贵州省松桃苗族自治县妙隘水库工程面板堆石坝设计

李娅，郭西方

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

贵州省松桃苗族自治县妙隘水库工程面板堆石坝设计

李娅，郭西方

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

混凝土面板堆石坝由于其良好的适应性、经济性和安全性，在我国水库工程中得到了较好运用。在贵州省松桃苗族自治县妙隘水库建设过程中，通过相关计算及方案比较合理确定了混凝土面板堆石坝坝体结构和分区。大坝于2015年10月中旬开始填筑，2016年底基本完工。

妙隘水库；面板堆石坝；趾板；止水；分缝

1 工程概况

妙隘水库工程位于贵州省东北角松桃苗族自治县妙隘乡平皋村，主要功能为农田灌溉、集镇及农村人畜供水。水库坝址以上控制流域面积18.7 km2，主河道长7.05 km，多年平均年径流量1 634万m3，多年平均年入库泥沙量0.62万t。水库输水设计流量0.45 m3/s，灌溉面积286.67 km2，供水人口17 506人。

妙隘水库主要建筑物由钢筋混凝土面板堆石坝、开敞式溢洪道、取水兼放空建筑物等组成。水库为年调节水库，正常蓄水位451.0 m，相应库容为182万m3；校核洪水位453.79 m，相应库容为242万m3；死水位438.0 m，相应库容为28万m3，原始调节库容为154万m3。

妙隘水库为IV等小（1）型工程，主要建筑物级别为4级，设计洪水标准30 a一遇，校核洪水标准300 a一遇。施工总工期28个月，总投资1.56亿元。

2 枢纽布置

2.1 坝址地形地质条件

坝址区河谷呈V形，河床地面高程427～428.6 m，主河槽宽20～30 m。两岸山体浑厚，植被茂密。其中，左岸地形较陡，总体坡度53°；右岸地形较缓，总体坡度21°。河床覆盖第四系全新统冲洪积砂卵砾石（Q42al+pl），厚度4.7～9.2 m；两岸覆盖有第四系全新统坡残积碎石土（Q4dl+el），厚度0.5～3.5 m。

基岩地层为志留系中统石牛栏群一段（S2sh1），岩性为砂质页岩、泥岩，局部夹少量粉砂岩。岩层产状为NE45°～68°/SE∠25°～37°。坝基断层不发育，两岸边坡强风化岩体下限深度2.5～12.0 m，弱风化岩体下限深度6.4～27.2 m；河床部位强风化岩体下限深度为7.0～7.3 m，弱风化岩体下限深度为11.2～17.9 m。坝址区地震基本烈度为6度。

2.2 枢纽平面布置

枢纽拦河坝采用混凝土面板堆石坝，紧靠右坝肩设开敞式溢洪道，为管理方便采用无闸门控制的开敞式。考虑进水条件及左右岸地形将取水兼放空建筑物布置于右岸，利用导流洞改造而成，取水口采用龙抬头型式，包括进水渠（原导流洞顶）及事故检修闸，导流洞内敷设明钢管，出口设多功能调节阀室。

3 混凝土面板堆石坝设计

3.1 坝体剖面设计

大坝基本断面为坝顶高程454.50 m、宽6 m、总长145 m，最低建基面高程419.5 m，最大坝高35.0 m，大坝上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.75，最大断面宽度113.98 m。坝顶上游侧设钢筋混凝土倒T形防浪墙，墙高2.7 m，下游设防撞墩。下游坝坡设宽度为6 m、纵坡为8%的上坝公路作为场内永久交通道路。坝基土石方开挖10.2万m3，坝体填筑16万m3。

3.2 坝体分区及填筑设计

3.2.1 坝体分区设计

坝体分区设计遵循既满足受力、渗流反滤要求又满足简单经济的原则，从上游到下游依次为上游盖重区1B（顶部水平宽度4.0 m、高程433.0 m，坡比1∶4.0）、垫层区2A（水平宽度3.0 m）、特殊垫层区2B、过渡区3A（水平宽度3.0 m）、主堆石区3B（上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5）、次堆石区3C（上游坡比1∶0.5，下游至下游坝坡）和排水区3D（顶高程不低于下游最高水位）、下游块石护坡P（厚0.5 m），如图1所示。

图1 坝体剖面

3.2.2 坝体填筑设计

本工程主堆石料选用位于妙隘河右岸距坝址区约12 km的夹口滩料场灰岩料。由岩石试验成果可知，料场岩块天然密度平均值为2.71 g/cm3，饱和吸水率平均值为0.21%，饱和抗压强度平均值为49.5 MPa，属中硬岩，质量和储量满足筑坝条件。为充分利用开挖量，下游次堆石区采用溢洪道弱风化开挖料。

