赫章县新寨水库混凝土面板堆石坝设计与实践

王 瑞,张 斌,曾树元,张东栋

(1中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081;2中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司,贵州 贵阳 550081)

混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构,在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝,具有对不同地基条件适应能力强、对基础承载力要求低、施工快、周期短、结构安全可靠等特点,在实际工程中得到了广泛的应用与发展。混凝土面板堆石坝具有较好的抗滑稳定性[1],很少发生堆石体失稳而破坏的问题,在坝坡稳定方面,常用的坡比是1∶1.3～1∶1.4,大大低于堆石体的内摩擦角,且堆石体多为自由排水料,堆石体内浸润线及空隙水压力较小,对大坝的整体稳定较好。混凝土面板堆石坝坝体结构分区材料颗粒粒径自上游向下游逐渐增加[2],形成反滤体系,在渗透水流通过时,不会发生细小颗粒被带走的现象,避免管涌等渗透破坏现象的发生[3]。混凝土面板堆石坝坝体料采用分层碾压施工工艺,坝体沉降变形较小,且在施工期已发生绝大部分的沉降变形,可以保证后期混凝土面板与其后堆石体的变形协调,避免面板因坝体沉降过大产生脱空、开裂。另外,混凝土面板堆石坝可以充分利用开挖可利用石料及当地材料,采用混凝土材料较少,受外购材料供应和运输等条件制约较小,可以节约工程投资,加快施工进度。

由于混凝土面板堆石坝不能坝身导流或者泄洪,常于大坝一侧设置导流洞以满足施工期导流度汛的需要,并设置岸边溢洪道以满足运行期防洪度汛的需要[4],同时,为满足水库取水、放空的功能,还需在库内设置取水以及放空建筑物,如此以来,会导致大坝枢纽区建筑物布置较为紧凑,甚至出现相互干扰的情况。另外,与重力坝、拱坝等刚性坝相比,混凝土面板堆石坝坝体坡度较缓,填筑方量也较大,而堆石体若达到可以自由排水要求则需要采用硬岩石料,对开挖的一般石料利用率较低,不利于节省工程投资。因此,有必要结合工程实际应用,对混凝土面板堆石坝的枢纽布置、材料分区、结构设计等方面进行详细的介绍,为混凝土面板堆石坝的推广应用提供借鉴。

1 工程概况

新寨水库位于贵州省赫章县东北部,地处河镇彝族、苗族乡马家寨德卓河上游河段,坝址距河镇乡约8.2 km,距赫章县约104.6 km。新寨水库推荐坝址以上集水面积为10.28 km2,主河道长5.7 km,加权平均坡降为32.5‰,多年平均径流量414.1万m3。水库枢纽工程包括:挡水、泄水、取水兼放空建筑物以及供水系统,水库校核洪水位2124.27 m,总库容235.03万m3。大坝为混凝土面板堆石坝,最大坝高39.50 m,坝顶高程为2124.50 m,溢洪道布置在左岸坝肩,堰型采用WES堰,溢洪道设置1孔,单孔宽7 m,溢流堰堰顶高程2122.00 m。新寨水库主要工程任务是供水与灌溉,工程等级为Ⅳ等,工程规模属小(1)型水库。

2 坝址区工程地质条件

坝址河段位于冲沟R1上游约80 m处,河谷呈“V”形,两岸地形呈不对称状。右岸地形陡缓相间,下段地形坡度约43°,上段地形坡度总体较缓,约28°。坡脚处基岩出露,岸坡上部多出露覆盖层,多为梯土,种植有农作物。左岸地形坡度陡峭,总体坡度约53°,在2160 m高程以上段为斜坡地形,自然坡度约30°～40°。左岸坡体基岩出露,植被覆盖良好。坝址河段两岸山势较为雄厚,左岸坡峰顶高程约2179 m,右岸峰顶高程约2248 m,谷底高程约2088 m,河谷深切约91～160 m。

