积石峡水电站混凝土面板堆石坝设计

蔡新合，王康柱，王君利

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

1 工程概况

积石峡水电站工程规模为二等大（2）型，大坝为1级建筑物，校核洪水位1 860.40 m，500年一遇设计洪水位1 854.00 m，正常蓄水位1 856 m，死水位1 852 m，最大坝高103 m，总库容2.94亿m3。水电站装机容量为1 020 MW，多年平均年发电量33.63 亿 kW·h，保证出力 332.3 MW。积石峡面板坝地处高山峡谷地区，河谷断面呈 “U”形，极不对称，两岸地形陡峻，右岸下部近直立，1 820 m高程以上岸坡呈60°～70°； 左岸较缓，岸坡呈 40°～60°，且残留有Ⅱ、Ⅲ级阶地之侵蚀基座台面，其高程为1 800～1 820 m，宽约100 m。因此，在峡谷地区修建高103 m的面板堆石坝，减少岸坡开挖、降低人工边坡高度和填筑工程量、减小不均匀沉降、确保止水效果是工程设计的关键。针对极不对称河谷，在设计中着重研究了左岸阶地以及软化系数低的开挖料上坝对坝体不均匀沉降变形及应力的影响、面板应力变形规律以及相应的工程处理措施、右岸趾板人工开挖边坡高度优化等，在吸收和借鉴国内外已建面板堆石坝的成功设计和施工经验的基础上，对不对称高山峡谷面板堆石坝的特性有了一定的认识，其设计对类似工程设计有一定的借鉴作用。

2 面板堆石坝设计

2.1 坝体布置

组成坝基的地层岩性为K13-1紫红色中细砂岩夹砾岩，K12-3砖红色泥质粉砂岩夹中细砂岩、砾岩；K12-2紫红色砾岩夹中细砂岩、泥质粉砂岩，K12-1紫红色中细砂岩夹粉砂岩、砾岩。岩层产状NE10°SE∠10°，岩性软硬不均一，岩相变化较大。砖红色泥质粉砂岩软化系数低。

根据坝址区地形地质条件，具体的大坝布置为：坝轴线方位NE69°0′5.43″，坝顶长321.9 m，坝顶宽9.8 m，最大坝高103 m，上游坝坡1∶1.5，下游坝坡1∶1.3～1∶1.4，坝顶设有高度为 5.2 m 的 “L” 形防浪墙与面板相接，坝顶高程1 861.0 m。左岸上游进水口、溢洪道右边墙与面板连接。面板为不等厚，厚度0.3～0.6 m，面板间设垂直缝，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。坝体填筑总量约300万m3。

2.2 坝体分区及材料

根据本工程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的主要原则为：①坝体坝料之间应满足水力过渡要求。②坝轴线上游侧坝料应具有较大的变形模量且从上游到下游坝料变形模量递减，以保证蓄水后坝体各料区间变形协调连续,尽可能减小坝体变形对面板的影响。③充分合理利用枢纽的开挖料，以达到经济的目的。④对于软化系数低、易破碎、渗透系数小的开挖料，应设置通畅的排水通道。

根据上述分区原则，坝体从上游至下游依次分为：面板上游面下部粉质壤土斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、混凝土面板、垫层区（2A）、特殊垫层区（2B）、 过渡区（3A）、 反滤排水区（3F）、 主堆石区（3BⅠ、3BⅡ）、 下游次堆石区（3C）及下游护坡（3D）。断面分区见图1。

