善泥坡高碾压混凝土拱坝设计难点与对策

陈毅峰，罗洪波，徐 林，陈 宏，刘 杰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概 况

1.1 工程概况

善泥坡水电站位于贵州省六盘水市水城县境内，是北盘江流域综合规划中的第8个梯级电站。水库总库容0.85亿m3，正常蓄水位885 m，电站总装机容量185.5 MW，为三等中型工程。枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄水建筑物、右岸引水系统、右岸地下大厂房及右岸生态小厂房[1]等组成。

1.2 坝址区地形地质条件

善泥坡水电站坝址区为典型溶蚀—侵蚀的“U”形河谷地貌，河谷两岸陡峭；坝址区河流下切强烈，并伴随有强烈的溶蚀、崩塌作用[2]。枯期天然河水位800 m，河面宽55 m；左岸810 m高程以下为缓坡，坡度10°左右，以上为高耸的陡壁，陡壁顶高程约1 200 m，相对高差400 m。右岸总体为60°陡坡，960 m高程以上为缓坡，坡度12°～20°。

坝址区河床及两岸地层为二叠系下统栖霞组第二段(P1q2)深灰色、灰色厚层灰岩，局部含少量燧石结核，为强岩溶含水层透水岩组；河床735 m高程以下为栖霞组第一段(P1q1)薄层夹中厚层灰岩、泥炭质灰岩夹泥页岩，为灰岩弱岩溶含水层；建基面以下铅直深度约58 m处为P1l石英砂岩夹泥页岩，为厚度稳定、隔水性能良好的隔水层。坝址区裂隙极其发育，裂隙大多为剪性，长度一般大于5 m，宽0.1～1.5 cm，间距0.5～1 m，连通率40%，充填物主要为方解石，裂面多平直稍粗糙。坝址区两岸岩溶发育，f1断层影响范围内岩体破碎，左岸上游发育上泥坡暗河，右岸发育石米格暗河，均为库区与下游连通的大型岩溶通道，其中石米格暗河在大坝防渗帷幕线位置高约15 m，宽约8 m。

1.3 坝址区总体布置与大坝结构布置

善泥坡水电站坝址区枢纽由碾压混凝土双曲拱坝、坝身泄水建筑物、右岸引水发电系统及生态小厂房组成。碾压混凝土双曲拱坝坝顶高程888 m，最大坝高110 m，厚高比0.214，坝顶中心弧长204.29 m。泄水建筑物由3个溢流表孔、2个泄洪中孔及下游消能防冲建筑物等组成。

图1 善泥坡水电站坝址区枢纽平面布置示意

2 设计难点与对策

2.1 狭窄河谷高陡坝肩边坡开挖处理难点与对策

2.1.1设计难点

水电站工程中高边坡安全一直是建设者们关注的焦点，随着人们对环保问题的进一步关注，对边坡处理的关注焦点也从安全问题扩展到与环境的自然融合，如采用喷射植被混凝土让边坡重新恢复绿色等。善泥坡拱坝坝肩开挖如采用常规的明挖方案，则左右岸坝顶以上永久开挖边坡高度将分别达330 m和110 m，不仅高边坡安全稳定问题突出，对生态环境的破坏也是极为严重。

2.1.2对策措施

善泥坡工程在调研了大量坝肩窑洞开挖案例的基础上，首创贴壁式窑洞开挖设计[3]，实现了对坝肩边坡的微创开挖，即仅根据拱坝体型需要开挖所需空间，其后利用拱坝混凝土浇筑，将微创开挖面覆盖。善泥坡拱坝坝肩窑洞高度、跨度指标均创国内外之最，其中左岸窑洞坝顶洞深33.30 m，最大高度66.6 m，最大跨度18 m；右岸窑洞坝顶洞深46.01 m，最大高度达111.60 m，最大跨度23 m，为目前国内规模最大的坝肩窑洞开挖。对于如此大规模的贴壁式窑洞开挖，在设计细节上需要更多的考量。

