泸定水电站粘土心墙堆石坝设计

王党在，金 伟，王方亮，韩 勇

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 工程概述

泸定水电站坝址位于四川省泸定县城泸定桥上游2 km处，距下游泸定县城2.5 km，控制流域面积58 943 km2。泸定水电站采用坝式开发，开发任务主要为发电。泸定水电站水库正常蓄水位1 378.00 m，校核洪水位1 381.22 m，死水位1 375.00 m，总库容2.4亿m3，调节库容0.22亿m3，具有日调节性能，装机容量920 MW。工程枢纽主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水发电建筑物组成。拦河大坝为粘土心墙堆石坝，大坝的抗震设防级别为甲类，抗震设防烈度为8度。

2 坝址区工程地质条件

坝轴线方位角NE73°44′24″，河床枯水期河水位1 308.2 m，水面宽124 m，正常蓄水位1 378 m时，谷宽413 m，坝轴线距离下游四湾村古滑坡堆积体约580 m。坝基河床覆盖层深厚，一般为120～130 m，最大厚度148.6 m，由四大层七个亚层组成。

左坝肩山体雄厚，基岩裸露，岩性为闪长岩、花岗岩，边坡整体基本稳定。坝肩岩体裂隙较发育，局部不利组合可能形成小规模崩塌破坏。浅表卸荷及风化岩体具强～中等透水性，相对抗水层埋藏较深，存在坝肩绕渗问题。右坝肩地形坡度较缓，边坡整体稳定。

3 大坝设计

3.1 坝型及坝线选择

根据坝址区地形地质条件，可研阶段比较了斜心墙堆石坝、粘土心墙堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝3种坝型，综合抗震性、工期、工程投资、安全性等因素选定坝型为粘土直心墙堆石坝。

坝址区下游四湾村古滑坡体、河床覆盖层中的粉细砂及粉土层，对坝线选择限制较大。从防渗结构受力条件、渗流特性、枢纽布置及工程投资等方面考虑，选择横Ⅶ线作为推荐坝线。

3.2 坝体结构设计

大坝坝顶高程 1 385.50 m，最大坝高79.50m，坝顶长526.70 m，上、下游坝坡均为1∶2，坝顶宽度12 m。心墙顶高程为1 383.00 m，顶宽 4 m，心墙上、下游坡度均为1∶0.25，底高程1 306.00 m，底宽48.00 m。心墙底部4m高范围加宽，加宽后顺河向坡度为1∶1。心墙上游设两层厚3.0 m的反滤层，下游设两层厚4.0 m的反滤层。心墙底部在坝轴线上游设厚30 cm的反滤料作为复合土工膜的垫层，心墙底部在坝轴线下游亦设厚度2 m的反滤料作为复合土工膜的垫层，并与心墙下游反滤层连接，心墙下游堆石基础坝基反滤层厚2 m。反滤层与坝壳堆石间设过渡层，与坝壳堆石接触面坡度为1∶0.25。上、下游坝脚以外分别设置了压重Ⅱ区和堆石Ⅱ区。坝体典型剖面见图1。

3.3 筑坝材料设计

3.3.1 心墙粘土料及接触粘土料

心墙粘土料来自坝址下游约10 km的海子村粘土料场Ⅰ、Ⅲ区。填筑技术要求：最大粒径不大于10 cm；小于5 mm颗粒含量宜大于90%；小于0.075 mm的颗粒含量宜大于60%，小于0.005 mm的颗粒含量宜大于15%。碾压后的渗透系数应小于5×10-7cm/s， 填筑料施工含水率 （ωop-2%）≤ωf≤（ωop+2%）。

接触粘土料填筑技术要求：最大粒径应不大于20 mm，小于0.075 mm的颗粒含量应大于80%；小于0.005 mm的颗粒含量应大于25%。渗透系数应小于 5×10-7cm/s， 填筑含水率 （ωop+1%） ≤ωf≤ （ωop+4%）。心墙粘土料和接触粘土压实度和全料干密度指标根据室内试验P5控制干密度确定，碾压后粘土心墙粘土料压实度≥99%，碾压后粘土心墙料复合土工膜上第一层及左岸盖板接触粘土料压实度应≥94%，廊道两侧接触粘土压实度应≥96%。

3.3.2 反滤料

大坝心墙上下游反滤料F1、F2和坝基反滤料主要来自坝址左岸上游6 km左右的岔道料场。

反滤料F1填筑技术要求：最大粒径不大于20 mm， D85=2.7～9.5 mm， D15=0.12～0.4 mm， 小于 0.075 mm土料含量不大于5%。反滤料F2填筑技术要求：最大粒径不大于80 mm，D85=17～45 mm，D15=0.8～4.5 mm，小于0.075 mm土料含量不大于5%，压实后的相对密度控制在0.8～0.9。

3.3.3 过渡料

过渡料来自坝前左岸的九叉树料场。过渡料饱和抗压强度应大于40 MPa，最大粒径不大于300 mm；D15≤20 mm，压实后渗透系数应大于 5×10-2cm/s，小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%。上游过渡料小于5 mm的颗粒含量≤24%，下游过渡料小于5 mm的颗粒含量≤20%。压实后的相对密度Dr≥0.8，孔隙率不大于20%。