坝体各区填筑料技术参数要求见表1，坝体各区填筑碾压参数及坝料质量控制要求见表2。

渗透系数/（cm·s-1）干密度/（g·cm-3）孔隙率/%细颗粒含量（D＜5 mm）/%黏粒含量（D＜0.075 mm）/%最大粒径/mm材料分区盖重区（1B）特殊垫层区（2B）垫层区（2A）过渡区（3A）主堆石区（3B）下游堆石区（3C）堆石排水区（3E）下游护坡（P）岩性开挖料人工破碎及筛分的料场灰岩料人工破碎及筛分的料场灰岩料人工破碎料场灰岩料料场灰岩料溢洪道弱风化开挖料料场灰岩料料场新鲜弱风化灰岩料填筑量/万m31.38 0.65 1.52 1.42 7.06 3.07 0.91 0.30 2.25 2.25 2.18 2.18 2.07 2.12 17 17 20 20 22 22 35～55 35～55 5～10 5～10 6～15 4～8 4～8 0～5 0～5 0～5 0～5 40 80 300 800 800 800 n×10-3n×10-3n×10-2n×10-2n×10-3n×10-1

表2 坝体各区碾压参数及质量控制要求

3.3 面板设计

本工程采用等厚面板，厚度0.4 m，底部最大水力梯度81.45，面积6 224 m2，浇筑混凝土量2 679 m3。面板混凝土标号为C25W10F100，为保证面板的抗裂性和耐久性，面板混凝土中掺入聚丙烯纤维并布置钢筋，以承受混凝土温度应力和干缩应力。施工中采用单层双向钢筋布置，在拉应力区、岸边周边缝附近及临近周边缝的垂直缝附近设双层加强钢筋。

为适应坝体变形，将面板分为12块。根据地形地质条件及应力应变计算结果，并参照类似工程经验，两坝肩附近的面板为受拉区，分块长度为7 m；其余部位的面板为受压区，分块长度为12 m。

施工中，采用挤压边墙的形式对垫层料进行防护、无轨滑模方式浇筑面板混凝土。挤压边墙为梯形断面，采用一级配干硬性混凝土，其设计指标为：密度＞2.05 g/cm3，28 d抗压强度＜5 MPa，渗透系数为n×10-3cm/s。为减少挤压边墙对面板混凝土的约束，挤压边墙与面板之间设“三油两砂”，先施工“二油两砂”用于坝体施工期临时度汛，待混凝土面板施工前再施工最后一层乳化沥青。

3.4 趾板设计

趾板基础建于强风化岩体下部，为满足水力梯度要求，宽度取4.0 m，厚度与面板厚度相同。趾板型式为连续式平趾板，不设永久缝，根据施工情况设施工冷缝，要求分块跳仓浇筑，分块长度不大于15 m。趾板混凝土标号为C25W10F100，其抗裂性及耐久性要求同面板混凝土。

趾板定线以“X”线为基准线，同时用于指导开挖定线。在“X”线的转角处完成平板段与斜面段交角的变化，同时趾板体型在此段完成局部调整，以避免混凝土的错台。本工程在趾板转弯处设连接段，从拐弯交点处各向后移3 m（在河床段后移1 m），各自形成垂直趾板的断面，两断面间约6 m空间的连接段趾板为扭曲面，其余为平面。

3.5 接缝与止水

分缝的主要类型为周边缝、面板垂直缝、防浪墙底缝、防浪墙伸缩缝、趾板与右坝肩挡墙间的水平缝等。垂直缝在距离趾板法线方向1.0 m范围内，垂直于周边缝布置。

垂直缝、周边缝、防浪墙底缝及水平缝均设上下2道止水，顶部为柔性填料，起到防渗自愈、充填止水效果，以PVC棒嵌入V形槽内，底部为W形铜片止水（周边缝为F形铜片止水），铜片止水下设垫片和沥青砂垫层。周边缝、垂直缝及防浪墙底缝的柔性止水互相连接，而且底部的铜片止水互相连接，各自形成封闭的止水系统。防浪墙每隔12 m分缝，设1道止水，并与防浪墙与面板间的水平缝止水构成封闭的止水系统。

3.6 坝基开挖及坝基、岸坡的连接及处理

3.6.1 坝基开挖

趾板下游0.3～0.5倍坝高范围为低压缩区，此范围内松动、破碎岩体应全部挖除，开挖坡度不陡于1∶0.5，坝轴线上游除去低压缩性区以外的其余部位应将妨碍堆石压实的陡坎、倒悬体清除，或用贫混凝土、浆砌石等补成平顺边坡。坝轴线下游仅需清除覆盖层。

3.6.2 坝基、岸坡的连接及处理

开挖揭露的不良地质如软弱夹层、节理裂隙等，采取局部扩挖、追踪后以C20素混凝土回填置换处理。上游堆石区与两岸岸坡结合部采用2 m宽的过渡料铺填，要求尽可能使振动碾沿岸坡方向进行碾压，碾压不到的局部区采用夯机夯实或小型振动碾压实。

3.6.3 防渗设计

帷幕灌浆与固结灌浆相结合布置在趾板中部。帷幕灌浆孔共1排，孔距2 m，深入透水率5 Lu线5 m，左、右坝肩均延伸至正常蓄水位与地下水位相交处并至两坝肩以外20和50 m。

