溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝关键技术研究

宁永升

（1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站位于江苏省苏南地区溧阳市境内，电站装机容量1500 MW，为一等大 （1）型工程。枢纽主要建筑物有上水库大坝、输水系统、发电厂房及下水库大坝等。上水库正常蓄水位291 m，死水位254 m，总库容1422.9万m3。上水库主坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝高165 m(坝轴线处)，上游坝坡坡比1∶1.4，下游综合坝坡坡比1∶1.45。

工程主体工程于2011年4月开工建设。目前，上水库主坝已填筑至263 m高程，累计完成土石方填筑1360万m3，完成填筑总量的90%。

2 上水库主坝工程特点

（1）坝址地形复杂，大坝及库盆建基面纵向为17°斜坡，坝轴线方向为 “W”地形，大坝不均匀沉降变形突出。坝体变形控制是工程关键技术之一。

（2）坝高165 m，大坝填筑量1550万m3，在国内目前开工建设的抽水蓄能电站中，坝最高，填筑量最大，坝料全部利用建筑物开挖料。土石方挖填动态平衡规划是本工程设计难点。

（3）坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，设计烈度Ⅷ度。应重视大坝抗震分析研究和抗震措施设计。

（4）大坝填筑料全部利用工程建筑物开挖料，主要采用下水库开挖料、上水库开挖料和输水发电系统的洞挖料。料源复杂，如何合理利用开挖料特别是软岩料筑坝，在提高经济效益的同时，取得环保效益，需要对大坝分区以及各区的填筑标准进行研究。

（5）上水库库底采用土工膜水平防渗，土工膜与排水廊道、连接板等混凝土建筑物防渗接头复杂，类似可借鉴的经验少，库底土工膜防渗技术是工程关键技术之一。

针对以上工程特点和高面板堆石坝建设现状，对溧阳抽水蓄能电站面板堆石坝关键技术进行了研究。

3 坝料特性研究

大坝填筑料全部利用工程建筑物开挖料，填筑石料岩性不均一，部分区域填有强风化料、蚀变岩等软岩。在施工阶段对筑坝材料进行室内试验和现场生产性爆破试验与现场碾压试验。

3.1 堆石料工程特性试验研究

下水库开挖凝灰岩、安山岩、花岗斑岩等筑坝材料特性变幅大、均匀性较差且伴有蚀变带 （软岩）。开展筑坝材料的室内常规三轴试验，以及上水库面板坝在发电和抽水循环工况下应力变形特性的试验研究。通过对堆石料的力学参数进行反演研究，减小缩尺效应，求取合理的模型计算参数，进一步验证大坝变形与应力计算结果，为设计优化提供依据。

三轴试验结果显示，垫层区、过渡区、主堆石区、增模区、干燥区料的强度参数φ分别为40.0°、39.5°、37.5°～38.0°、38.1°、37.0°～37.9°，邓肯模型参数值分别为 943.3、937.2、672.3～828.3、938.6、583.8～797.2。试验各区筑坝料总体上符合面板堆石坝从上游到下游模量逐级递减的设计原则，其应力应变曲线具有非线性、压硬性和弹塑性等一般规律，摩尔圆强度包络线较好，各区筑坝材料的应力应变关系曲线基本符合邓肯-张模型曲线。

3.2 堆石料现场爆破和碾压试验研究

通过对工程建筑物开挖料源各种岩性的石料进行现场生产性爆破试验与现场碾压试验，寻求垫层料、过渡料、主次堆石料等各分区合理的级配曲线和爆破参数。以分形理论为研究手段，对影响堆石料压实特性的主要要素进行量化分析，选取颗粒级配的粒度分维作为研究堆石料结构参数的指标，利用现场相同压实条件下的干密度参数对其颗粒级配进行评价，通过调整爆破方案来优化筑坝堆石料的颗粒级配。

现场爆破试验表明:由于岩石节理与隐节理非常发育，在低装药松动爆破条件下，爆破后的岩石整体较破碎，粒径400 mm以上颗粒极少。为此，在试验中根据地质条件的差异对爆破孔间排距以及炸药单耗进行了调整，但粒径并未因此发生变化，爆破料级配不能满足原设计要求，最终设计根据爆破试验对各分区级配进行了优化。

现场碾压试验表明:上下水库堆石料的沉降收敛特性符合一般规律，8遍、10遍沉降曲线开始收敛；碾压破碎率比较大，上水库为15%～25%，下水库为10%～20%。通过对比不同铺厚、洒水量、碾压遍数情况下碾压效果，优选碾压参数。

3.3 设计优化及调整

结合溧阳大坝填筑坝料的实际情况，研究提出并优化各分区的施工填筑标准，使得不同分区堆石的密实程度相互协调且符合规范要求，以便控制大坝总体变形在合理范围，同时确保大坝各分区的变形协调，为大坝防渗体系的运行安全提供保障。

