天花板碾压混凝土拱坝设计特点

苏 岩，王毅鸣，林健勇

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内，是金沙江一级支流牛栏江梯级开发的第七级，坝址距昭通市80 km，厂址位于坝址下游约3.3 km处，是一座以发电为主的水电工程。

坝址位于天花板峡谷进口段，两岸地形陡峻，平均坡度为60°～80°， 河谷呈 “U” 形。 坝址基岩为震旦系东龙潭组粉晶白云岩和富藻粉晶白云岩，岩层平缓，倾向上游，单轴饱和抗压强度36～70 MPa，为中硬岩。右坝肩主要发育有陡倾角断层f11、f15，对抗滑稳定有不利影响，需进行工程处理；左坝肩主要为顺河向垂直裂隙，需作处理。天花板峡谷具有良好的修建拱坝的地形地质条件。

天花板水库正常蓄水位1 071.00 m，死水位1 050.00 m，水库总库容0.787亿m3，最大设计坝高107.0 m。电站总装机容量180 MW，保证出力43.5 MW，多年平均年发电量8.295亿kW·h，年利用小时数4 608 h。天花板水电站主要由碾压混凝土拱坝、右岸引水隧洞及地面发电厂房等建筑物组成。工程为三等中型工程，主要建筑物按3级建筑物设计，坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。

工程于2004年开展前期设计工作，2007年12月30日实现大江截流，2011年2月底首台机组并网发电。

2 采用适应地形条件的坝型

天花板水电站坝址处河床狭窄呈 “U”形 ，河面宽30～40 m，正常蓄水位河谷宽约110 m，两岸山体雄厚，岸坡陡峻，无适合布置溢洪道的地形条件。两岸岩性为白云岩，岩层平缓，倾向上游，岩石条件好，适合修建拱坝。但由于温控和抗裂要求，传统的常态混凝土拱坝需分块跳仓浇筑，其施工分缝、封拱灌浆、温控措施均较为复杂，难以加快施工进度，而碾压混凝土拱坝具有施工速度快、水泥用量少、水化热温升低、施工工艺简单等特点，对于百米级的大坝也有许多实践经验，因此，天花板大坝采用碾压混凝土双曲拱坝坝型。

根据坝址处地形地质条件，选择拋物线、椭圆、对数螺旋线3种拱坝拱圈形式进行了比选，虽然在满足规范要求的应力控制标准的前提下，对数螺旋线和椭圆拱坝的满应力水平较高，工程量小，设计比较先进，但考虑天花板坝址两坝肩持力岩体不甚雄厚，尤其左坝肩下游侧卸荷裂隙较发育、地形呈倒喇叭形，为使拱端推力更好地向山里偏转，使坝肩获得更好的稳定性和不敏感性，应当力求使拱形扁平化，使拱端推力角小一些。由计算可知，拋物线拱坝左坝肩推力角要小一些，坝肩抗滑稳定性能最好，安全储备较大，且抗震性较好，因此天花板拱坝拱形选择拋物线拱。

天花板拱坝的体形为抛物线型双曲拱坝，最大坝高107.0 m，坝顶高程1 076.80 m，最低建基面高程969.80 m，坝轴线长159.87 m，拱冠梁顶宽6.005 m，拱坝最大中心角93.3°，拱冠梁底宽22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。坝体混凝土总量27.3万m3，其中碾压混凝土约20.2万m3，强度等级为C18020；常态混凝土约7.1万m3，强度等级为C2825，局部高强耐磨常态混凝土强度等级为C9040。因坝址处岸坡陡峻，泄洪消能采用坝身泄洪方式，3个表孔、2个中孔和1个排沙孔相结合布，泄洪轴线处溢流前沿总长度67.50 m。

3 根据地质条件选择坝肩开挖方式及坝基建基面高程

根据天花板大坝两坝肩的地形地质条件，两坝肩采用不同的开挖方式。

左坝肩岸坡陡峻，强风化层较浅，岸坡自身稳定条件较好，为避免大范围开挖及由此产生的高边坡，对左拱肩槽采用窑洞式开挖方式。首先清除表层风化及卸荷岩体，在弱风化岩体中采用窑洞式掏挖；窑洞洞脸以上边坡为1∶0.2。窑洞开挖时利用左岸1 076.80 m高程的交通洞一直掘进到河岸临空面，然后按要求从上至下进行坝基开挖，坝顶高程处窑洞段洞身长9 m，开挖宽度为10 m，净宽8 m，净高6.32 m，洞口段设有锁口锚杆和钢筋混凝土衬砌。窑洞开挖体形控制为：自坝顶1 076.80 m高程以下按拱坝体形厚度，两侧各预留100 cm作为坝体混凝土浇筑支模空间，窑洞式开挖范围为从坝顶至969.8 m高程。