通过拱坝体型设计、预应力锚索张拉墩采用内凹式设计、开挖梯段及爆破工艺控制设计[4]，保障坝肩上下游边坡大面积曲面、倒悬开挖的高精度及高平整度；通过施工过程中地质条件的实时跟踪，动态复核及调整支护设计；采用在拱坝坝体与上下游开挖面间设置弹性垫层的做法，既解决了拱坝坝体自由变形问题，又实现了拱坝坝面模板功能；另外通过在坝顶两端分别设置了约15 m的明洞段，对坝肩窑洞顶部高自然边坡坡面小型飞石形成阻拦，对较大飞石造成的破坏形成减缓。

2.1.3实践效果

贴壁式窑洞开挖是一套与传统坝肩开挖理念上有所区别的技术，更强调开挖与坝体结构的协调性、施工过程控制的动态性、设计细节的严谨性与系统性、施工工艺的精细性与严格性。与明挖相比，贴壁式窑洞开挖创面小，最大程度减小对环境的影响，拱坝建筑物与环境浑然一体，自然美观；减少了拱坝坝肩边坡的开挖高度和范围，降低工程边坡的安全风险和施工难度，减少了开挖支护量，从而可缩短工期、节省投资；最大程度的保留了坝肩下游的山体，利于拱坝坝肩稳定。该模式在善泥坡工程中得到实践，为狭窄高陡河谷建设拱坝及窑洞开挖提供了系统解决方案，在减小拱坝开挖对环境影响方面实现了技术突破，具有显著的社会经济效益。

2.2 岩溶地区防渗帷幕设计难点及对策

2.2.1设计难点

在岩溶地区修建水工建筑物，坝基及两岸的防渗帷幕设计一直是设计的重点与难点，对于强岩溶透水岩组，一是需要掌握防渗帷幕沿线地质条件，建立合理的帷幕灌浆参数体系；二是克服岩溶地区型式复杂多样的溶洞、暗河。能否制定科学、合理、有效的防渗方案，在很大程度上直接影响整个工程质量。根据善泥坡防渗帷幕沿线的前期及施工期地质条件探测，善泥坡坝址区位于强岩溶透水岩组，帷幕沿线岩溶发育，其中大坝防渗帷幕线上高约15 m、宽约8 m、蓄水后最大水头超过80 m的石米格暗河尤为关键，一旦处理不当，将形成贯通上下游的通道，进而进入拱坝坝体及下游的生态小厂房，从而造成严重后果。

2.2.2对策措施

善泥坡拱坝防渗帷幕设计时针对岩溶地区的特点主要进行了以下工作：①分析坝址区的地质条件，进行相关勘探试验，确定合理的防渗帷幕灌浆范围；②开展现场灌浆试验，对灌浆原材料材料、浆液配合比、灌浆方法、灌浆压力、防渗帷幕底线等进行复核，以获取合理的灌浆参数[5]；③结合帷幕灌浆先导孔的实施，开展物探CT检测，复核并确定帷幕灌浆沿线各主要断层、层间错动带、岩溶洞穴、裂隙密集带、强透水带的位置及规模，为有针对性地指导帷幕灌浆实施提供准确资料；④对大型岩溶管道系统进行针对性处理方案研究，确保工程安全。

结合更为深入地质探查，沿石米格暗河在右岸中层防渗帷幕轴线上游方向15 m、下游方向5 m范围内，清理暗河充填物及岩石表面钙化物、钟乳石等，设置混凝土堵头；为防止堵头混凝土与岩溶管道顶部脱空，对堵头部位增设帷幕灌浆加强孔；考虑该暗河水质优良及封堵后上游较高水头的特性，在堵头混凝土底部设置引水钢管作为生活生产用水，同时布设阀门及压力表，控制流量、监测堵头上游水压，达到多重利用的效果。另外，在顶层灌浆隧洞增设平压孔施工洞，钻孔穿至石米格暗河堵头上游，并埋设钢管引至库区作为平压用。