3.6.4 固结灌浆

趾板范围的基岩均进行固结灌浆。在帷幕灌浆线的上、下游各布置1排固结灌浆孔，孔距3.0 m，孔深5 m；为提高趾板与基岩的整体稳定性，趾板下设置φ25 mm锚筋，入岩深度为5.0 m，间、排距均为2.0 m。

3.7 坝体计算

3.7.1 渗流计算

采用《理正岩土系列软件》（V5.5），利用有限元数值分析方法确定渗流场参数，对最大坝高剖面进行渗流计算，结果详见表3。通过计算可知，做好混凝土防渗面板和基础灌浆，坝体防渗是有保证的。

表3 大坝渗流计算成果

3.7.2 坝坡稳定计算

坝坡稳定分析使用中国水利水电科学研究院编制的《土质边坡稳定分析程序—STAB2005》，采用线性和非线性2套参数对最大坝高剖面进行坝坡稳定分析，计算结果见表4—5。

表4 线性指标计算成果

表5 非线性指标计算成果

3.7.3 有限元方法应力应变分析

根据相关规范要求，中低坝可采用经验方法估算坝体变形，本工程采用2种方法对坝体变形进行分析，方法一为利用已建坝的原型观测成果来估算坝顶的沉降值；方法二为建立二维非线性有限元模型，参考类似面板坝邓肯—张EB模型计算参数，模拟大坝填筑和水库蓄水过程，进行应力应变分析。通过2种计算方法的计算成果比对可知，坝体沉降主要发生在施工期，总沉降量约为21 cm，其中由坝体自重引起的垂直沉降量主要发生在坝体垂直方向的中部，最大沉降量约为10 cm；蓄水期沉降量不大，约为5 cm，总沉降量小于最大坝高的1%。面板最大挠度为0.23 cm，坝体最大应力发生在坝体底部中央附近，坝体的最大第一主应力为642 kPa。

4 施工特点及质量控制

4.1 导流与度汛

导流建筑物设计洪水标准采用枯水期5 a一遇，相应洪峰流量为25.3 m3/s。本工程采用围堰一次性截断河床、上下游围堰挡水的隧洞导流方案，导流时段共14个月，经历1个汛期。上下游围堰均采用土石围堰，复合土工膜垂直防渗型式。

4.2 坝体填筑

4.2.1 填筑前的基础清理

岸坡与坝体填筑料接触段两岸的有机物、表土、坡积物、砂、砾石、石渣等均须清除，直至出露基岩顶面；趾板及下游低塑性区（0.3～0.5倍坝高）外的基础需清除表层覆盖层，如砾石、坡积物等，直至出露基岩顶部。

4.2.2 坝体填筑过程和要求

趾板混凝土浇筑完成后进行垫层料及下游过渡料填筑，为确保填筑质量，填筑时应严格按照碾压实验提供的碾压参数及孔隙率控制，为保证各层间良好的水力过渡，每车上坝料应具有良好的级配。

为保证面板均匀变形，坝体上游30 m范围内的堆石区需平起填筑，下游可高于上游。在坝体上升过程中需对边坡进行少量的开挖，以便与上升断面材料混合同时进行压实。

垫层料、过渡料及相邻的主堆石料（过渡料下游4 m范围内）填筑方法采用后退法，即：由下游向上游，先填1层主堆石，再填过渡料，最后填1层垫层料，堆石的平起高差不大于1层主堆石的厚度。为了保证料物之间的水力过渡，要求界面上的超径石都要清除，即主堆石上游界面的超径（粒径大于30 cm）石清除后再填过渡料，过渡料上游面的超径（粒径大于20 cm）石清除后再填垫层料。超径石的清除可通过反铲及人工进行。垫层料、过渡料及相邻主堆石料（过渡料下游4 m范围内）的碾压方法为：过渡料及垫层料1层铺平后同时碾压，垫层料、过渡料再铺1层与其相邻的主堆石齐平，3种料同时碾压，碾压时要骑缝。在每层垫层料碾压完毕后，铺筑下一层前都要确定好垫层区与过渡区的界限（石灰线），以保证各区料物之间的水力过渡，并形成斜面连接。

除垫层料、过渡料和过渡料下游4 m宽主堆石外，其余堆石料应采用进占法施工，施工时要确保各粒径坝壳料混合均匀，以便形成良好的级配，防止出现架空现象。

坝体填筑完成后预留5个月沉降期，沉降基本完成后进行面板及坝顶施工。

5 结语

面板堆石坝具有坝坡稳定性好，承受水压力性能好，施工期受气候条件影响小等优点。妙隘水库混凝土面板堆石坝在设计过程中根据堆石体各部分的工程特性，分别对材料的性质、最大粒径、颗粒级配、干密度、透水性以及施工工艺提出不同的要求，以充分利用当地材料性能，降低工程造价，方便施工。根据大坝观测资料，坝体预留的5个月沉降期内最大沉降量为3.4 cm，施工期总沉降量在设计估算范围内，与设计基本相符。

TV62+1；TV641.4

A

1004-7328（2017）04-0024-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.008

2017—03—15

李娅（1982—），女，工程师，主要从事水工建筑物结构设计工作。