柏叶口水库混凝土面板堆石坝设计与施工

范世平

（山西省柏叶口水库建设管理局 太原 030002）

1 工程概况

柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县会立乡柏叶口村上游的文峪河干流上，其下游有己建成的文峪河水库，是一座以城市生活和工业供水、提高文峪河水库防洪为主，兼顾提高现有灌区的灌溉保证率、发电等综合利用的中型水利枢纽工程。水库总库容9 712万m3。

水库枢纽由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和电站组成。拦河大坝采用混凝土面板堆石坝，从坝底的最低趾板底算起的最大坝高88.3 m。

柏叶口水库于2009年4月21日开工奠基建设，2009年11月6日导流泄洪发电洞开挖贯通，2010年3月17日大坝截流，2010年4月24日开始进行坝体堆石料填筑，2010年11月20日大坝填筑至防浪墙底高程。

柏叶口水库由山西柏叶口水利工程有限公司实施建设，水利部山西水利水电勘测设计研究院设计，大坝由山西省水利建筑工程局中标施工。

2 大坝设计

2.1 工程地质条件

工程区位于文峪河中上游，大部分河谷较为开阔，河谷断面呈“U”型。两岸群山连绵，沟谷发育。坝址区岸坡陡峻，河谷两岸冲沟切割较深。区内大面积出露下太古界界河口群变质岩，岩性以混合花岗岩、变粒岩为主。河床覆盖层主要为卵石混合土、混合土卵石层。

区内断层及节理裂隙发育，区域主应力场方向NW～SE向。抗震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度值为0.10 g，地震动反应谱特征周期0.4 s。

区内地下水总体上由文峪河两岸向河谷、由上游向下游流动，河水及地下水对混凝土无腐蚀性。库区不存在向两岸产生永久性渗漏问题，近坝库区左岸可能沿F16、F31断层及大理岩带、变质辉长岩（辉绿岩）接触带产生向下游河谷渗漏问题，但分析渗漏量不大。

坝基存在沿覆盖层及基岩风化裂隙带渗漏问题，坝基覆盖层及强风化基岩存在管涌渗透变形问题，两岸存在绕坝渗漏问题。

2.2 坝体填筑建筑材料

2.2.1 坝体主、次堆石料

柏叶沟石料场山势缓，地势开阔、料层厚，覆盖层较薄，交通便利，距大坝下游1 km。经勘探选定I、II两个料场，I料场作为主料场，II料场作为备用料场。岩块饱和抗压强度67.2～90.5 MPa，弹性模量 1.48×104～3.96×104MPa。石料场可开采堆石料约为160万m3。

2.2.2 垫层料、过渡料

垫层料在曲里石料厂人工砂石料系统加工生产，过渡料采用柏叶沟石料场爆破开挖料加工生产。

2.3 坝体断面及坝料分区

柏叶口水库采用混凝土面板堆石坝，坝顶宽10 m，坝顶长296.0 m，最大坝高88.3 m。坝顶上游侧设L型C25钢筋混凝土防浪墙，高出坝顶1.2 m。上下游坝坡均为1:1.4，下游坝坡每20 m高设一马道，马道宽2 m。

坝体堆石分区填筑，分区碾压，上游到下游依次分为上游铺盖区（1A）、上游盖重区（1B）、垫层区（2A）、特殊垫层区（2B）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游堆石区（3C）、下游护坡区（3D）。大坝横剖面及断面分区情况见图1。

图l坝体断面分区图

垫层料2A设计宽度平均3.71 m，要求垫层料具有半透水性、低压缩性、高抗剪强度、高渗透稳定性、并起到反滤作用。垫层料控制最大粒径80 mm，级配连续，填筑层厚0.4 m。为了保证大坝施工进度，垫层上游保护采用混凝土挤压边墙固坡。

过渡料3A设计宽度平均3 m。过渡料对垫层料起渗流保护和排水作用，防止垫层料冲蚀到主堆石的大孔隙中去，排泄渗透水流。过渡料控制最大粒径300 mm，级配连续，填筑层厚0.4 m。

大坝主、次堆石区采用柏叶沟堆石料场爆破开挖料，控制最大粒径800 mm，级配连续，填筑层厚度0.8 m。下游坝坡用混凝土预制块砌筑护坡，厚度10 cm。

2.4 趾板设计

趾板宽度根据地基的允许渗流比降确定，依据水头大小及基岩地质条件，趾板厚度确定为0.6 m，宽度5.0 m。趾板不设永久结构缝，采取分序浇注，I序块长15～20 m，II序块长1～2 m。混凝土趾板材料选用C30钢筋混凝土，抗渗等级W10，抗冻等级为F200，II序块混凝土为微膨胀混凝土。

趾板结构配筋按单层双向钢筋配置，纵向配筋直径22 mm，间距15 cm，横向配筋直径25 mm，间距15 cm。为了加强趾板与地基的连接，趾板下设置锚筋，锚筋直径28 mm，长5 m，间排距1.3 m。