左坝肩由于采用窑洞式开挖，大大减少了开挖工程量，有效降低了开挖边坡高度，最大开挖坡高约57 m。采用窑洞式开挖对坝肩岩体影响较小，有利于拱坝坝肩及坝体稳定。

右坝肩岸坡略缓，且右拱端上游35 m处布置有电站进水口，结合引水系统进水口及其与坝肩连接路的开挖，尽可能地控制开挖坡比和高度。坝顶高程以下右拱肩槽内岩体相对较为破碎，f15断层从坝肩拱端近轴线方向穿过，同时分布有一系列陡倾角的f27、f34断层等，完整性较左坝肩要差。为了减少高边坡开挖以及对拱座持力体的扰动，右拱肩槽采用槽挖方式。在清除开挖影响范围内的表层覆盖层和岩面表层松动不稳定体及风化程度较强的部位后，依照拱圈体形，两边缘各留1 m进行开挖，槽挖部分高度为30 m左右。

天花板大坝原设计建基面高程为963.8 m，大坝高113.0 m。随着大坝基础开挖的揭露，至969.8高程附近岩石完整性良好，达到II～III类岩石水平，结合声波测试成果，确定已开挖的坝基岩体质量经工程处理后可基本符合修建百米级高坝建基面的要求；再经过坝体应力分析，在基本不调整拱坝体形的前提下，抬高建基面高程6 m，能满足大坝应力要求。因此，天花板拱坝建基面高程抬高至969.8 m。

对拱坝坝肩开挖方式和拱坝建基面的优化设计，减少了施工难度和工程量，为天花板水电站顺利施工创造了良好条件。

4 采用有利于施工的拱坝结构分缝方案

天花板拋物线双曲拱坝最大坝高107.0 m，坝顶上游面弧长159.87 m，根据拱坝应力分析成果和工程实际，采用了诱导缝和横缝组合方案。为充分发挥碾压混凝土快速施工的优越性，坝体不设施工缝，采用整体、薄层、通仓、全断面碾压浇筑，只在坝体可能产生裂缝的部位设置了两条诱导缝，1号诱导缝位于1号表孔左侧，2号诱导缝位于排沙孔右侧。诱导缝采用径向布置，将坝体分成3段，从左至右各坝段的间距 （沿上游面弧长）分别为42.65、78.55、38.56 m。诱导缝采用混凝土预制块形成，使其在坝体同一断面上预先形成若干个人造缝隙，削弱该断面的有效受拉面积，在混凝土预制板内设置重复灌浆系统，诱导缝上游侧安装铜止水和橡胶止水各一道，下游侧安装一道橡胶止水，上下游橡胶止水兼作封拱灌浆的止浆片。

在坝体混凝土浇筑至978.45 m高程以后，因进行大坝基础固结灌浆而形成了长间歇层，此时正值进入高温季节，该部位混凝土也还处于基础强约束区，温控仿真计算结果显示，979 m高程及以上部分坝体施工期温度应力处于高拉应力水平，存在开裂的风险。通过分析研究，在979～1 027 m高程之间、位于泄洪中心线偏左3 m的位置增设一道横缝，采用径向布置。两条诱导缝及一条横缝将坝体分为4段，1 027 m高程处上游侧长度由左至右分别为35.49、38.15、56.15、26.45 m。横缝内预设重复灌浆系统，横缝上游侧设铜止水和橡胶止水各一道，下游侧设一道橡胶止水，上下游橡胶止水兼作封拱灌浆的止浆片。

为减小施工干扰，坝体内部不设置竖井，只在979.00、1 010.00、 1 027.00、1 042.00 m高程设置4层纵向水平廊道，以满足基础灌浆、坝体排水、观测检查、交通等要求，而将集水井和吊物井布置于坝后2号表孔悬臂之下作为支撑。

5 坝体材料优化及碾压混凝土自身防渗

为了降低水化热温升对坝体应力的影响，简化温控措施，根据天花板大坝混凝土材料的特点，对坝体混凝土进行了大量的试验分析，并根据现场碾压试验，采用了高掺粉煤灰和低水泥用量的碾压混凝土筑坝。C20二级配碾压混凝土水泥用量为82 kg/m3，掺55%的粉煤灰；C20三级配碾压混凝土水泥用量为57 kg/m3，掺65%的粉煤灰；水泥为普通硅酸盐水泥，碾压混凝土设计龄期为180 d；三级配碾压混凝土抗冻等级为F50。对大坝溢流面采用了HF高强抗冲耐磨C9040W8F100混凝土。

