山东蒙山天池堆石混凝土拱坝工程设计综述

刘刚郁　章文

摘 要：山东蒙山天池堆石混凝土拱坝位于淮河流域沂河水系东汶河支流上游。大坝为堆石混凝土拱坝，坝顶高程为815.00m，最大坝高24.0m，是堆石混凝土技术在山东省的首次应用，其大坝也是世界上第一座堆石混凝土拱坝。工程地处蒙山高处，河谷狭窄、地形地质条件一般，筑坝材料采用C25堆石混凝土，适应坝体变形的止水结构、防渗面板设计，施工质量控制，简化施工工序是设计工作中的重点和难点。已有的监测分析成果表明在蒙山天池堆石混凝土拱坝的设计、施工中所采用的技术是合适的。

关键词：堆石混凝土拱坝；新材料；有限元分析；施工质量

1 工程概况

山东蒙山天池堆石混凝土拱坝位于淮河流域沂河水系东汶河支流上游，坝址位于蒙阴县城南国家5A级蒙山景区雨王庙处。正常蓄水位814.00m，总库容10.8万m3，工程规模为小（2）型，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。蒙山天池水库是堆石混凝土技术在山东省的首次应用，其大坝也是世界上第一座堆石混凝土拱坝。工程主要由拱坝、重力墩及放水洞等组成。坝顶高程815.00m，坝长130m，最大坝高24.0m。坝顶溢流堰总净宽20m，堰顶高程814.00m，放水洞进口底高程798.50m，洞径？准1.0m。

工程于2012年3月20日开工，先后完成库底清理、坝基处理，上游防护工程，新建拱坝（含重力墩）及溢流堰、支墩、消力池等，新建放水洞（含闸阀室）及其他建设工程。

2013年4月主体工程通过蓄水前技术鉴定专家委员会组织的蓄水安全鉴定。2013年5月蒙山天池堆石混凝土拱坝工程通过临沂市水利局主持的蓄水前验收。

2 工程特点及技术难点

（1）将坝体设计为单曲拱坝结合两侧重力墩（兼做拱座）的复合坝型，适应当地地形地质条件。通过对大坝进行结构性态的有限元计算和分析，论证了坝体结构布置的合理性。

（2）拱坝主体工程全部采用C25堆石混凝土，上游面设有30cm厚的防渗面板，采用高自密实性能混凝土一体浇筑成型方案，在保证工程质量的前提下，极大地简化了施工工序。

（3）实现了生态、景观、旅游等项目的紧密结合。单曲拱坝、库区生态护岸与湿地水景相互协调，较好地处理了亲水建筑物与护岸防洪的关系，改善了生态和投资环境。

3 拱坝设计主要分析研究的问题

3.1 在新建蒙山天池水库工程中，将坝体设计为单曲拱坝

为适应地形地质要求坝体两侧设有兼做拱座作用的重力墩，分别与两岸连接，使堆石混凝土拱坝工程与周边景观融为一体。

3.2 采用新材料、新技术

堆石混凝土技术首次应用于拱坝上，通过大量块石的使用，堆石含量可达到55%以上，水泥用量少，水化热温升较少，简化温控措施，形成的大体积混凝土结构收缩小，具有较强的抗裂能力。堆石混凝土施工层面有大量的块石棱角裸露，可提高层间抗剪能力。

3.3 堆石自密实混凝土拱坝结构性态三维有限元计算和分析

根据规范要求，结合本工程的特性，建立蒙山天池拱坝三维有限元模型，对大坝进行结构性态的有限元计算和分析，验证坝体结构布置的合理性。

3.4 施工模板选择与施工

施工过程中按照底仓及上部仓不同高度部位，分别采用外撑式及内拉式模板，其中内拉式模板靠近模板处堆石采用人工辅助码放。针对该工程在水平呈曲线形同时在高度呈收缩状的特点，采用专门加工的异型模板，同时将以往内拉式斜拉钢筋改成平拉钢筋与预先浇筑的C30混凝土柱牢固联接，大幅度提高堆石码放机械化程度。

