青山冲水库混凝土面板坝设计

张龑 刘春锋 王佩珏

1 工程概况

青山冲水库位于贵州省玉屏县城西北部混寨河上，工程任务为向玉屏县城供水、农村人畜供水和农田灌溉。水库正常蓄水位443.5 m，相应库容为1 208 万m3，校核洪水位445.27 m，相应库容为1 287万m3。县城供水人口8 万人，农村人饮供水人口1.075 2 万人，灌溉面积703.13 hm2（1.054 7 万亩）。

本工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，由首部枢纽和输水工程组成。首部枢纽包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水放空系统等。拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程446.40 m，最大坝高83.90 m，坝顶长246.00 m。

2 坝址地形地质条件

坝址区河谷呈V 形，河床地面高程368～385 m，主河槽宽8～12 m。两岸山体较浑厚，植被茂密。左岸边坡下部较陡，自然坡度在40°～50°，基岩部分出露，上部地形稍缓，覆盖层为坡残积（Q4dl+el）碎石土，厚度为0.5～7.5 m，局部地段覆盖层较厚，覆盖层厚度达到11.0 m；右岸边坡相对略缓，坡度为30°～40°，局部较陡，基岩裸露，表层多为坡残积碎石土，厚度为1.0～2.5 m，局部地段覆盖层厚度可达8.5 m。

坝址区部分区域基岩裸露，基岩为寒武系下统杷榔组（∈1p）砂质页岩，属较软岩；坝肩稳定性较好，岩体透水性为中等-微透水性，坝址右岸发育两条断层，规模不大。

3 混凝土面板堆石坝设计

3.1 坝体剖面设计

混凝土面板堆石坝坝顶高程446.4 m，防浪墙顶高程447.6 m，坝顶宽6.5 m，坝顶长246.0 m，最大坝高83.9 m，上游坝坡坡比为1∶1.406，下游坝坡局部坡比为1∶1.35；坝后“之”字形上坝公路，坡比8.0%，下游坡综合坡比1∶1.67；混凝土面板厚度按0.3+0.0035H（m）计算确定（H为计算断面至防浪墙底部的垂直距离），河床部位趾板置于弱风化层上部，两岸上部趾板置于强风化层中部，趾板厚度按2∕3 坝高以上和以下部分分别为0.5 m 和0.8 m，宽度分别为5 m 和8 m。

3.2 坝体分区及填筑设计

3.2.1 坝体分区设计

坝体典型剖面图示意如图1 所示。

图1 坝体典型剖面示意图

1 区：含1A（上游铺盖区）和1B（上游盖重区）。上游坝面385.0 m 以下设置了1A（上游铺盖区）铺盖区，用粉煤灰和粉细砂等低黏性料填筑，铺盖顶宽4 m，上游坡1∶1.6。铺盖上游设盖重区1B，采用开挖石渣填筑，顶宽4 m，上游坡1∶3.0。

2 区：含2A（垫层区）和2B（特殊垫层区）。垫层区直接位于面板下游侧，水平宽3.0 m。在周边缝下游侧垫层区内设特殊垫层小区，作为对上游铺盖（1A 区）的反滤层。控制孔隙率15%。

3 区：含3A 过渡区、3B 主堆石区、3C 下游堆石区、3F 下游坝基排水区和P 下游块石护坡。3A过渡区水平宽度5 m。3B 主堆石区位于过渡料下游，是面板堆石坝的主体，是承受水荷载的主要部分。3B 区上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5。3C 下游堆石区位于主堆石区下游侧，由于远离面板，只是用于维持对下游坝体的稳定。下游块石护坡厚0.5 m。下游坝基排水区3F 位于主堆石下游侧、下游堆石区以下，顶高程375.0 m。

3.2.2 坝体填筑设计

垫层料：水平宽度3 m，设计干密度2.22 g∕cm3，孔隙率18%，控制最大粒径80 mm，小于5 mm 颗粒含量不低于40%（宜为40%～50%），小于0.075 mm的颗粒含量小于8%（宜为4%～8%），级配连续。压实后的渗透系数为1×10-3cm∕s。

过渡料：水平宽5 m，选用料场开采灰岩料，要求强度指标与垫层料相同，设计干密度2.20 g∕cm3，孔隙率19%，控制最大粒径300 mm，小于25 mm的含量不大于50%，小于5 mm 颗粒含量20%～30%，小于0.075 mm 的颗粒含量小于5%，级配连续。压实后的渗透系数为1×10-2cm∕s。