坝址区基岩地层为三叠系下统飞仙关组上段(T1f2),岩性为紫红色至灰紫色中厚层粉砂岩夹薄层泥岩。根据现场调查,坝址左岸基岩多裸露;坝址右岸基岩零星出露,仅坡脚处见其露头。坝址区内构造结构面以层面、裂隙为主,属Ⅳ、Ⅴ级结构面,除层面连续性好外,裂隙延伸长度一般不大,其贯穿切割性较差,但裂隙多为泥质填充,软弱结构面局部较发育。溢洪道沿线地形坡度30°～40°,多为基岩出露,覆盖层零星分布,厚度较薄,为0～1 m,基岩为三叠系下统飞仙关组上段(T1f2)粉砂岩夹泥岩。

3 枢纽区建筑物优化布置

3.1 大坝体型优化

考虑到料场以及大坝溢洪道开挖可利用料均为粉砂岩夹泥岩,虽强度可以满足工程填筑石料要求,但其泥岩含量偏高,且难以筛分,粉砂岩夹泥岩碾压密实后,排水效果较差,为降低运行期大坝浸润线,保证大坝的安全,与常规混凝土面板堆石坝相比,本工程材料分区在过渡区以及主堆石区之间增设了L型灰岩排水堆石区“排水烟囱”,可以将坝内渗水自灰岩排水堆石区快速排出,降低坝体浸润线,降低了对主堆石排水能力的要求,取消了次堆石区,可以将料场开采料以及大坝左岸溢洪道开挖可利用料直接上坝,简化施工步骤,加快施工进度。

3.2 溢洪道布置

为节省工程投资,方便水库运行,采用不设闸门的开敞式溢洪道的泄洪方式,溢洪道正向进水经溢流堰接陡槽泄洪。坝址区右岸覆盖层较深,右岸下游有R1冲沟,因此在右岸布置溢洪道线路较长,开挖料利用率极低,且河道在坝后弯向左岸,考虑到溢洪道出口水流归槽,溢洪道布置在左岸坝肩附近,且左岸基岩出露,开挖料利用率较高,节省工程投资。

3.3 导流及取水放空建筑物布置

根据现场地形地质条件,本工程考虑将导流洞、取水建筑物、放空建筑物及生态流量下放设施四者结合布置,可以解决以上建筑物分别单独布置或者部分组合布置增加建筑物布置难度、工程量、施工工期以及工程投资的问题,最大限度地利用已建导流洞,在保证工程导流、放空、取水以及下放生态流量的同时,简化工程布置,方便施工,大大减少工程量及施工工期,节省工程投资,而且方便了后期的运行管理[5]。

4 混凝土面板堆石坝设计与实践

4.1 大坝枢纽布置

大坝枢纽布置由混凝土面板堆石坝+左岸溢洪道+左岸导流兼取水放空洞+供水建筑物等组成。

图1 大坝枢纽区平面布置图

4.2 大坝坝体及材料分区设计

结合混凝土面板堆石坝设计规范及类比工程经验,拟定坝体上、下游坝坡均为1∶1.4,从上游到下游坝料变形模量依次递减,以保证蓄水后坝体变形尽可能小,从而确保面板和止水系统运行的安全可靠性,各区之间满足水力过渡要求,从上游至下游坝料的渗透系数增加,相应下游坝料应对其上游区有反滤保护作用。坝体分区从上游到下游依次为上游石渣盖重区、上游粘土铺盖区、钢筋混凝土面板、垫层区、过渡区、灰岩排水堆石区、主堆石区以及下游框格梁覆土植草护坡。

图2 大坝典型剖面图(单位:cm)