4 坝体平面布置和分部设计

坝体采用单曲拱坝结合两侧重力墩（兼做拱座）的复合坝型，坝总长130m，其中中间拱坝段68m，拱坝坝顶外弧半径为50m，最大中心角为78°；左、右端重力墩（含拱座）长28.46m和33.54m，分别与两岸道路连接。坝体平面布置见图1。

拱坝坝顶宽度为4.0m，最大底宽为10.0m。坝体断面上游面为铅直面，下游面为折坡，上部3m为直线段，下部坡比为1：0.33。坝顶设4孔溢流堰，总净宽20m。下游设10m长消力池，垂直水流方向长22m。左、右岸重力墩顶宽分别为4m和3m，重力墩断面上游面为铅直面，下游面为折坡，上部3m为直线段，下部坡比为1：0.6。

放水洞位于拱坝坝体右侧，采用直径1.0m的钢管（壁厚12mm），钢管每隔1m设一道止推钢环，高150mm，洞身外包一层C25钢筋混凝土。放水洞进口底高程为798.50m，拦污栅嵌于坝体上游侧；控制用手电两用蝶阀安装于出口闸阀室（长3m×宽4.2m）内。

5 坝基处理

工程地处蒙山高处，河谷狭窄，坝基基岩裂隙发育，块乱石覆盖层较厚，渗透性较强，为此需清基至新鲜岩面，并进行防渗处理。在建基面上设C25混凝土垫座，厚1m，底部采用？准25锚筋嵌入基岩3m，锚筋呈梅花状布置，间隔2m。全坝段坝基面进行帷幕灌浆，其中左岸向上游延伸20m，右岸向上游延伸10m，总长158.50m。灌浆上限为坝基混凝土垫座，下限至基岩透水率为10Lu的岩面，灌浆孔采用单排四序孔，终孔间距为1.5m。

为加强基岩完整性，对左、右岸重力墩下部基岩采用固结灌浆。灌浆孔距为4m，呈梅花狀布置，灌浆深度5m。灌浆参数根据现场试验确定。

6 混凝土面板设计

主体工程全部采用C25堆石混凝土，上游面设有30cm厚的防渗面板，采用高自密实性能混凝土一体浇筑成型方案，采用双层双向￠10@150配筋。

7 接缝和止水

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

主体工程沿坝轴线方向设7道横缝，封间设键槽，待坝体浇注完成两个月后利用跨缝拔管水平灌浆技术封拱，灌浆水泥采用膨胀水泥，封拱时坝体温度满足设计封拱温度15°的要求。迎水面采用1.2mm厚的铜片止水，背水面采用2mm厚的镀锌止浆铁片。

8 几点体会

8.1 平面布置

蒙山天池堆石混凝土拱坝布置充分考虑地形地质条件，使主体工程座落在较为完整的基岩上，将坝体设计为单曲拱坝结合两侧重力墩（兼做拱座）的复合坝型，重力墩分别与两岸连接，使堆石混凝土拱坝工程与周边景观融为一体。

8.2 坝体分区

坝体采用单曲拱坝结合两侧重力墩（兼做拱座）的复合坝型，其中中间拱坝段68.0m，左端重力墩28.46m（包括拱座），右端重力墩33.54m（包括拱座），分别与两岸连接。主体工程上游面设有300mm厚的防渗面板。

8.3 筑坝材料

大坝主体工程全部采用C25堆石混凝土，即利用高自密实性能混凝土填注堆石体的空隙，形成完整、密实、具有设计强度的大体积混凝土。堆石混凝土的原材料包括堆石料、石粒颗粒（粗骨料）、砂粒（细骨料）、粉煤灰、水泥、水、外加剂。

8.3.1 堆石料的品质。堆石料应新鲜、完整、质地坚硬。堆石料粒径不宜小于300mm；堆石料最大粒径不应超过结构断面最小边长的1/4。堆石料的饱和抗压强度宜≥50MPa；堆石料的含泥量应≤0.5%。