为提高基岩的整体性和抗渗能力，对趾板的岩石地基进行固结和帷幕灌浆处理。

沿趾板中部布置单排帷幕灌浆，孔距2 m。河床段深入基岩50 m，两岸深入基岩30 m，左岸帷幕灌浆沿溢洪道底板向外延伸30 m，右岸坝头帷幕灌浆沿坝轴线向外延伸30 m。沿趾板帷幕上下游侧各布置一排固结灌浆，灌浆深度10 m，梅花形布置，孔距为3 m。

2.5 面板设计

面板厚度采用顶部向底部增厚的形式，顶部厚30 cm，底部厚59 cm。面板分块宽度为12 m，共计25块。

大坝面板混凝土强度等级C30，抗渗等级W10，抗冻等级F200。为了增强面板的抗拉性能并保持面板的柔性，对面板配置单层双向钢筋，顺坡向配筋直径22 mm，间距15 cm，水平向配筋直径20 mm，间距15 cm，接缝部位增设抗挤压钢筋，配筋直径14 mm，间距15 cm。

2.6 基础处理

2.6.1 趾板基础开挖

趾板基础要求挖至弱风化岩体，坝顶附近趾板局部基础置于强风化岩基上。趾板基础开挖采用钻孔爆破法施工，临近趾板建基面预留保护层，采用小炮爆破方法。

2.6.2 节理密集带和强风化层、反坡、倒悬及陡坎的处理

对节理密集带和强风化层采取将两排固结灌浆孔距加密，孔距由3 m变为2 m。

对反坡、倒悬、陡坎进行削坡处理，使之成为不陡于1:0.5的坡度。对局部存在的凹坑、不能完全消除的倒悬、陡坎用混凝土回填。

2.6.3 堆石体基础开挖

河床段坝体堆石基础置于弱风化岩体上部。对出现的砂砾石夹泥深坑，采用C15抛石混凝土回填。其余河床坝体堆石基础要求挖除覆盖层，见到新鲜砂砾石层。对发现靠近右岸岸坡处的粉细沙，进行了局部置换及加固处理措施。对建基面高程以下范围内的粉细沙全部挖除，至砂砾石层或基岩面为止。采用砂砾石对挖除体进行回填并分层碾压，压实后相对密度大于或等于0.8。

左右岸坡堆石体基础要求挖除覆盖层（植被、坡积层、松散堆积体等）及全风化岩体，基础置于强风化岩体上部。对于岸坡局部倒悬，采用上部削坡、下部回填C20混凝土的方式进行处理，坡度不陡于1:0.5。

2.7 坝体反向排水

为了避免在建坝体水位抬高对趾板、面板造成破坏，坝体设置了反向排水，在河床段坝0+100～坝0+210区间设置4条反向排水管，其中：1050高程设置3条，1056高程设置1条。竖向排水管采用外径200 mm镀锌钢花管，进水孔径8 mm，间距50 mm，梅花形布置，花管外包1mm厚不锈钢滤网，反向排水体采用20～100 mm卵石料。横向排水管采用外径200 mm镀锌钢管，大坝建成蓄水前对排水出口进行封堵。

2.8 大坝观测

根据工程的特点和地质条件，设置了3项监测项目：1）大坝变形监测；2）大坝面板变形和应力应变监测；3）大坝渗流观测（包括坝基渗透压力、绕坝渗流、渗流量监测等）。

柏叶口水库大坝安全自动监测系统的数据采集方式采用分布式，即采集装置分散地布置在靠近测点传感仪器的地方，通过电缆将数据传输至水库枢纽调度中心，进而实现综合自动化。

混凝土面板堆石坝的变形监测包括堆石体的沉降、水平位移、面板的挠曲、接缝的开合等；渗流监测包括坝基和坝体的渗流量观测、两坝肩的绕坝渗流水位、沿周边缝面板下垫层料内的渗水压力、趾板帷幕灌浆后的渗水压力等；应力应变监测包括混凝土面板的应力应变和温度，面板钢筋的应力等。

大坝堆石体的沉降与水平位移观测，采用埋设水平位移计。总计布置水平位移计16个，沉降仪28个。

渗流观测：布置渗流计9个，观测站7个。

混凝土面板变形观测:

（1）周边缝位移观测，正常水位以下布置了6个测点，河床部位3个测点，其余沿两岸在岸坡突变部位设测点。每个测点均采用三向测缝计，监测面板与趾板间的开合度、面板法向的沉降、沿缝的切向位移。

（2）竖向缝位移观测，为了确定张性缝与压性缝的分布范围并测量缝张开的宽度，在纵缝间布置单向测缝计，总计为19支。

（3）面板应力应变观测，在混凝土面板中布置二向应变计7支，布置三向应变计9支，布置无应力计7支，布置钢筋计9支，

3 施工导流

柏叶口水库主要建筑物级别为3级，导流建筑物级别为5级，设计洪水标准为P=10%设计。导流时段为全年，相应洪峰流量340 m3/s。施工期坝体临时拦洪度汛标准按P=2%设计，相应洪峰流量744 m3/s，相应水位在从坝底最低趾板底算起、坝高44.65 m处。