4.3 左岸溢洪道设计

溢洪道由进水渠段、控制段、泄槽段和消力池段组成。进水渠底板高程2120.50 m,两侧导墙厚1.0 m,墙顶高程2124.50 m,进水渠长度约27 m。控制段溢流堰采用WES型式,单孔布置,净宽7 m,堰顶高程2122.0 m,不设闸门。泄槽段净宽7 m,底板厚度0.5 m,边墙厚度0.5 m,泄槽上游靠近溢流堰坡比1∶20,靠近下游消力池坡比为1∶1.5,两段陡坡采用抛物线相连,泄槽边墙高度1.5 m。泄槽末端设置出口消力池,消力池底板高程2081.50 m,导墙顶高程2086.00 m。

图3 溢洪道典型剖面图(单位:cm)

4.4 导流兼取水放空洞设计

取水及放空建筑物利用左岸导流洞改建而成,由取水塔、取水隧洞、取水兼放空管及导流洞出口闸阀室组成。取水塔布置在溢洪道引渠上游侧开挖平台上,取水塔采用渐变段与DN820取水兼放空钢管相接,取水兼放空钢管通过水平段、转弯段及竖井段接入导流洞内,穿过永久堵头后于导流洞内明管布置,在导流洞出口设置闸阀室,闸阀室内取水兼放空钢管上设置有岔管接取水管及生态流量管。

图4 导流兼取水放空隧洞剖面图(单位:cm)

4.5 细部结构设计

(1)坝顶设计

考虑面板堆石坝坝体填筑施工的需要和坝顶结构布置、交通要求等,确定坝顶宽度为6 m。为减少坝体工程量,降低工程造价,坝顶上游侧设倒“T”型防浪墙,墙高2.5 m,防浪墙上游底部设置1.0 m宽的观测平台,以便检查行走。

(2)混凝土面板分缝设计

根据规范要求,并参考其他国内外工程经验,面板厚度取为等厚40 cm。为了保证混凝土面板的整体性和防渗效果,面板按12 m的宽度进行垂直分缝,两坝肩附近的面板设张性垂直缝,其余部分的面板设压性垂直缝,共11条,其中3条面板压性缝,8条面板张性缝,面板总块数为12块,不设水平施工缝。在面板的中上部设置单层双向钢筋,以承受混凝土温度应力和干缩应力,在面板拉应力区或岸边周边缝附近适当配置增强钢筋。

(3)混凝土趾板设计

趾板承受的最大作用水头约为40 m,根据规范要求,趾板宽度不宜小于3 m,为了方便开挖,趾板宽度统一取为4.0 m,趾板下游10 m范围的水平防渗段设置钢筋网喷混凝土以形成水平辅助防渗层,结合面板厚度综合考虑,趾板厚度取0.4 m。

(4)接缝止水设计

大坝面板、趾板及防浪墙根据结构布置,分别设置有周边缝、面板垂直缝、防浪墙横缝、面板与防浪墙间缝,各结构缝均按照规范要求设置连续密封的止水系统。

(5)溢洪道基础排水设计

为有效地排出溢洪道底板、岸坡及衬砌接缝的渗透水流,充分降低溢洪道底板扬压力,避免水流渗透破坏,溢洪道每隔10～15 m设置一条横缝,缝内设置铜片止水,并在溢洪道轴线布置一道纵向排水盲沟,泄槽各横缝位置布置一道横向排水盲沟。

5 结语

新寨水库工程为方便施工,节省工程投资,并保证大坝施工期及运行期的安全,结合工程实际情况,对大坝坝体结构、溢洪道、导流兼取水放空洞等进行了优化设计,工程目前已安全蓄水,主要结论如下:

1)中小型混凝土面板堆石坝可以考虑设置“排水烟囱”,降低坝内浸润线,降低对主堆石料的材料要求,提高对开挖可用料的利用率,并取消次堆石区,简化施工工艺。

2)岸边溢洪道位置的选择应与地形地质条件紧密结合,合理设置引渠段、控制段、泄槽段、出口段等结构型式。

3)导流洞设计应优先考虑永临结合,充分利用已建导流洞进行工程的放空、取水以及下放生态流量,简化工程布置,方便施工,缩短施工工期,减少工程量及工程投资。