青海峡谷某水库混凝土面板堆石坝设计

宋磊

摘  要：青海峡谷某水库混凝土面板堆石坝，设计最大坝体高度56.5m，宽度8m，坝体上下游坡度均为1：1.4。为改善不良地形地质缺陷，本工程借鉴国内外已有混凝土面板堆石坝的成功经验，结合区域已有工程地质条件，参照混凝土面板堆石坝设计规范，采用了混凝土面板、趾板、垫层、过渡层、堆石区等筑坝技术。文章研究结果旨在为坝体设计及大坝稳定性控制提供一定的参考。

关键词：峡谷;混凝土面板堆石坝;趾板;参考

中图分类号：TV641.4+3     文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0098-03

Abstract： The concrete face rockfill dam of a reservoir in Qinghai Canyon is designed with a maximum height of 56.5 m and a width of 8 m， and the slope of both upstream and downstream of the dam is 1 to 1.4. In order to improve the bad terrain and geological defects， this project draws lessons from the successful experience of the existing concrete face rockfill dam at home and abroad， combined with the existing engineering geological conditions in the region， and referring to the design code of concrete face rockfill dam， adopts dam construction technology， such as concrete face slab， toe slab， cushion， transition layer， rockfill area and so on. The purpose of this paper is to provide some reference for dam design and dam stability control.

Keywords： canyon; concrete face rockfill dam; toe slab; reference

1 工程概况

青海某峡谷混凝土面板堆石坝位于河谷相对狭窄河段，地域属电性高原大陆气候，冬寒夏凉，无霜期短，降水量少，平均气温3.2℃，年均降水量193.9mm。水库坝址以上流域集水面积3773km2，平均径流量4.23m3/s。坝址水库主要目的是向下游农场灌区及宗加镇新增灌区提供灌溉供水，规划总灌溉面积约25.20万亩。水库正常蓄水位3405.00m，死水位3393.00m，总库容3105万m3，设计洪水位3402.9m，相应滞洪库容521.5万m3。坝址区为峡谷地形，呈“U”字型，为宽浅河谷，两岸岸坡顺直，天然坡度约30°-45°，坝址上游地区分布着广阔的沙地及戈壁，地势开阔、地形平缓，坝址区高程约3360m，坝址以上地区高程3500m-5200m。坝址区可能存在的工程地质问题，即坝基深厚砂砾石层的渗漏、沉降、渗透稳定问题和人工开挖边坡的稳定问题。大坝工程属（3）等工程，工程规模为中型，建筑物等级3级，水库坝区的地震动峰值加速度为0.20g、地震动反应谱特征周期为0.45s，相应的场地地震基本烈度为Ⅷ度。

2 方案布置设计

2.1 坝址选择

坝址比选采用相同的工程规模，即保证生态基流0.42m3/s，農业供水量7567万m3，供水保证率75%。初步选定坝址处河谷相对狭窄河段，坝段长约1km，向上、下游，河谷逐渐开阔。在此坝段选择两条坝轴线相对较短，建坝条件相对较好、枢纽布置相对简单、平顺的坝址，作为本阶段比较坝址。Ⅰ-Ⅰ坝址位于河流金水口上游约14.5km处，河谷呈“U”字型，两岸岸坡顺直，天然坡度约30°～35°，基岩地层为华力西期斑状花岗岩（γ43），河床覆盖层厚度55.5～81.7m，主要为砂砾石层。Ⅱ-Ⅱ坝址位于Ⅰ-Ⅰ坝址下游约600m处，河谷呈“U”字型，两岸岸坡顺直，天然坡度约30°～45°，局部形成陡崖，基岩地层为华力西期斑状花岗岩（γ43）、细粒花岗闪长岩（γδ42b），河床覆盖层厚度41.1～78.0m，主要为砂砾石层。

通过对比，Ⅱ-Ⅱ坝址坝轴线稍长，假若将泄水建筑物布置于右岸，土石方开挖方量较大，且溢洪道呈曲线型，施工较困难;假如将泄水建筑物布置于河道左岸，建筑物坝轴线长度虽较短，但是溢洪道和泄洪排沙洞出口消力池距坝脚较近，且消力池工程投资较大。泄洪排沙洞较短，无法与导流洞结合。Ⅰ-Ⅰ坝址右岸为凸岸，泄水建筑物布置较长，且建筑物布置平顺，出口距下游坝脚较远，不会对坝脚形成冲刷。泄洪排沙洞利用导流洞改建，可节省工程投资。综合分析，推荐Ⅰ-Ⅰ坝址为选定坝址。

2.2 枢纽布置

该工程泄洪采用泄洪排沙洞与岸边溢洪道相结合的方案，泄洪排沙洞布置在右岸，相较于布置在左岸，布置于右岸可以缩短长度、减小工程量，这样对流态也较为有利。从施工角度分析，溢洪道若布置于左岸，呈弯曲状，左岸局部地区形成陡崖，地质基础较差，且大部分地区地势陡峭，施工时较为困难;而若溢洪道布置于右岸，溢洪道呈直线型，除局部地区地势较陡外，其他各处地势较缓，施工难度较小。因此，岸边溢洪道与泄洪排沙洞均布置于右岸。

3 坝体设计

大坝坝顶高程为3409.5m，最大坝高56.5m，防浪墙顶高程3410.7m，底高程3406.5m，坝顶宽度8m，坝体上下游坡度均为1：1.4，下游坝坡上设置宽度为6m的上坝道路，混凝土面板厚0.3m，坝顶示意图，见图1。

