石步河水库工程碾压混凝土重力坝设计

孙 翔，潘自恒，张志彦，王 军

(1.南水北调中线干线工程建设管理局，河南 郑州 450004;2.南阳市水利建筑勘测设计院，河南 南阳 473000; 3.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000)

石步河水库工程碾压混凝土重力坝设计

孙 翔1，潘自恒2，3，张志彦2，3，王 军1

(1.南水北调中线干线工程建设管理局，河南 郑州 450004;2.南阳市水利建筑勘测设计院，河南 南阳 473000; 3.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000)

石步河水库最大坝高26.1m，坝长228m，为小型碾压混凝土重力坝，其相对于大型碾压混凝土重力坝，施工仓面相对较小，影响施工速度因素较多。为此，本文在对石步河碾压混凝土重力进行全面介绍基础上，重点介绍设计施工中采用的多项加快施工速度的措施及新的设计理念，为同类工程的设计提供了借鉴。

碾压混凝土重力坝;石步河水库;结构设计

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.035

1 工程概述

石步河水库位于河南省桐柏县城西北，唐河支流三夹河上游石步河上。控制流域面积 335km2，水库总库容2892万 m3，是一座以防洪、供水为主，兼顾农业灌溉、旅游开发等综合利用的中型水利枢纽工程。

工程由大坝、排砂洞、供水管道、管理房屋及管理道路等组成。设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。

坝址处河谷为“U”型谷，宽度97m，两岸山体不对称，左岸较陡，右岸稍缓，右岸发育有一阶地，宽57m。左岸自然坡度60～65°，右岸自然坡度45～50°。坝址区地层较单一，主要为加里东期片麻状花岗岩及第四系松散堆积物，无大的构造断裂通过，岩层走向与河谷近垂直，倾向偏向上游。地震基本烈度为Ⅵ度。

2 碾压混凝土重力坝布置

石步河水库碾压混凝土重力坝最大坝高26.1m，坝顶高程154.10m，坝轴线长228m，由左右岸挡水坝段和河床溢流坝段组成，共分11个坝段(见图1)。

图1 石步河水库大坝上游立面图

左岸挡水坝段长74m，共4个坝段，除1#接头坝段长14m外，其余均为20m;右岸挡水坝段长50m，分3个坝段，除11#接头坝段长10m外，其余均为20m;溢流坝段长104m，分4个坝段，依次为29m、23m、29m、23m。在溢流坝段设9孔10m×5.1m溢流表孔，为WES堰，溢流面堰顶高程146.00m，挑流消能。在3#坝段布设有排砂和洞供水洞，排沙洞为无压底孔，孔口尺寸为3.0m× 3.5m，孔口底高程138.00m，挑流消能;供水洞孔口尺寸为2m×2m，后接内径2m引水钢管。

3 坝体结构设计

3.1 坝体材料分区

根据坝体应力计算和稳定计算成果，类比工程经验对坝体结构混凝土进行分区设计［1，2］。典型断面见图2、图3。根据规范的要求及本工程的气温情况，按照不同部位的工作条件和环境条件进行混凝土材料分区，见表1［3］。

表1 坝体材料分区表

图2 挡水坝段典型剖面图

图3 溢流坝段典型剖面图

坝体混凝土方量为6.42万m3，其中碾压混凝土方量为4.82万m3，占坝体总混凝土量的75%。坝体主要材料采用C9015三级配碾压混凝土;上游153.00m高程以下防渗层及下游142.94m高程以下迎水面采用C9020W 4F50二级配碾压混凝土。根据混凝土设计指标经室内试验和现场碾压试验，经分析比较后的主要混凝土配合比见表2。

表2 大坝碾压混凝土配合比

3.2 坝体防渗及排水设计

坝体防渗层均采用C20W 4F50二级配碾压混凝土及上游模板周边变态混凝土防渗，相对于采用“金包银”模式防渗结构，可大幅度提高坝体混凝土浇筑速度。根据规范［3］，碾压混凝土防渗层的有效厚度，宜为坝面水头的1/30～1/15。坝体上、下游面防渗厚度根据坝前水位不同并结合施工要求，坝前取2.0m，坝下游取1.5m。

坝体排水管设上游防渗层后，孔间距3.0m。非溢流坝段排水管上部通至153.0m，溢流坝段排水管上部通至143.92m高程，下部至基础灌浆廊道。坝体渗水通过廊道排水沟，汇流至集水井后抽排至坝体外。