2.2.3实践效果

通过前期初拟、过程复核、动态调整及针对性处理，善泥坡拱坝坝体、坝基整体防渗效果优良，达到预期设计目标。监测资料显示，善泥坡拱坝集水井量水堰测值1.632 L/s，测值基本稳定。坝基总体渗压系数均较低，大部分均在0.15以内。大坝防渗帷幕幕后渗压强度实测值总体较低，均小于0.40。对于石米格地下暗河，坝顶平压孔在蓄水期间涌出约0.2 MPa的压力水，表明了该平压措施的必要性，也进一步证明了采用“堵、排、平压”处理措施的合理性。

2.3 深窄峡谷区施工、运行交通布置难点及对策

2.3.1设计难点

善泥坡坝址区分布大量的水工建筑物，如碾压混凝土拱坝、导流洞、上下游围堰、生态小厂房、帷幕灌浆隧洞等，而坝址区河谷深窄，采用明路交通的方案不可行，施工及运行期交通只能在岩溶发育地层采用隧洞布置方案。这就对坝址区的交通提出了很高的要求，既需要满足各建筑物施工期及运行期的交通要求，还需要尽量减少隧洞交通的布置，尽可能地结合利用，以降低岩溶地区地下洞室群规模。

另外，对于碾压混凝土拱坝而言，交通系统的布置对能否实现大仓面快速碾压有着较强的约束作用。一套良好的交通系统布置可以为大坝施工及运行提供极大的便利。例如，在施工期，不仅需尽量不影响拱坝的整体施工进度、方便施工，还需满足大坝基础帷幕灌浆、排水、坝体接缝灌浆、大坝观测及坝上引水泄洪建筑物启闭设备的运输、安装、调试等要求；在运行期，需满足大坝、引水、泄水等各建筑物及机电设备管理维护的人性化通道要求。

2.3.2对策措施

善泥坡坝区枢纽交通构建了“坝顶高程水平循环+中部高程水平循环+坝后竖向连接”的总体布置格局，形成了多通道的交通安全保障系统，具体为①结合坝肩窑洞开挖特点，在坝顶两岸分别布置坝顶交通洞，并通过索桥连接，形成循环式坝顶交通，同时也为两岸的坝肩开挖、坝体混凝土浇筑及两岸高高程防渗帷幕灌浆施工提供了通道。②在左岸中部830 m高程设置施工支洞，用于左岸防渗帷幕灌浆施工；右岸则充分结合导流洞施工、上游围堰施工、生态小厂房施工及运行交通、右岸中层帷幕灌浆施工，布置以导流洞施工支洞为主线、以各施工运行交通需求为支线的地下交通洞室群；两岸中部高程施工及运行交通通道由布设于大坝下游约300 m的交通桥连接，形成循环式中部高程施工及运行交通通道。③施工期利用开挖渣料铺筑临时施工道路，作为大坝底高程开挖及混凝土浇筑入仓通道，为大坝下部高程的快速施工创造了条件。④坝体交通尽量布置在坝后，在被泄洪系统占据大量空间的条件下，形成了以“高高程坝后电梯井+低高程结合中孔出口下部支撑结构”的坝后交通竖井为竖向交通；以与坝体碾压混凝土同步上升的坝后预制交通平台及坝内廊道为水平交通的立体空间交通系统。