垫层料及过渡料采用天然砂砾石筛分而成，水平宽均为3 m。垫层料在坝基及岸坡部位向下游延伸0.3 H（H为坝高），将垫层料包住。主堆石料及次堆石料为开挖石渣：以中细砂岩为主的弱风化下部～微风化岩石开挖料作为主堆石3BⅠ区上坝料；弱风化下部～微风化岩石开挖料（砾岩∶中细砂岩∶泥质粉砂岩=5∶3∶2）作为主堆石3BⅡ区上坝料；弱风化中、上部岩石作为次堆石3C区上坝料，废料利用率60%。因开挖料软化系数低、易破碎、渗透系数小，尤其是垂直向渗透系数为10-3cm/s数量级，达不到自由排水的要求，为保证堆石区排水顺畅，坝内设置垂直向及水平向排水体，排水体也是过渡料、主次堆石料的反滤体。

2.3 筑坝材料料源及压实控制标准

根据技术可行、安全、经济的原则，垫层料、过渡料、排水料采用坝址下游9 km甘河滩料场的天然砂砾石筛分（掺配）而成；主次堆石区坝料来源于开挖料。

为了减小堆石体在施工期以及运行期的沉降量，需采用合适的设计干密度（孔隙率）和压实指标，并经过现场碾压试验验证。本工程采用的筑坝材料特性以及压实指标见表1。

2.4 防渗结构

积石峡面板坝坝体防渗系统由面板、趾板和接缝止水组成。

2.4.1 钢筋混凝土面板

图1 面板堆石坝断面分区

表1 坝料特性及压实标准汇总

钢筋混凝土面板总面积3.5万m2，厚0.30～0.59 m，最大水力梯度169（＜200）。在两岸边张性缝范围以及引水发电钢管与河床相接部位的张性缝范围，垂直缝间距均为6.0 m。河谷部位压性缝范围以及引水发电钢管顶部压性缝范围，垂直缝间距均为12.0 m。面板混凝土为二级配C25混凝土。

2.4.2 趾板

趾板选用平趾板布置形式，趾板宽度由地基允许渗流比降确定，按不同的作用水头，趾板宽度分别为 4.0、 6.0、 7.4 m，趾板厚度分别为 0.4、 0.6、0.8 m。趾板顶部采用单层双向配筋，每向配筋率为0.4%。沿趾板轴线每30 m设置伸缩缝，每15 m设置施工缝，趾板混凝土为二级配C25混凝土。在施工中趾板采取跳块浇筑的施工方法。面板与电站进水口、溢洪道右边墙采用周边缝的形式直接相接，不再专门设置趾板。

2.4.3 接缝止水

接缝止水设计的原则为：能适应接缝处的位移和满足防渗要求，有利于施工及保证质量，各道止水间应形成统一的防渗系统。

从防渗的角度看，周边缝的止水设计是至关重要的。周边缝宽12 mm，设三道止水，周边缝缝内充填12 mm厚的沥青木板。顶部设塑性填料，外部用三元乙丙复合板保护，缝口设橡胶棒（直径50 mm）；在塑性填料与缝口橡胶棒之间设置波纹止水带（4波），波纹止水带与缝口橡胶棒之间设置微膨胀塑性填料，体积膨胀率不大于20%；底部设F型止水铜片与面板垂直缝底部W型铜止水相接。

面板张性缝和压性缝均设两道止水。顶部设塑性填料，外部用三元乙丙复合板保护；面板在距周边缝10.0 m范围内用H2-861型塑胶止水带与面板底部铜止水相接，底部设W型止水铜片。张性缝缝面刷乳化沥青（厚3 mm），压性缝缝内填沥青木板。

面板与防浪墙间的水平缝设两道止水。顶部设塑性填料，外部用三元乙丙复合板保护，底部设E型止水铜片（厚1 mm）并与防浪墙伸缩缝内的D型止水铜片相接，缝面设12 mm厚沥青木板。

