水利枢纽工程混凝土面板堆石坝设计

任国兵 吴 俊

（安顺市水利水电勘测设计院 安顺 561000）

1 工程简介

某水利枢纽工程，控制流域面积约为6375km2。工程建设的目的是以灌溉和防洪为主，同时兼顾发电。该水利枢纽工程为Ⅱ等工程，设计大坝抵御100年一遇的洪水。为了提升水利工程的安全性能和抗洪效果，采用混凝土面板堆石坝作为拦河坝，最大坝高为124.5m，坝顶长度为489m。

2 坝体结构设计

2.1 坝体体型设计

在对混凝土面板堆石坝进行设计过程中，结合工程所在区域的地质特点，在满足工程建设需要的同时，避免地震等灾害对工程的影响，主要设计要点如下：

（1）为了避免强烈地震发生时，堆石坝坝顶即便在局部塌陷的情况下，仍能够确保整体堆石坝不会出现断裂，且能够满足地震后的抢险抗灾工作所需的交通通行需求，最终设计坝顶的宽度为10m，并且采用沥青混凝土路面。此外对于上坝公路的设计为：10m宽度，坡度为8%左右的“之”字公路。

（2）在进行坝体设计过程中，本水利枢纽工程采用“L”形的钢筋混凝土结构作为防浪墙，设计高度为4.2m，墙体顶部高出坝顶约1.2m。通过有效降低抗风浪的坝体高度，节约了工程的堆石体填筑量，降低了工程的成本支出。

（3）为了抵抗地震发生时，出现落石、滚石等问题，同时结合美观安全的设计思路，在坝体的下游坡处，设置厚度为40cm的浆砌石网格，并在网格中填充干砌石（块石直径大于30cm），最终形成良好的护坡。

2.2 坝体分区

在进行坝体分区设计过程中，应重视以下设计原则：

（1）在坝体当中，应设计有通畅性能良好的排水通道，同时对于坝料的选择，应当满足水力过渡的需求。

（2）在进行坝轴线上游侧坝料选择时，应选择具有较好变形模量，且可以实现从下游到上游递增的坝料，从而确保水利枢纽蓄水后，坝体的变形协调统一，避免对面板造成较大的变形影响，引发面板以及止水系统出现破坏的情况。

（3）在设计过程中，应结合枢纽工程的开挖料的质量和数量情况，对坝体的材料进行分析，从而充分利用现场的开挖料资源，降低资源的消耗，节约工程的建设成本。

2.3 混凝土面板设计

作为主要的防渗设施，混凝土面板的厚度主要根据工程现场的施工、结构和耐久度等要求来确定，本工程结合以上因素，采用的混凝土面板顶部厚度为30cm，底部厚度为60cm。对于钢筋和止水系统的设计，则是在混凝土面板的表面15cm处，设置双向布置的钢筋网，其竖向和水平向的配筋率均为0.4%。对于河床部位的混凝土面板设计为12m宽，岸坡部位的混凝土面板设计为6m宽。

2.4 混凝土趾板设计

本工程坝址所在区域的河床，右侧的岸坡相对陡立，左侧的岸坡则覆盖层较为深厚，如果采用传统的平趾板方案，不仅工程施工的开挖量较大，而且在开挖过程中边坡较高。因此本工程采用“4+X”设计混凝土趾板。

（1）整体混凝土趾板分为标准平趾板和下游内趾板两部分组成；

（2）标准趾板为4m宽，主要用于作为2～3排的固结灌浆及中央排帷幕的灌浆盖板。

（3）内趾板作为下游的防渗板，其宽度应当根据水头和地基容许水力梯度来进行设计计算。

2.5 接缝型式及止水系统设计

为了避免周边缝产生变形过程中，对周围的面板、趾板以及止水结构造成破坏，因此，本工程在进行周边缝设计过程中，其上部宽度为12mm，下部宽度为25mm。

此外，由于冬季的气候较为寒冷，库区所形成的冰盖会对水利枢纽的止水系统造成的巨大破坏，导致部分区域的面间缝以及周边缝失去止水作用，引发渗漏事故的发生。因此本水利枢纽工程在进行混凝土面板堆石坝设计过程中，采用了以下措施：

（1）在冬季水位变动区的以上部位，采用沉埋式止水系统设计大坝缝间止水系统。

（2）在止水的顶部，选用加筋三元乙丙橡胶板保护，其具有较强的抗重物冲击能力，能够有效的避免被冰盖撕裂。对于止水的两侧，面层止水材料选用不锈钢扁钢压板以及不锈钢沉头螺栓。

（3）结合工程所在区域的地质情况，对坝体的地质变化处、趾板转折处和长直趾板中部处，每隔12m左右的距离设置一道永久变形缝，同时在设置过程中，避免和面板接缝重叠。在变形缝内设置两道与周边缝结构相同止水，使其与周边缝形成一个封闭结构。这样可以有效的提升温度和地基出现变化过程中，趾板的抗变形能力，避免裂缝等安全隐患的出现。

3 坝基处理

3.1 基础开挖

（1）河床段高趾墙基础：沿着河床段高趾墙，对趾墙上下游的基础，采用垂直开槽的方式进行基础开挖，直到接触到强风化下限岩石为止。

（2）岸坡段趾板基础：由于岸坡段趾板位于弱风化层岩石基础上，在进行基础开挖过程中，在趾板宽度方向的上游，按照边坡1：0.3的比率进行开挖；在趾板长度方向，应沿着趾板槽底进行开挖，开挖过程中应注意平整，避免出现5m以上的陡坡或者反坡。对于岸坡段趾板的边坡，为了避免出现滑坡等安全事故，采用锚杆和锚索锚固，并采用混凝土挂网喷洒进行加固处理。

（3）左岸古河槽段趾板基础：首先对基础表面的风积粉土进行清除，然后在左岸古河槽内设置深入到基岩不透水层的混凝土防渗墙，最后借助连接板与下游趾板进行连接。

3.2 灌浆

本水利枢纽工程经过地质勘察，在坝基范围内没有出现破碎或者断裂的地质狗仔，所以在对防渗线表层以及浅层填充物处理过程中，采用直接挖除的方式。对于深层的裂隙或者小断层，采用灌浆进行处理。

（1）对于面板堆石坝，在趾板与高趾墙底部采用固结灌浆的方式进行基础的处理。根据面板堆石坝的趾板宽度，设置了两排距离为2m，孔距为2m的固结灌浆孔，根据基岩的实际情况，灌浆深度设置为6m。

（2）对于处于河床段高趾墙顶部及覆盖层上的趾板下部，不进行固结灌浆施工。

（3）对于右坝肩，由于基岩出露面较高，且设置了表孔溢洪洞进口，因此，在进行帷幕灌浆过程中，应向右侧延伸，直到表孔溢洪洞，无需设置灌浆廊道。对于左侧坝肩，其基岩出露面较低，需要设置灌浆廊道，长度约为35m。

4 结束语

综上所述，作为国民经济发展的重要基础设施，水利枢纽的建设推动了我国社会经济的发展。现阶段，在进行水利枢纽建设过程中，大多采用混凝土面板堆石坝设计，不仅简化了施工的程序，提升了工程的安全性能，而且具有较好的经济效益。因此，相关工作者应当加强自身的专业能力，熟练掌握混凝土面板堆石坝设计的要点，结合水利枢纽工程实际情况，设计出符合工程要求的混凝土面板堆石坝，推动我国水利水电事业的可持续发展。