2.3.3实践效果

该套交通系统布置在地形空间极其狭窄的条件下，巧妙地利用了各建筑物的相关关系，既能适应碾压混凝土坝快速施工、通行便利，又是坝区、坝体多通道运行的安全保障。

2.4 深窄峡谷泄洪及防裂设计难点及对策

2.4.1设计难点

善泥坡水电站工程具有洪水峰高量大、河谷深窄的特点，泄洪建筑物布置及下游消能难度大。坝址河段为“U”形峡谷河段，河谷宽度仅约60 m，泄洪建筑物需满足宣泄1 000年一遇洪水的要求，最大下泄量达6 294 m3/s，为国内外碾压混凝土拱坝泄洪规模之最。大规模的泄水结构不仅对拱坝坝体结构整体性形成较大削弱，对下游狭窄的河床消能能力提出了很高的要求，还产生了泄水结构高强度常态混凝土与拱坝坝体碾压混凝土温度应力的协调问题，加之两岸坝肩高陡边坡引起的基础强约束等影响，给善泥坡碾压混凝土拱坝防裂设计带来了极大的挑战，一旦处理不慎，将产生坝体贯穿性裂缝，形成拱坝运行的安全隐患。

2.4.2对策措施

针对大规模泄水结构对坝体的削弱溢流表孔及中孔均布置在拱坝坝身。溢流表孔采用潜孔的形式，顶部保留一定厚度的拱圈，使大坝不致由于开敞式溢流表孔对大坝的应力产生较大影响。消能措施采取“落点错开、纵横分散、水垫防护”的设计理念，3个表孔采用锥形体消能工形成分层扩散水流，中孔采用窄缝消能工形成纵向拉伸水舌，在横向和纵向分散和耗散下泄水流的能量，同时利用河床狭窄特点形成不小于20 m的消能水垫，减小了下泄水流对下游河道的冲刷。

为了防止坝体无序裂缝的产生，考虑到善泥坡两坝肩基础较陡，河床基础面积较大，基础约束较强，结合三维有限元数值模拟，形成了“4条诱导缝+1条中断诱导缝+坝踵周边短缝”的分缝布置格局。在坝体上布置4条诱导缝解决基础强约束问题及释放施工期温度应力；在拱坝中心剖面布置一条中断诱导缝解决中部泄洪坝段基础强约束区长度过长问题，为防止中断缝进一步向上扩展，影响泄洪系统的完整性，在中断缝顶高程设置并缝措施；同时为了进一步释放温度应力及改善局部水压传力方向，在大坝拱端上游面坝踵部位设置了适应碾压混凝土拱坝结构的周边短缝。

2.4.3实践效果

善泥坡水电站建成5年以来，经历了多次泄洪运行及检查，结果表明该泄洪系统运行良好，消能工未出现破损，下游两岸岸坡稳定，消能区水垫合适。说明善泥坡水电站泄洪消能建筑物结构设计简单、经济、可靠，适应了深窄峡谷地区的碾压混凝土拱坝大泄量泄洪消能特点。拱坝坝身未出现贯穿性裂缝，各结构缝缝面变形稳定，较好地实现了结构缝防裂目标。

3 结 语

善泥坡水电站于2014年建成并投产发电，距今已有5年多，经5年多的实际运行及监测数据表明，各建筑物运行均正常。工程建设秉承因地制宜、生态环保、安全可靠、动态控制、积极应用新技术的工程设计与服务理念，善泥坡水电站的建设攻克了多项技术难题。碾压混凝土拱坝采用大规模窑洞式开挖技术，克服了坝肩高陡自然边坡开挖难题，且首次采用大规模贴壁式窑洞设计，实现了拱坝建成后无坝肩人工开挖永久边坡的先例；采用立体式消能工实现了世界最大规模的碾压混凝土拱坝坝身泄洪量；采用了“封堵+平压”理念成功解决了防渗帷幕沿线大型岩溶管道的处理难题；在狭窄的空间里建立了一套既适应碾压混凝土快速施工、通行便利，又具有多通道安全保障的交通系统；通过合理的分缝防裂结构设计防止了坝体无序裂缝的发生；另外还积极应用各项先进技术，如采用三维协同设计、三维有限元全过程仿真模拟技术、坝基物探检测等技术，为设计质量提高和设计优化提供技术支持。