防浪墙墙体间的伸缩缝间距约为12.0 m，缝内距上游面20 cm处设一道铜止水，缝面充填12 mm厚沥青木板。

趾板间的伸缩缝设两道止水。顶部和底部均设铜片止水（厚1 mm），趾板间伸缩缝缝面刷沥青乳胶。趾板钢筋穿过施工缝，缝面要求凿毛，并设一道橡胶止水带。

2.5 坝顶结构及坝坡

根据DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》的要求，综合考虑波浪爬高、风壅水面高度、库区滑坡涌浪、地震涌浪和地震沉陷等因素，校核水位工况为控制工况，对应的防浪墙墙顶高程为1 862.25 m，坝顶高程为1 861.00 m，防浪墙底高程1 857.00 m，高于正常蓄水位1.0 m。根据施工需要以及交通要求，坝顶宽度取10.0 m。

参照国内外已建及在建100 m以上高面板堆石坝的经验，结合本工程坝料的工程特性以及坝料分区的实际情况，经过稳定分析计算，确定上游坝坡为 1∶1.5，下游坝坡为 1∶1.4～1.53，综合坡比 1∶1.72。

2.6 复式河谷大坝设计特点

根据枢纽总体布置需要，确定左岸引水方案。引水布置格局确定后，引水建筑物布置方案比较就仅限于左岸较缓的Ⅱ、Ⅲ级侵蚀台地部位。进水口建基高程1 815.50 m，引水钢管水平段的建基高程1 817.00 m，引水钢管水平段外包混凝土顶高程1 835.00 m，其上为大坝填筑堆石料。然而，河床高程在1 765 m左右，与引水钢管水平段外包混凝土顶部高程相差约70 m，形成台阶状的复式地形。本工程混凝土面板堆石坝坐落在这种复式地形上，导致引水钢管上水平段以上的坝体与河床段坝体之间存在体形上的突变，容易引起坝体的不均匀沉降而导致坝体裂缝或者面板裂缝的产生。

钢管基础与大坝基础之间的边坡近于直立坡，因此在大坝回填前，采用素混凝土回填成不陡于1∶0.5的边坡。在大坝填筑过程中，采取先填筑河床段坝体、预留2个月沉降期、而后回填引水钢管顶部坝体的措施，以减少不均匀沉降。在陡坡对应部位的面板垂直缝，采用与周边缝相同的止水结构形式，以适应较大的变形。

虽然DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》中对岩基上的坝下埋管形式没有限制，但是，引水钢管上水平段淹埋于左岸坝体以下的方式通常在土石坝设计中是不被采用的。本工程根据技术经济比较以及采取适当的安全连接处理和止水措施后，使坝下埋管得到成功应用。

3 坝体应力应变分析

由于面板坝地处不对称狭窄复式河谷，设计中着重研究了如何减小复式河谷阶地对坝体应力变形的影响、面板坝应力变形规律以及相应的工程处理措施。

积石峡面板堆石坝应力变形三维有限元分析中，计算模型采用邓肯—张E-B模型，坝料计算参数采用非线性材料参数，混凝土应力应变关系按线弹性材料模拟。动力分析采用非线性粘弹塑性模型和等效线性粘弹性模型。材料参数由试验和类比拟定。

计算得出坝体最大垂直位移为68 cm，为最大坝高的0.67%；面板最大挠度为18 cm，最大压应力（轴向）3.4 MPa，最大拉应力（顺坡向）2.6 MPa；周边缝最大张开度15 mm，最大剪切位移14 mm，最大沉降27 mm。通过分析得出，坝体与面板应力变形规律与已建大坝观测成果相类似，复式河谷对坝体及面板变形和应力有一定影响。

