積層挖除至強風(fēng)化巖石(松動層要挖除),不允許有高度大于1.0
m的陡坡和反坡,其間的連接坡度不陡于1∶1.4。壩軸線下游部分的基礎(chǔ),將表面覆蓋及沖積層挖除,露出基巖面即可。壩軸線上游范圍兩岸要求削成平順連續(xù)的岸坡,開挖邊坡不陡于1∶0.5,壩軸線下游范圍兩岸要求削成不陡于1∶0.3的岸坡。左右岸高趾墻基礎(chǔ)均挖至弱風(fēng)化巖石。
4.2固結(jié)灌漿
固結(jié)灌漿僅在趾板和高趾墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)進行,灌漿孔深入基巖5.0
m(位于左右岸高趾墻基礎(chǔ),灌漿孔深入基巖8.0
m),孔排距3.0
m,梅花形布置。
4.3
帷幕灌漿
帷幕灌漿沿趾板和高趾墻全線布置,位于趾板X線上游。主帷幕深度按以下兩個方面控制,取其大者為帷幕深度:帷幕深度不小于壩高的30%;帷幕深度插入到基巖相對不透水層(ω=3
Lu)線下5.0
m。經(jīng)帷幕結(jié)構(gòu)計算需在1
945.0
m高程以下設(shè)副帷幕,深度為10.0~15.0
m。主、副帷幕的排距為1.5
m,孔距均為2.0
m,帷幕最大深度為43.5
m。
4.4
斷層破碎帶處理
對于趾板基礎(chǔ)、趾板下游0.3倍壩高范圍內(nèi)基礎(chǔ)和高趾墻基礎(chǔ)遇到斷層時,將斷層破碎帶及斷層夾泥全部挖除,回填混凝土塞,處理深度:當斷層破碎帶寬度加影響帶寬度小于2.0
m時,混凝土斷層塞的深度為斷層寬度的1.0~1.5倍,當斷層破碎帶寬度加影響帶寬度大于2.0
m時,應(yīng)進行專門處理設(shè)計。趾板部位的斷層破碎帶除進行開挖回填混凝土外,還進行固結(jié)灌漿并加深帷幕灌漿深度。壩軸線上游堆石體基礎(chǔ)遇到斷層時,應(yīng)清除斷層表面的泥土,用厚度為20
cm的混凝土覆蓋。壩軸線下游堆石體基礎(chǔ)遇到斷層時,在斷層表面覆蓋墊層料和過渡料加以保護
5
原型觀測設(shè)計
5.1
壩面位移觀測
壩
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