（1）大坝分区调整。①增加185 m高程以下增模区和265.8 m高程以上顶部增模区；②次堆区（干燥区）由210 m高程降低至200 m；③过渡区后增加10 m宽排水区。

（2）对各分区的施工填筑标准调整:①根据现场爆破试验调整级配曲线的上下包络线范围；②调整各分区填筑参数，包括干密度、孔隙率、渗透系数、P5和P0.075含量等；③根据料源实际情况，蚀变带附近的爆破开挖料全部剔除存在困难，因此允许掺混不超过8%的的蚀变岩。

4 施工期大坝变形控制研究

4.1 建立正分析模型，预测大坝应力与变形

建立以Boltzmann继效理论为基础的增量型流变模型，研究土石坝变应力作用下的流变规律。进行室内增量路径的三轴流变试验，研究提出适合于溧阳筑坝堆石料流变特性的本构模型与参数。施工阶段，基于大坝填筑参数和施工进度建立正分析增量模型，进一步进行大坝静动力有限元计算分析，预测施工期大坝的应力及变形，以便采取相应措施控制大坝不均匀变形。

施工仿真分析结果表明:坝体的变形和应力分布较为复杂；与已建200 m级面板坝实测资料比较，大坝预测变形相对较大，最大沉降为坝高的1.2%～1.4%；面板的挠度为38.3～46.6 cm，相对于面板的长度而言偏大；面板接缝变形相对较大，但最大值基本在设计容许范围内；连接板无论变形还是应力均较大，计算的最大拉应力已超过2 MPa。

4.2 基于大坝原型监测资料动态反演分析的反馈设计研究

结合大坝实际填筑施工进度，采用适应于面板坝原型资料验证的增量流变模型，进行大坝施工全过程的动态反演研究，在及时复核大坝实际填筑质量的同时，优化大坝设计填筑方案，指导施工。

计算结果表明:大坝的变形与应力计算结果略小于采用室内流变试验参数计算值，但变形稳定的时间延长。目前大坝已填筑至263 m高程，坝高达133 m，施工期最大沉降为66.1 cm。

4.3 坝体变形控制措施研究

根据施工期大坝的变形与应力三维有限元分析和监测资料，提出大坝变形控制措施:

（1）改善坝基地形条件。上水库主坝坝基为两沟一山脊 “W”地形，且沟和山脊均约17°倾向下游，对坝的稳定和坝体不均匀变形很不利。对坝基地形进行改造的措施包括:①对中部山梁凸起部位进行削坡开挖，形成185m高程平台，减少坝体在平行坝轴线方向的不均匀沉降。②结合坝基开挖，对中部山梁陡峻基岩坡面进行台阶开挖，在170 m高程形成10 m宽平台，减少堆石体沿基岩面的下滑力。

（2）185 m高程以下设置增模区。在坝体185 m高程以下、排水区以上部分设置增模区，减少“W”地形和斜坡地形对坝体不均匀变形的影响。采用下水库库盆开挖的弱风化～新鲜石料填筑，堆石的最大粒径600 mm，粒径小于5 mm的含量控制在不大于20%，小于0.075 mm粒径含量不大于5%。压实层厚0.6 m，设计干密度不小于2.18 g/cm3，孔隙率不大于18%。

（3）合理安排预留沉降周期，尽量减少坝体后期沉降。大坝面板必须在坝体填筑完成经过至少6个月的沉降且沉降速率不大于5 mm/月后才能施工。

（4）根据大坝施工期监测成果，调整大坝与库底预留沉降超高。根据大坝三维有限元计算成果，主坝坝顶和库底回填区预留沉降超高0～1 m，施工阶段根据大坝施工期监测成果，调整大坝与库底预留沉降超高。

（5）加强两岸部位施工质量控制和关键部位设计。在大坝的两坝肩部位，由于坝轴线弯曲，导致面板缝的变形较大，坝体动应力也较大。建议加强该部位堆石的施工质量控制，适当增加垫层区的宽度，同时对面板止水结构进行仔细设计，确保大坝运行安全。

5 强震区库盆动水压力研究

5.1 堆石料的动力变形特性研究

进行与原型大坝遭遇实际地震相似加载方式的动力三轴试验，研究堆石体试样的振动硬化现象，寻求其非线性、滞后性和残余变形的规律，研究适应大坝堆石体的合理动力本构模型与计算参数，使得面板坝的非线性动力计算具有更为客观的科学依据。

5.2 强震区抽水蓄能电站的库盆动水压力与大坝动力反应研究

考虑库水可压缩性和表面波的影响，研究库盆内水体的自振特性。考虑库底回填石渣地基、库岸岩质边坡能量反射与吸收，研究地震时是否可能发生共振使得动水压力急剧增大的现象；研究面板坝动水压力的规律，建立动水压力数值计算的方法。计算大坝的地震加速度反应、动位移、动应力、震后永久变形以及坝坡动力稳定性，研究动水压力对抽水蓄能电站面板坝动力反应的影响。