天花板碾压混凝土拱坝以三级配碾压混凝土作为坝体主体结构，在上游面以二级配富胶凝材料碾压混凝土作为防渗层，二级配防渗混凝土底部厚5 m （969.85 m高程），顶部厚1.8 m （1 075 m高程）两坝肩与基岩接触面部位采用1 m厚等强度变态混凝土，上下游表面采用0.5 m厚等强度变态混凝土。除此之外，大坝未采用任何防渗材料。

6 采用适应地形条件的泄洪消能方案

为了减少施工干扰，保证坝体混凝土浇筑快速碾压上升，应尽量减少坝体孔洞设置。但天花板水电站设计洪水流量大，校核洪水流量达5 650 m3/s，若在两岸设置泄洪洞非常不经济，只能采用坝身泄洪方式；而天花板大坝坝址处河谷狭窄，正常蓄水位高程河谷宽度仅110 m，集中布置5个泄洪表孔非常困难，且对下游河床的消能冲刷十分不利。经多方案的泄洪建筑物布置比较，天花板水电站泄洪建筑物采用坝身三层泄洪布置方式。坝址处河床宽度约为30～40 m，水库调蓄后最大下泄流量为5 046 m3/s，泄洪最大水头为69.57 m，相应的下泄功率约为3 500 MW，属于典型的窄狭谷、大泄量，坝后消能问题严峻。设计时按照 “水舌平面分散、纵向分层拉开、总体入水归槽”的思路，合理选择水舌入水宽度，最大限度地分散水舌；使水舌沿纵向拉开，以减少消能区单位面积的消能功率、减小下游冲坑深度。

根据地形条件，并经水工模型试验验证，泄洪建筑物采用坝身相间的 “三溢流表孔、两泄洪中孔、一排沙孔”的布置方案，溢流前沿总宽67.5 m。泄洪中心线走向与河道走向一致，与拱坝中心线不重合，两者存在4.3°的夹角。溢流表孔堰顶高程1 062.50 m，孔口宽10 m，1、3号表孔挑角为10°，鼻坎高程1 050.636 m；2号表孔俯角为9°，鼻坎高程1 046.364 m。泄洪中孔采用有压长管式布置，进口底板高程1 020.00 m，出口断面尺寸5 m×6.5 m（宽×高），出口挑角均采用平底式，即挑角为0，尾坎采用窄缝式异型鼻坎。排沙孔进口高程1 025.00 m，孔口尺寸为2 m×4 m （宽×高），为保证发电进水口 “门前清”，排沙廊道设在进水口前缘，廊道孔口尺寸为3 m×4 m （宽×高），进水口前廊道段顺水流方向设有7个侧向进流孔，孔口尺寸为3.5 m×2.5 m（宽×高）。

7 充分利用地形条件采用短护坦长护岸方案

由于天花板拱坝下游河床狭窄，岩石完整性较好，泄洪时下游水位较高、水深较大，加上大坝泄洪建筑物泄水挑距较远，利用泄洪自然冲坑形成水垫塘能满足泄洪消能的需要，经水力学计算和水工模型试验，决定不设置二道坝和水垫塘，为了防止小流量对坝脚的淘刷，仅设置了短护坦以保证大坝基础安全。护坦布置在坝体下游紧接大坝处，顺河向长40 m，两侧与左右护岸采用贴坡式挡墙相接。护坦顶高程973 m，厚3 m，分块长度以不超过10 m为原则。为防止冲刷，在护坦下游末端处设深齿槽，齿槽底高程966 m。混凝土护坦采用碾压混凝土施工工艺，底部1 m采用二级配C18020W8F100常态混凝土找平，表层2 m采用二级配C18020W8F100碾压混凝土。

根据坝体下游左右岸具体的地形地质条件，对两岸强雾化分布区进行了不同的防护设计。左岸岩体条件较好，在下游校核水位1 007.04 m以下布置了贴坡式混凝土边墙，一直到下游倒喇叭口f5出露处，长约60 m；右岸岩体条件较差，需对f15、f11断层区加强支护，除提高近坝区贴坡式混凝土边墙高程外，还将边墙一直延伸至下游f11断层出露处，长约70 m。

8 结语

天花板水电站碾压混凝土双曲拱坝设计中，总结了国内外坝工建设的实践经验，运用许多先进的科学技术手段和设计方案，选择适合地形地质条件的坝型，优化了拱坝拱圈体形，经多方案比选，优化了坝身泄洪建筑物结构布置形式，优选适合的坝肩开挖方式和坝基处理方案，选择了先进的拱坝混凝土配合比和大坝防渗形式。这些先进的大坝设计理念和措施，有效地保证了拱坝施工质量和工程进度，降低了工程投资，保证了工程的顺利开展。