3.1 混凝土面板设计

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》，中低坝可采用0.3m-0.4m等厚面板，结合本工程经验，堆石坝属中型坝体，设计面板厚度0.3m。面板配筋水平向配筋率0.34%，钢筋直径18mm，间距250mm;竖直向配筋率0.38%，钢筋直径22mm，间距330mm，水平钢筋放在上面，以利于施工和行走。面板用混凝土采用强度等级为C30、抗渗等级为W10、抗冻等级为F200的混凝土。面板混凝土采用二级配骨料，最大粒径4cm，水灰比小于二分之一，坍落度30-60mm，混凝土的含气量控制在4%-6%。本设计中垂直缝的间距采用12m，在两岸边坡处采用相对较窄宽度的面板，垂直缝的间距取6m。

3.2 趾板设计

该大坝设计采用平趾板布置方案，即趾板等高线垂直于趾板基准线。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》规定：岩基上趾板最小设计厚度应≥0.3m，本次设计中，趾板厚度设计为0.6m;趾板与面板连接处相互垂直，并使面板底面下特殊垫层区的厚度不小于0.9m，本次设计，特殊垫层区取2m。趾板采用顶、底双层双向配筋，每向均采用0.4%的配筋率，水平钢筋在上，纵向钢筋在下，混凝土保护层厚度为10cm。在周边缝侧的趾板混凝土中设抗挤压钢筋，防止止水周围混凝土的剥蚀破坏。趾板用混凝土采用强度等级为C30，抗渗等级为W10、抗冻等级为F200。

3.3 坝体分区设计

坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、趾板（T）、混凝土面板（F）、垫层区（2A）、特殊垫层区（2B）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游次堆石区（3C）及下游护坡（P），见图2。

（1）上游铺盖区（1A）。面板下部的上游侧设置上游铺盖区，铺盖区是用防渗土料碾压填筑或水下抛填，其作用是覆盖周边缝、趾板与混凝土防渗墙间的连接板及高程在3380m以下的混凝土面板，自动淤堵裂开的周边缝或者出现裂缝的混凝土面板，恢复防渗性能。水平宽度2m。顶部高程3380.0m，上游坡度1：1.4。

（2）盖重区（1B）。盖重区位于上游铺盖区的上面，通常采用坝址工程区内建筑物开挖填筑，目的是为了增强防渗安全。盖重区顶部宽度3m，顶部高程3380.0m，其上游坡度为1：2.5。

（3）垫层区（2A）。对于垫层料的设计，其最大粒径，不超过8cm;小于0.5cm的颗粒，应控制在35%～45%范围内;小于0.0075cm的颗粒，含量控制在3%～7%。垫层区孔隙率定为17%，级配连续。根据SL228-3.2.7条知，当采用机械化施工时，如汽车直接卸料、推土机平料的施工方式，垫层区水平宽度不小于3.0m，本次设计垫层区宽度取3.0m。

（4）特殊垫层区（2B）。特殊垫层区位于垫层区的末端，周边缝的下侧。设置特殊垫层区，均匀支撑混凝土面板，而且还可以在趾板处止水结构发生破坏时，与其附近的堵缝材料和水库的泥沙共同发挥堵漏的作用，是周边止水处的第二道防线。其段面近似梯形，下游坡比1：1.4。

（5）过渡区（3A）。过渡区的过渡料的设计中，过渡料的粒径级配和密实度，要求位于垫层料和堆石料两者之间;大颗粒粒径，不超过30cm;小于0.5cm的颗粒，含量控制在12%～25%范围内;小颗粒粒径，要大于0.1mm。过渡料的粒径级配要连续，不允许出现某一粒径缺失的现象，孔隙率定为20%。抗剪强度要高、压缩性要低，这是压实后的过渡料的基本要求。根据SL228-3.2.8条，为满足施工要求，過渡区的水平宽度不小于3m，本次设计过渡区水平宽度取4m。

（6）主堆石区（3B）。主堆石区位于坝轴线的上游部位。主堆石区的堆石料，其最大颗粒粒径，与施工中设计的压实厚度有关，要小于压实层的厚度;20%是小于0.5cm 粒径的上限含量;5%是小于0.0075cm粒径的上限含量;孔隙率定为22%。混凝土面板堆石坝的稳定性，离不开主堆石区的支撑，在压实后的堆石料，应具有自由排水性能、较高的抗剪强度和较低的压缩性。

（7）下游次堆石区（3C）。次堆石料位于主堆石区下侧。次堆石料的设计中，颗粒的粒径级配也要求连续，80cm是颗粒的上限粒径;35%是小于0.5cm粒径的上限含量;8%是小于0.0075cm的颗粒上限含量;下游次堆石区的孔隙率应与主堆石区的孔隙率相近，定为23%。

（8）下游护坡（P）。下游护坡用以保护坝体下游的坡面，增强坝体的抗滑稳定性。下游护坡采用干砌石护坡，砌石材料选用抗风化能力强的花岗岩，填筑厚度为1.5m。

4 结束语

混凝土面板堆石坝抗震性能好，不会因为地震产生孔隙水压力，对地形和地质具有良好的适应能力，施工简便，受气候影响较小，坝坡稳定性好，坝体渗透性好，几乎不受渗透力影响。坝体设计中，应当充分综合已有条件，降低工程施工难度，确保工程质量。在坝体设计完成后，必须进行必要的渗流分析和坝体稳定性分析，对坝体设计进行稳定性评估，以便为坝体渗流损失及发生失稳事故提供重要数据支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.SL228-2013混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[2]王恩辉.新疆狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计[J].西北水电，2015（1）：38-41.

[3]关志诚.混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2015.