3.3 坝体分缝及止水

大坝坝基最大宽度29m，为适应碾压混凝土快速施工的特点，只设横缝不设纵缝。横缝间距根据地质条件、坝体布置、温度应力计算、施工强度等确定，共设10条横缝。横缝采用切缝机切缝形成，缝宽0.02m，采用“先切后碾”，缝内采用聚乙烯闭孔塑料板填塞。间歇层面采用刷毛或冲毛清除混凝土表面的浮浆及松动骨料。处理合格后，均匀刮铺2cm厚与混凝土同标号的水泥砂浆，然后在其上摊铺RCC混凝土碾压。

上游坝面坝体横缝处设置两道止水片，分别为紫铜止水和橡胶止水，置于防渗层内。第一道止水距上游坝面0.5m，第二道止水距上游坝面0.9m，缝内填塞聚乙烯闭孔塑料板，止水片埋入基岩内0.5m，止水槽用锚筋与基岩连接，用微膨胀混凝土回填。坝体下游面横缝处设置一道橡胶止水，置于防渗层内。为防止坝体廊道横缝处渗水，在坝体廊道跨横缝处设PVC止水带，缝内填聚乙烯闭孔塑料板。

3.4 大坝基础处理

坝基础属于花岗片麻岩，岩石呈弱风化，为微～中等透水。大坝基础处理除了防渗帷幕灌浆及坝基排水外，主要是固结灌浆和断层处理。

固结灌浆:为提高坝基岩石的整体性与均质性，提高坝基岩石的抗压强度与弹性模量对主河槽段坝基进行固结灌浆。孔距排距均为3m，上下游各布置3排。固结灌浆孔孔深为5m，均是铅直孔。

断层处理:根据地质资料分析，坝址附近断层总计3条，F4、F5与坝轴线斜交，坝基F8断层;从地质勘探情况看，坝址附近2处断层对坝体影响较小。对于坝基F8断层，采用加大开挖深度，并采用混凝土塞回填，结合坝基固结灌浆加密为间距为1.5m×1.5m;并采取加密帷幕灌浆孔距、加深长度措施。

4 石步河大坝设计特点

4.1 合理采用预制构件

石步河碾压混凝土大坝为低坝，碾压混凝土仓面最大大宽度20m，最小宽度4.5m。为保证施工质量的同时又能加快施工速度，对于部分部位采用预制构件。

4.1.1 下游面采用预制块代替模板

挡水坝段背水坡坡比为1∶0.7，常规施工方法需先立模，后浇筑。由于是斜坡浇筑无论是固定模板或采用爬模，混凝土混凝土内气泡都不易排出，易造成外观蜂窝麻面，影响外观，同时要经历立模，拆模及拆模后模板处理等工序，降低施工效率。经设计论证比较后采用预制混凝土挡块［4］作为替代模板使用，同时挡块作为大坝的一部分，避免了立模、拆模等工序，加快施工速度，又使得大坝坡面整齐美观。

4.1.2 预制廊道减少模板使用

坝体布置一条1条纵向灌浆排水廊道，廊道底高程133.00～142.94m，断面为城门洞形，尺寸为2.5m×3.5m。廊道侧墙为变态混凝土，拱顶采用预制钢筋混凝土结构，见图4。施工时后可直接碾压廊道侧墙变态混凝土，吊装预制拱顶后可接着碾压上层混凝土。最大限度减少廊道施工工期。

图4 拱顶预制段廊道剖面图

4.2 坝体排水管采用钻孔代替预埋排水管

坝体排水管一般采用预埋混凝土管或塑料管，施工时采用拔节法先安装排水管，且排水管周围不能采用碾压施工。石步河大坝坝体排水管距上游面3m，间距为3m，采用常规坝体排水管设计将使得碾压混凝土施工仓面更加小，施工效率大大降低，因此设计采用先整体坝体施工，在坝体碾压混凝土全部施工完成后，采用在坝顶钻孔形成坝体排水孔，加快了施工速度。

4.3 合理简化温控设计

大坝采用天瑞集团南召水泥有限公司生产的P.C32.5复合硅酸盐水泥，混凝土掺和料采用南阳鸭河口发电厂生产的分选的Ⅰ级粉煤灰，石子采用姚河村采石场的花岗岩人工碎石，砂采用在坝址上游河床内开采筛选的砾砂。