8.3.2 高自密实性能混凝土骨料。粗骨料最大粒径不超过20mm；针片状颗粒含量不超过8%。

8.3.3 水泥。当胶凝材料中掺入粉煤灰时，水泥宜优先选用普通硅酸盐水泥。

8.3.4 掺合料。高自密实性能混凝土宜使用掺合料，并应进行系统的试配试验。高自密实性能混凝土使用Ⅱ级粉煤灰。

8.3.5 外加剂。高自密实性能混凝土使用以聚羧酸盐高分子为主要原料的高性能减水剂。

8.3.6 自密实性能混凝土配合比。自密实性能混凝土配合比指标见表1。

8.4 施工质量控制

8.4.1 原材料质量控制。定期对中砂的级配情况进行检查，若发生变化则重新进行配合比调整试验；定期对石子检查，当粒径超过20mm的石子比率超过5%时，将超径部分筛出后再进行自密实混凝土的生产；自密实混凝土生产前对所使用的粗、细骨料进行含水率测定，若自密实混凝土生产过程中天气变化较大时或者取料部位发生变化时，及时对含水量重新测定进而调整实际用水量。

8.4.2 仓面清理。堆石入仓之前，将仓面的混凝土乳皮、表层裂缝、由于泌水造成的低强混凝土以及嵌入表面的松动堆石予以清除，并进行凿毛处理；同时保证仓面清洁、无积水。验收合格后再进行堆石。

8.4.3 堆石过程质量控制。堆石必须清洗，对于石料表面附着的泥土，必须清理干净，堆石料含泥量和泥块含量应符合《胶结颗粒料筑坝技术导则》中的相关规定；在堆石过程中，堆石料粒径不宜小于300mm；堆石体外露面所含有的粒径小于200mm的石块数量不得超过10块/m2；对于表面集中堆放的小于200mm的堆石碎块应予以清除。

8.4.4 自密实混凝土生产控制。自密实混凝土工作性能的检测方法主要采用坍落度试验、坍落扩展度试验和V型漏斗试验进行检测。经试验得到的坍落度、坍落扩展度以及V型漏斗通过时间三项指标，应满足表2的范围要求。

自密实混凝土的用水量应在施工配合比的基础上扣除骨料含水；不合格的自密实混凝土严禁入仓，已入仓的不合格自密实混凝土必须予以清除；在浇筑过程中浇筑点应均匀布置于整个仓面，其间距不得超过3m，必须在浇筑点的自密实混凝土填满后方可移至下一浇筑点浇筑，浇筑顺序应做到单向顺序，不可在仓面上往复浇筑；除表层自密实混凝土外，每一仓的浇筑顶面应留有块石棱角，块石棱角的高度高于自密实混凝土顶面约为50mm～150mm，以便于下一仓的粘结。

9 结束语

蒙山天池水库是堆石混凝土技术在山东省的首次应用，其大坝也是世界上第一座堆石混凝土拱坝，最大坝高24.0m，于2013年4月建成安全运行至今。

通过三维非线性有限元计算，得出坝体应力场和位移场分布符合一般变形规律，验证了坝体应力和位移分布的合理性；坝体在各工况下，最大压（拉）应力值均满足规范强度要求。

经检测结果表明，工程所用原材料质量合格；混凝土拌合质量良好，混凝土的抗压强度指标满足设计要求，混凝土试块抗冻、抗渗满足设计要求；从钻孔拍照、摄像资料看，堆石混凝土密实无空隙。

已有的监测分析成果表明，堆石混凝土拱坝的各种监测值均未超过设计允许值，亦表明蒙山天池堆石混凝土拱坝的设计、施工中所采用的技术是合适的。

参考文献

[1]金峰，安雪峰，周虎，等.堆石混凝土技术[J].水利科技成果公報，2008.

[2]银俊梅.自密实堆石混凝土在围滩水电站的应用及试验研究[J].水利建设与管理，2012，2.

[3]河海大学环境学院 山东省临沂市水利勘测设计院.山东蒙山天池堆石自密实混凝土拱坝结构性三维有限元研究报告[R].2013，3.

[4]山东省水利工程建设质量与安全检测中心站.山东省蒙阴县蒙山天池工程施工质量检测报告[R].2013，2.

[5]临沂市科学技术信息研究所.山东蒙山天池堆石混凝土拱坝工程设计研究科技查新报告[R].2014，9.

作者简介：刘刚（1964，2-），男，大学，汉族，山东青州人，高级工程师，研究方向：水工设计，山东省临沂市水利勘测设计院。