主堆石区：设计干密度2.17 g∕cm3，孔隙率20.0%。控制最大粒径800 mm，小于25 mm 的含量不大于35%，小于5 mm 颗粒含量6%～15%，小于0.075 mm 的颗粒含量小于5%，级配连续。压实后的渗透系数为1×10-1cm∕s。

下游堆石区：采用溢洪道开挖的弱风化料和料场灰岩料填筑。设计干密度2.08 g∕cm3，孔隙率21.0%，控制最大粒径800 mm，小于0.075 mm 的颗粒含量小于5%，小于5 mm颗粒含量小于5%，级配良好。

坝基排水区：采用料场灰岩料，设计干密度2.12 g∕cm3，相应的孔隙率22.0%。控制最大粒径800 mm，小于25 mm 的含量不大于35%，小于5 mm颗粒含量6%～15%，小于0.075 mm 的颗粒含量小于5%，级配连续。压实后的灰岩块石的渗透系数不小于1×10-2cm∕s。

坝体填筑料设计级配曲线如图2 所示。

图2 坝体填筑料设计级配曲线

3.3 防渗面板设计

防渗面板设计混凝土特性指标见表1。

表1 面板混凝土特性指标表

钢筋混凝土面板顶部厚度为0.3 m，以下随面板高度增加而加厚，相应高度处面板厚度根据SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》，采用下式计算：

式中t——面板厚度，m；

H——计算断面至面板顶部的垂直距离，m。

计算最大板厚0.58 m，底部最大水力梯度138.8。防渗面板上游侧坡比采用1∶1.406，下游侧坡比为1∶1.4。防渗面板内布置单层双向钢筋，钢筋为Φ20 mm，间距200 mm。在拉应力区、岸边周边缝附近及临近周边缝的垂直缝附近按双层筋加强配置。

为适应坝体变形，对面板进行分缝。根据地形地质条件及类似工程经验，在两坝肩附近的面板内设张性垂直缝，其余部位的面板内设压性垂直缝。受压区的面板缝距为15 m，两岸边受拉区面板缝距一般为10 m。

3.4 趾板设计

趾板基础主要为砂质页岩，为CⅣ类岩体，层状结构，岩体较完整，局部较差。为适应坝基变形，将趾板置于弱风化层上部岩体。

趾板采用平趾板，“X”线垂直于趾板面等高线。趾板的最小宽度3 m，最大水头81.95 m，趾板建基面为弱风化砂质页岩，考虑河床趾板上游设置有上游铺盖区和石渣盖重区，河床趾板宽度按最大承受1∕10 倍水头设计。趾板宽度按2∕3 坝高以下、2∕3 坝高以上分别取为8 m 和5 m，并在趾板后设置15 m 宽的C25 聚丙烯纤维混凝土。聚丙烯纤维混凝土厚30 cm。趾板厚度按2∕3 坝高以下、2∕3坝高以上分为0.8 m 和0.5 m。趾板布置Φ25 mm 锚筋，锚筋长5 m，间距1.5 m 和2 m，排距2 m。趾板混凝土表面设置2 层双向钢筋。

3.5 接缝与止水设计

面板垂直缝有分为压性垂直缝和张性垂直缝，垂直缝在距离法线方向1.0 m 范围内，垂直于周边缝布置。

面板垂直缝、周边缝及面板与防浪墙间的水平缝均设上下两道止水，顶部为柔性填料，PVC 棒，底部为铜片止水，铜片止水下设垫片和沥青砂垫。周边缝顶部的柔塑性填料与垂直缝的柔性填料相连接，底部的铜片止水与垂直缝底部的铜片止水连接，各自形成封闭的止水系统。岩基上的趾板连续浇筑不分缝，可根据施工情况设置施工冷缝，在趾板转弯处、变坡部位设置过渡段平顺连接。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 坝基和坝肩处理

大坝趾板坐于弱风化岩体上。根据河床覆盖层特征，大坝中下部填筑区将覆盖层及松动岩体全部清除，两坝肩填筑区以基岩作为基础，清除表部坡残积碎石土。

帷幕灌浆布置在趾板中部，设帷幕灌浆孔1排，垂直钻孔，孔距2 m。防渗帷幕深度在河床部位和左坝肩为28 m，右坝肩为30 m，以透水率3 Lu为控制指标。左、右坝肩均延伸至正常蓄水位与地下水位相交处。

趾板范围内基岩均进行固结灌浆，固结灌浆与帷幕灌浆结合布置。在帷幕灌浆线的上、下游各布置1 排固结灌浆孔，孔距2.0 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，间距1.5∕2 m、排距2.0 m。