根据计算，并参照规范和其他已建工程，大坝强约束区基础温差控制标准:混凝土最低13℃;常态混凝土最低15℃。相邻块高差不超过12m［3-8］。碾压混凝土浇筑应薄层连续短间歇式上升，层间歇时间不大于10d。低温季节浇筑温度不低于5℃，基础强约束区浇筑温度不高于过20℃，非约束区不高于24℃。

鉴于石步河拦河坝为低坝，采用对主河槽段基础强约束区在低温季节施工，对于高温季节浇筑混凝土，不采用冷却水管而是采用以下简易措施:加大料堆高度、地垅取料;在料堆上搭设遮阳棚防晒，喷冷水(机井水)降温;仓面喷雾;采用保温泡沫板覆盖;避开高温时段浇筑;混凝土运送设备采取遮阳防晒措施;水泥罐、粉煤灰罐及拌和楼采取防晒隔热措施等。低温季节主要是采用保温泡沫板保温。施工实践证明上述措施完全满足温控设计要求，不但节约的投资，更提高了施工速度。

4.4 结合景观工程的大坝设计

近年来我国的水利工程，越来越注重水利工程的景观和美学要求。石步河水库把“大美”理念、工程美学理念，融入在设计之中，在保证大坝安全，满足功能要求的前提下，对大坝进行精心处理。如大坝上部的泄洪闸闸房、排砂洞闸房采用现代风格，大坝、泄洪闸闸房、桥头堡依次突出其层次感，并在外墙涂料、房顶琉璃瓦等颜色选择都与整体环境协调，宛如大坝带上一定优雅别致的帽子。将坝顶防浪墙采用定型模板浇筑，凸凹有致，坝段下游面采用汉白玉栏杆，典雅大方，挡水坝段背水坡面预制块砌筑使得坡面整齐划一，使得大坝雄厚而不笨拙。

4.5 改变泄洪闸启闭机方式

在可行性研究阶段，泄洪闸闸门采用了液压启闭机，虽然液压启闭机具有布置紧凑，体积小，重量轻;缓冲能力好、转动平稳;液压传动与电气控制相结合，便于实现自动化;易于防止过载，工作安全可靠等优点。但液压启闭相对卷扬启闭机对操作要求较高、维护保养和运行成本较高等缺点，由于石步河水库管理机人员由县级水利局抽调组建，管理水平不高，且加上水库直接收益不高，运行经费可能较为紧张。在工程初设阶段，经对水库运行调度进行详细计算基础上，考虑水库后期运行管理的实际情况，经对比，泄洪闸闸门由液压启闭机改为卷扬启闭机。

5 结论

石步河水库大坝于2011年4月开工建设，2011年12月基础开挖完成。2013年11月工程合同完工验收。并经受2014年汛期超过水库20一遇设计标准的洪水考验。在针对石步河水库作为小型碾压混凝土坝，经过精心设计研究，对材料分区、预制构件采用、优化施工方法等多种措施，尽量发挥碾压混凝土施工的优点，大大加快施工进度，为中小型碾压混凝土大坝提供值得借鉴的经验。同时在设计中结合景观设计融入工程美学，并结合工程后期运行维护等因素，体现工程全寿命周期设计的理念，这些也给水利工程设计提供新的思路。

［1］孙新庄，张华明，黄坚等.功果桥水电站碾压混凝土重力坝设计［J］.西北水电，2014(04):37-41.

［2］洪永文.金安桥水电站碾压混凝土重力坝设计［J］.水力发电，2006，32(11):54-56.

［3］SL314-2004.碾压混凝土坝设计规范［S］.

［4］孙翔.曲振会，等.一种在大体积混凝土浇筑过程中使用的挡块［P］.中国.专利:ZL2014202990019.6.2014-06-06.

［5］SL319-2005.混凝土重力坝设计规范［S］.

［6］杨志华，谢卫生.山口岩碾压混凝土拱坝温度控制设计［J］.水利规划与设计，2013(11):71-74.

［7］马志远.碾压混凝土重力坝施工温度控制问题研究［D］.郑州.郑州大学，2009.

［8］王焰驹.碾压混凝土重力坝工程中温度控制施工技术［J］.水利技术监督，2014(02):60-62.

TV642.2

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1672-2469(2016)08-0109-04

2015-03-31

孙 翔(1977年—)，男，高级工程师。