4 基础处理设计

4.1 坝基开挖

趾板及趾板下游约1/2坝高范围内，将表面覆盖及冲积层挖除至弱风化层的岩石中部。在趾板基础范围内其基础开挖面应平坦。在趾板下游约1/2坝高范围内的基础，避免有高度大于0.5 m的陡坡（陡于1∶0.5）和反坡。趾板下游约1/2倍坝高至坝轴线范围内的堆石体基础挖除至弱风化岩石。在此范围内基础开挖面大致平坦，不允许有高度大于1.0 m的陡坡和反坡。坝轴线下游的堆石体基础为岩基及薄覆盖层（2～3 m）时，仅作坝基平整及清除表面覆盖层处理，露出基岩面。积石峡坝址区左岸深槽内覆盖层厚14.6～30.6 m，需将坝轴线上游覆盖层全部挖除，坝轴线下游的砂砾石开挖至1 767.00 m高程，并以1∶3的坡与上游相连接。未挖除部分碾压前的干密度为2.06 g/cm3，采用25 t振动碾碾压12遍以后，干密度达到2.35 g/cm3以上。

4.2 固结灌浆

趾板基岩作固结灌浆处理，灌浆孔按照间距3 m的原则布置，孔深8 m。

4.3 帷幕灌浆

帷幕灌浆沿趾板全线布置，灌浆孔左岸与电站进水口的帷幕灌浆相接，继而与溢洪道堰闸段帷幕灌浆孔相接，形成封闭的防渗系统。主帷幕深度按以下两个要求取大者：帷幕深度不小于坝高的30%；帷幕深度插入到基岩相对不透水层（ω=3 Lu）线下5.0 m。经计算，需在1 819.00 m高程以下设置主、副两排帷幕，副帷幕深为主帷幕的1/2；在1 819.00 m高程以上只设一排帷幕。河床段主帷幕深70 m，右岸主帷幕深30 m。两排帷幕的排距为1.5 m，主、副帷幕的孔距均为2.0 m。

4.4 地质缺陷处理

对通过趾板部位以及趾板下游20 m范围内的断层和破碎带，应挖除地表破碎带后回填混凝土塞，并作深孔固结灌浆和加密加深帷幕灌浆处理。在坝坡覆盖范围内的勘探平硐、地质钻孔均须进行回填处理。堆石体范围内（趾板下游20 m以外～坝轴线）的断层、破碎带及软弱夹层，在坝轴线上游的，其表面依次覆盖特殊垫层料（厚40 cm）、垫层料（厚120 cm）、过渡料（厚160 cm），然后再填筑坝体堆石料；在坝轴线下游的，其上依次覆盖反滤料（厚80 cm）、过渡料（厚160 cm），然后再填筑坝体堆石料。

5 结语

（1）高山峡谷地区的积石峡面板坝设计的关键，是将河床及右岸趾板坐落在基岩上，利用左岸电站进水口以及溢洪道边墙作为趾墙，形成封闭的防渗系统，同时，利用左岸阶地布置电站进水口以及溢洪道，节省大坝填筑量及枢纽工程量。

（2）左岸阶地导致的复式河谷，易于引起坝体不均匀沉降，进而影响大坝安全。因此对阶地高程与河床高程之间的陡坡采用混凝土回填，形成不陡于1∶0.5的斜坡，混凝土上覆盖过渡料，以满足坝料填筑以及坝体协调变形的需要。另外，合理划分填筑分区、提高坝料填筑压实度，以减小不均匀沉降，是保证工程质量的关键。

（3）大坝填筑料主要采用枢纽区的开挖料，堆石料渗透系数在10-3cm/s，因此，与一般面板堆石坝工程相比，坝体分区增设了排水区，以降低坝体浸润线。

（4）左岸阶地与河床之间陡坡对应的面板分缝采用与周边缝相同的止水结构形式，以适应坝体不均匀沉降。

（5）左岸引水钢管上水平段埋于坝体之下的方式，在通常的土石坝设计中是不被采用的，本工程的成功应用可为其他工程设计提供参考。

［1］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站枢纽工程下闸蓄水验收设计报告［R］.2010.

［2］中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.黄河积石峡水电站工程蓄水安全鉴定设计自检报告［R］.2010.

［3］雷艳，王康柱，蔡新合.积石峡水电站混凝土面板堆石坝坝体优化设计及坝料调整［J］.西北水电，2011（2）:19-23.