5.3 强震区抽水蓄能电站大坝的极限抗震能力与安全评价研究

对溧阳抽水蓄能电站大坝极限抗震能力进行研究，为采取有效抗震措施、减小高土石坝的抗震风险提供依据。

5.4 抗震工程措施研究

根据抗震研究成果，提出如下坝抗震措施:

（1）地震时面板的动应力与坝高密切相关，上水库大坝高度大于150 m，地震反应中高震型参与作用强烈，坝的上部地震加速度放大效应显著，坝体上部变形增大，坝顶部的 “鞭鞘”效应使得面板上部高应力区，在坝高的3/4～4/5附近面板应力最大，在高应力区范围，面板加强配筋，提高面板双向配筋率0.1%，以限制裂缝的扩展。265.8～284.5 m高程处设置增模区，在不明显增加堆石颗粒破碎的前提下，适当提高堆石体的填筑标准，提高坝顶抗震能力。

（2）为提高坝体抗震性能，坝顶防浪墙采成U形。

（3）下游坝坡采用预制混凝土网格梁护坡，提高坝坡抗震能力。

（4）为防止高水位时遭遇地震造成破坏，接缝采用能适应较大变形并具有自愈能力的止水结构。针对溧阳抽水蓄能电站工程上水库大坝特点，垂直缝尽量多地按照张性缝设计。在受压的面板区域选择几条垂直缝，在缝内填塞有一定强度可压缩的填充板，可以吸收部分地震中产生的能量，以保证受压区面板不产生挤压破坏。

（5）对于垫层，要求具有较好的透水能力，以保证地震时所产生的孔隙水压力迅速消散。

（6）在地震区修建混凝土面板堆石坝时，应适当放宽坝顶宽度。类比其他强震区工程，溧阳抽水蓄能电站上水库大坝坝顶宽定为10.0 m，均具有较好的抗震性能。

6 面板防裂措施和连接板结构形式研究

6.1 混凝土面板和连接板抗裂验算方法研究

考虑钢筋混凝土的塑性特性，利用子结构原理，进行面板和连接板的开裂计算与分析。高坝面板的变形较大，将面板由目前的偏心受压的弹性结构处理为承受较大弯曲变形的弹塑性结构，同时进行变形非线性问题研究。

6.2 混凝土面板防裂措施研究

通过混凝土配合比及其性能试验明确大坝面板设计强度，抗渗、抗冻等设计参数，提出满足溧阳工程要求的设计配合比。

通过研究面板厚度及分缝宽度，面板配筋率和钢筋直径，综合温差，混凝土热膨胀系数等面板抗裂性能影响因素，提出如下面板抗裂措施:

（1）掺聚丙烯纤维混凝土，掺量0.9 kg/m3，提高面板混凝土抗裂能力。

（2）掺加引气剂、减水剂，降低混凝土水灰比。（3）受压区面板周边距缝1 m范围内设抗挤压钢筋，压性缝内设橡胶板。

6.3 连接板结构形式研究

溧阳工程上水库采用库底采用土工膜水平防渗，面板坝趾板 （连接板）不是坐落在基岩上，而是在堆石体上，堆石体最大厚度达70 m，且顺轴线向为“W”形，连接板基础存在不均匀变形。为减少基础不均匀变形对连接板影响，采用以下措施:

（1）在大坝堆石体填筑完成后浇筑连接板，以便有效减小水库蓄水时周边缝连接板的变形和应力。

（2）连接板尽量少设置结构缝或不设结构缝。

（3）连接板配双层钢筋。

（4）连接板在大坝堆石体填筑完成后浇筑，以便有效减小水库蓄水时周边缝连接板的变形和应力。

7 结语

根据施工阶段面板坝开挖现状、料源实际情况、坝体分区优化等，结合大坝填筑现场的原型监测资料，提出大坝的填筑质量标准，对面板坝施工期和运行期应力应变进行研究与反馈分析，对准确预测大坝的工作性态，指导大坝的运行与管理，确保大坝的安全，具有重大的现实意义。

［1］宁永升.溧阳抽水蓄能电站上水库工程技术难点及其对策［J］.调频调峰技术，2013（1）:4-6.

［2］宁永升，胡育林，胡旺兴，等.溧阳抽水蓄能电站枢纽布置设计［J］.水力发电，2013，39（3）:29-31.

［3］陈洪来，宁永升，常姗姗，等.溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝设计及优化［J］.水力发电，2013，39（3）:32-34.

［4］陈宁，祁舵，宁永升.溧阳抽水蓄能电站工程解决建设难点的举措［J］.水力发电，2013，39（3）:1-5.