官地水电站碾压混凝土重力坝设计简介

陈 强，廖桂英，闫 勇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 工程概况

雅砻江官地水电站为雅砻江干流(卡拉至江口河段)规划5级开发方案中的第3级。电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内。电站主要任务是发电，水库正常蓄水位1 330.00m，总库容7.6亿m3，水库回水长58km，装机容量2 400MW，装4台(4×600MW)水轮发电机组。

官地水电站枢纽建筑物主要由左右岸挡水坝、中孔坝段和溢流坝段(碾压混凝土重力坝)、消力池、右岸引水系统及地下厂房发电系统组成。官地水电站工程为一等大(1)型工程，大坝、厂房、引水尾水系统等永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时性建筑物按4级设计。水库为日调节水库。大坝设计洪水标准为：按500年一遇洪水设计，相应流量为14 000m3/s；按5 000年一遇洪水校核，相应流量为15 500m3/s。

枢纽区属高山峡谷地形，河谷呈基本对称的“V”型，临江坡高大于700m，谷坡较陡峻，左岸地形坡度40°～50°，局部段35°～40°；右岸35°～40°，局部段达50°～60°。雅砻江以S75°E方向流入坝区再渐转至E流出枢纽区，坝区河道略向南凸出。枯水期江水位1 203m时，水面宽90～110m，正常蓄水位1 330m时，相应谷宽396～440m。

坝基岩体主要为P2β15-2角砾集块熔岩，岩石坚硬；右岸坝肩坝基上部还涉及少量P2β21杏仁状玄武岩。裂隙错动带较为发育。根据“512”地震以后国家地震局对《四川省雅砻江官地水电站地震安全性评价报告》的批复，本工程场地地震基本烈度为Ⅶ度。本工程壅水建筑物抗震设防类别为甲类，其基岩水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即345gal。

2 碾压混凝土重力坝布置设计

官地碾压混凝土重力坝坝顶高程1 334.00m，最大坝高168.00m，坝顶长度516.00m，最大坝底宽度153.2m。共24个坝段(见图1)，从左至右由左岸挡水坝1～9号坝段、左中孔10号坝段、溢流坝11～14号坝段、右中孔15号坝段和右岸挡水坝16～24号坝段组成。

左岸挡水坝段共9个，坝顶总长190m，除1号和2号接头坝段长分别为24m、26m外，其余坝段长均为20m；右岸挡水坝段共9个，坝顶总长195.0m，除24号接头坝段长为35m外，其余坝段长均为20m；河床中10～15号共6个坝段为溢流坝段和中孔坝段，共长131.0m，2个中孔坝段分别布置在溢流坝两侧，即10号和15号坝段，坝段长度分别为22.0m，溢流坝段除12号、13号坝段长度分别为21.5m外，其余每个坝段长均为22.0m。溢流坝段共布置有5个溢流表孔，孔口尺寸为15m×19m，溢流堰顶高程1 311.00m，溢流堰面采用WES曲线；泄洪放空中孔的孔口尺寸为5m×8m，孔口底高程1 240.00m；溢流坝段下游接消力池，消力池底高程为1 188.00m，池长145.00m，宽95.00m。消能形式为底流消能。

重力坝布置特点为：泄洪消能系统比较集中，有利于减少泄洪消能系统对碾压施工的干扰，便于运行管理；为适应碾压混凝土快速施工的特点，官地碾压混凝土重力坝为全断面碾压形式，坝体横缝采用切缝形成，不设纵缝；在大坝上设置了左、右两个中孔，后期导流时利用中孔泄洪，避免了单独设置泄洪洞，减少了投资，降低了导流洞的封堵难度。

图1 官地水电站大坝上游

3 坝体稳定及应力

官地碾压混凝土重力坝的结构计算根据规范[1]，采用概率极限状态设计原则, 以分项系数设计表达式进行结构计算，以设计断面满足大坝稳定及强度承载能力极限状态为控制条件。坝体抗震防震研究按规范[2]进行验算。以材料力学法和刚体极限平衡法为基本计算方法，并用有限元法进行分析。

3.1 坝体强度极限状态

在各种作用及组合情况下(除地震工况)，挡水坝和溢流坝坝踵、坝体上游垂直应力均未出现拉应力; 坝趾及下游面垂直拉应力均满足规范要求；坝趾及坝体选定截面下游端点均满足抗压强度承载能力要求。

在设计地震作用下，挡水坝和溢流坝的坝踵、坝体上游垂直应力均出现较大范围拉应力，下游坝面也出现较大范围的拉应力。需采取提高混凝土强度等级、增设抗拉钢筋等措施。

在设计地震作用下，部分坝段坝趾基岩不能满足抗压强度承载能力的要求，采取局部挖齿槽的措施后满足规范要求；坝体选定截面下游端点的抗压强度，承载能力均满足规范要求。

3.2 坝体抗滑稳定承载能力极限状态

在各种作用及组合情况下(除地震工况)，各坝段坝体层面抗滑稳定、坝体与坝基接触面抗滑稳定均满足规范要求；部分溢流坝段深层抗滑稳定不满足规范要求，采取部分挖除主滑面错动带并设混凝土齿槽后满足要求。

在设计地震情况下，坝体混凝土层面的抗滑稳定满足规范要求；个别坝段的建基面抗滑稳定不满足要求，采取局部设齿槽的措施后满足规范要求；部分溢流坝段深层抗滑稳定不满足规范要求，采取措施设混凝土齿槽的措施后满足规范要求。