导流方式采用全断面汛期围堰法。修筑上下游围堰挡水，泄洪发电洞及导流洞联合泄洪。

4 大坝施工

4.1 碾压试验

2010年3月28日开始对主、次堆石料、垫层料和过渡料按不同铺料厚度、洒水量、碾压遍数进行了碾压试验。通过试验确定主、次堆石料铺料层厚为85 cm，压实层厚为80 cm，加水量5%，碾压遍数为8遍；垫层料铺料厚度43 cm，压实层厚为40 cm，加水量5%，碾压遍数为4遍。特殊垫层料压实层厚为20 cm，碾压遍数为8遍。过渡料铺料厚度为45 cm，压实层厚为40 cm，碾压遍数为4遍，加水量为10%。

4.2 大坝填筑

大坝从2010年4月24日开始进行坝体堆石料填筑，为了保工期，合理安排施工进度，在河床趾板开挖的同时，进行坝体次堆石料填筑，填筑到大坝从坝底最低趾板底算起48 m高度的高程，在趾板开挖验收后，再进行坝体主堆石料区填筑，填筑到大坝从坝底最低趾板底算起48 m高度的高程后，坝体全断面填筑。大坝2010年11月20日填筑到防浪墙底高程，大坝实际填筑历时6个月，最大填筑强度1.7万m3/日，平均强度26.7万m3/月，高峰填筑强度38万m3/月。

大坝堆石料爆破采用6台液压潜孔钻钻孔，分梯段爆破，梯段高度10～15 m。挖机装车，20 t自卸汽车运输上坝。过渡料利用石料场开采石料，经破碎加工后装料上坝。垫层料在距大坝下游20km的曲里进行加工生产，20 t自卸汽车运输上坝。坝面填筑堆石料采用进占法，T320推土机平整，平整后采用20 t振动碾碾压8遍，碾压采用错距法。过渡料采用后退法，T320推土机平整，垫层料采用后退法，T160推土机平整，平整后采用20 t振动碾碾压4遍，堆石料和过渡料采用坝外料车加水和坝面洒水相结合，垫层料在坝面直接洒水。堆石料填筑压实厚度均按80 cm控制，过渡料和垫层料填筑压实厚度均按40 cm控制。按堆石料--过渡料--垫层料顺序施工，上游垫层料边坡采用混凝土挤压边墙固坡，下游堆石料边坡采用预制块护坡。在大坝填筑施工过程中，用挖坑灌水法试验，检测主、次堆石料区（层）的孔隙率是否达到设计指标，垫层料和过渡料区孔隙率是否达到设计指标，颗粒级配符合设计要求。

大坝上游垫层料边坡采用混凝土挤压边墙固坡。使用挤压边墙可以简化坡面处理，采用挤压机施工，减少了垫层料分离现象和垫层料在上游面的散落损失；及时提供了防冲蚀和防剥落保护；避免施工人员在上游坡面上作业，使施工更加安全；施工整洁，坡面可直接进行钢筋铺设和面板施工，减少了超填混凝土；工作效率高，保证了施工进度。挤压边墙混凝土采用50拌和站生产，配合比按每立方米混凝土水泥120 kg、水 105 kg、沙子 810 kg、石子 1 215 kg、速凝剂 5.04 kg 配置。施工时先施工挤压边墙，1 h后填筑垫层料，4 h后进行碾压。挤压边墙的施工关键是要控制好垫层料边缘1.5 m宽的平整度。

4.3 趾板及面板混凝土施工

河床部位水平趾板混凝土采用农用三轮车运输，挖机入仓。两岸坡斜坡趾板采用泵送混凝土浇筑，混凝土由6 m3罐车运至施工现场卸料至输送泵，由输送泵泵送入仓。混凝土在仓内均匀上升，人工进行平仓，每层上升高度不大于40 cm，振捣采用φ100及φ50振捣棒人工振捣。在混凝土浇筑后4～6 h，从下向上逐层拆除表面模板，人工二次压光收平。趾板15～20m长设置一条宽度2 m的宽缝（后浇带），待28天后回填二期微膨胀混凝土。在空间转向处设置宽缝，以防混凝土裂缝。由于大坝填筑与趾板浇筑同时进行，后浇带在先浇块龄期达到28天后进行，为解决后浇带施工影响大坝填筑进度的问题，左右岸坡趾板后浇带修改为分缝处理。左右岸趾板分缝位置错开面板垂直缝与趾板相交处，避开趾板转弯处，单块长度15 m，分缝位置钢筋断开，满足保护层厚度要求，分缝处设止水。

5 结语

柏叶口水库混凝土面板堆石坝有如下特点:①大坝坝体直接坐落在河床岩基及卵石混合土上，采用帷幕灌浆、趾板与面板形成整体防渗体系。②大坝上游采用挤压边墙新技术固坡，避免了垫层料分离现象和垫层料在上游面的散落损失，且提高工作效率，保证了施工进度。③大坝设计采用反向排水系统，避免在建坝体水位抬高对趾板、面板造成破坏。