在校核地震工况下，经论证大坝满足不溃坝要求。

4 坝体结构设计

碾压混凝土重力坝在体型上要力求简单和方便施工, 同时还应使坝体能满足结构布置等要求。

4.1 坝体混凝土主要分区

典型溢流坝段坝体混凝土分区见图2，典型挡水坝段混凝土分区见图3。上游迎水面以1 284m高程为界，以上采用C9020W8F100富胶二级配碾压混凝土防渗，厚度3～4m；以下采用C9025W10F100富胶二级配碾压混凝土防渗，厚度5～7m。上游迎水面表面采用同标号变态混凝土，厚度1m。基础垫层采用2.0m厚的C9025W10F100常态混凝土。坝体内部碾压混凝土按高程分区，在1 200.00m高程以下为C9025W6F100碾压混凝土，在1 200.00～1 284.00m高程之间为C9020W6F50碾压混凝土，在1 284.00～1 304.00m高程之间为C9015W4F50碾压混凝土，1 304.00m高程以上为C2825W6F100常态混凝土。坝体内廊道周边1.0m范围内采用所在部位同标号变态混凝土。溢流面采用厚0.5m的抗冲耐磨C2850W6F100常态混凝土；抗冲耐磨混凝土下设置一层平均3.0m厚的C2825W6F100常态混凝土。

图2 典型溢流坝段分区示意

图3 典型挡水坝段混凝土分区示意

4.2 坝体防渗结构

大坝上游迎水面主要采用防渗混凝土和防渗涂层进行防渗设计。其中左、右岸挡水坝段1 321m高程以下坝体上游迎水面采用1.0m厚变态混凝土与二级配碾压防渗混凝土组合，并在坝表涂刷防渗涂层；挡水坝段1 321m高程以上上游坝表采用常态混凝土防渗。溢流坝段坝体上游迎水面1 284m高程以下采用1.0m厚变态混凝土与二级配碾压防渗混凝土组合，并在坝表涂刷防渗涂层，1 284m高程以上上游坝表采用常态混凝土防渗。

4.3 坝体分缝及止水

大坝共分24个坝段，坝段之间设横缝。官地电站拦河坝最大坝底宽153.2m，根据温控计算并借鉴同类工程经验，按不设纵缝设计，以便碾压混凝土通仓浇筑，快速施工。

在坝段横缝处以及基础部位均有止水措施。挡水坝段横缝分缝处(含中孔坝段分缝处)设止水铜片，其中上游设3道1.6mm厚止水铜片，下游1 226m高程以下设2道1.2mm厚铜片。溢流坝段横缝分缝部位上游面设3道1.6mm厚止水铜片，过流面设2道1.6mm厚止水铜片，并与坝体和护坦分缝处止水铜片相焊接。坝体与基岩接触的斜坡基础部位，上游面布置3道1.6mm厚止水铜片形成基础止水，与坝体上游面止水铜片连为一体。横向跨缝廊道和纵向廊道跨缝部位均设橡胶止水。横向跨缝廊道上、下侧均设一道橡胶止水；纵向廊道跨缝部位在廊道周围变态混凝土内设一道橡胶止水。

止水所在区域的碾压混凝土采用变态混凝土，缝间填沥青木板。

4.4 坝体排水

大坝坝体上游侧在不同高程布置4排纵向排水廊道，廊道之间设有坝体排水孔，排水孔直径15cm，间距3.0m，排水孔布置在上游二级配防渗碾压混凝土的下游侧。坝体中下游设两排基础辅助纵向排水廊道，廊道上部布置坝体排水孔，排除坝内入渗水流。

4.5 坝体廊道布置

重力坝内设置廊道和直井将削弱坝体断面，在其周围易引起应力集中，同时也给坝体碾压等施工带来不便，因此在满足施工和运行要求的前提下，坝内廊道的设置遵循尽可能减少廊道与直井的数目及尺寸，使一种廊道具有多种用途的原则。

拦河大坝按不同部位、不同功能要求，在坝体内布置了基础灌浆廊道、坝基、坝体排水廊道、监测廊道、坝内交通廊道、对外交通廊道及电梯井等。

5 碾压混凝土设计

5.1 大坝混凝土原材料

大坝骨料为玄武岩人工骨料。大坝采用P·MH42.5中热硅酸盐水泥，使用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰。

5.2 主要混凝土设计指标

根据坝体强度和耐久性的需要，坝体主要混凝土设计指标见表1。

表1 官地水电站主要混凝土设计指标

5.3 主要混凝土配合比设计

根据混凝土设计指标，经室内试验和现场试验，经分析比较后确定的主要混凝土配合比见表2。

6 结 语

随着近年来国内几个百米级以上高碾压混凝土坝的建成, 为高碾压混凝土坝的设计和施工积累了许多有益的经验。官地水电站在设计过程中充分吸收已有实践经验，完成了大坝的结构设计和计算，提出了主要的混凝土设计指标等。

表2 官地水电站主要混凝土参考配合比

碾压混凝土可实现快速和大仓面碾压施工, 与常态混凝土坝相比, 它具有节约水泥、简化温控、施工简便、速度快、工期短及造价低等特点。官地水电站碾压混凝土坝在设计中充分考虑了上述特点, 尽可能将坝体结构简单化, 如坝内廊道的设置遵循尽可能减少廊道与直井的数目及尺寸，使一种廊道具有多种用途的原则，廊道周边采用同标号变态混凝土的设计思路，上游迎水面采用二级配防渗混凝土为主的防渗形式，坝体混凝土采用高掺粉煤灰的方式等。此外，在高坝抗震措施研究方面进行了一些探索，如设置齿槽、在上下游应力集中区设抗拉钢筋等措施来解决抗震问题。

[1] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL 5018-1999《混凝土重力坝设计规范》[S].北京：中国电力出版社，2000.

[2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL 5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》[S].北京：中国电力出版社，2001.