3.3.4 堆石料

堆石料来自坝前左岸的九叉树料场。堆石料饱和抗压强度应大于45 MPa，要求级配连续良好，最大粒径不大于800 mm；小于5 mm的颗粒含量应不大于15%；≤0.075 mm粒径含量应不大于5%，不均匀系数应大于10，渗透系数应大于5×10-2cm/s，压实后孔隙率应不大于22%。

图1 坝体典型剖面

3.4 坝基及两岸基础处理设计

3.4.1 大坝基础防渗墙设计

可研阶段,根据国内防渗墙施工能力，悬挂式防渗墙深度80 m，封闭范围为高程1 300～1 220 m，防渗墙厚度1 m。

技施阶段的防渗墙试验结果表明，在泸定坝基深厚覆盖层上作110 m深防渗墙是可行的。考虑2009年汛期利用防渗墙挡水，河床段防渗墙顶高程抬高到1 306.0 m，河床段防渗墙底高程降低到1 200.0 m，最大深度110 m（防渗墙底到施工平台1 310.0 m高程），防渗墙设计成墙面积2.6万m2。应力应变计算结果表明，防渗墙顶部出现较大拉应力，为了对坝基灌浆廊道起 “顶托”作用、保证坝基灌浆廊道结构稳定、确保防渗墙与灌浆廊道接头连接牢靠，在防渗墙顶部设钢筋笼。

泸定水电站坝基覆盖层深厚，坝基防渗处理难度大，坝基110 m深防渗墙是国内已建最深的防渗墙工程。

3.4.2 坝基固结灌浆

为减小坝体沉降，坝基固结灌浆深度加深。河床段坝轴线上游坝基覆盖层固结灌浆深10 m；河床段坝轴线下游坝基覆盖层固结灌浆深12 m。左岸心墙基础坝轴线上、下游各3排基岩固结灌浆深12 m，其余深10 m。左岸心墙基础设0.4 m厚的混凝土盖板，以封闭基岩表面裂隙，同时作为固结灌浆盖重。右岸斜坡段心墙基础覆盖层固结灌浆深8 m。固结灌浆间排距均为3 m。

3.4.3 帷幕灌浆

通过多次三维渗流计算分析确定，河床段基础防渗需在防渗墙底设帷幕灌浆。悬挂防渗墙段墙内通过两排预埋灌浆管进行墙下基岩帷幕灌浆，墙外上、下游各一排覆盖层帷幕灌浆，孔距2 m。坝基左、右岸在防渗墙内通过墙内两排预埋灌浆管进行基岩固结灌浆，深、浅帷幕深度分别按照基岩透水率小于3、5 Lu确定，河床段帷幕底高程至1 155 m，左、右岸分别延伸96.5、118.9 m。

3.4.4 坝基振冲碎石桩及高压旋喷处理

可研、招标阶段，经过初判及复判分析，坝基左岸②-3粉细砂不会液化，但根据坝坡稳定计算结果，需对其进行振冲碎石桩处理；且为减少沉降，右岸斜坡段附近心墙基础砂层需进行高压旋喷处理。

技施阶段，坝基砂层振冲碎石桩试验情况表明，覆盖层钻孔难度较大，塌孔严重。考虑到坝体施工工期的紧迫性，经过坝坡稳定分析复核，取消了坝基砂层振冲碎石桩，采用上、下游坝脚以外加大压重平台方案；同时，取消了砂层高压旋喷处理措施，以加深坝基固结灌浆措施减小坝基沉降。

3.5 抗震设计

坝址区场地基本烈度为VIII度，大坝按50年基准期超越概率10% （相应的基岩水平峰值加速度246.0 cm/s2）的概率水准进行抗震设计；按50年超越概率5% （相应的基岩水平峰值加速度325.0 cm/s2）的概率水准进行大坝抗震稳定复核；采用拟静力法进行坝坡抗震稳定性分析。

坝顶宽度、坝坡、马道设置及坝顶高程确定均考虑了大坝抗震要求；同时，采用提高坝体填筑料压实标准提高抗震能力。

根据坝体动力计算结果，并参考类似土石坝工程的经验，在坝体1 350.0 m高程以上的坝体堆石和过渡区设置竖直向间距2 m的柔性土工格栅；并在1 365.0、1 371.0、 1 377.0 m高程坝体堆石和过渡区设3个水平层混凝土抗震框格梁，与上、下游坝坡面混凝土抗震框格梁连接成整体。

3.6 坝基灌浆廊道

河床段廊道尺寸3.5 m×4.5 m，廊道底板高程抬高到1 310.5 m，右岸斜坡段廊道尺寸3 m×4 m，廊道轴向长462 m。泸定坝基覆盖层最大深度148.6 m。在如此深厚的覆盖层上修筑灌浆廊道实属罕见，设计难度相当大。三维应力变形分析结果表明，廊道内拉应力超过混凝土允许值。为保证廊道的安全性，在拉应力较大部位，采取强配筋措施；在廊道左端基岩平台上，设结构缝适应廊道与坝体的不均匀变形；在廊道两岸拉应力区表面，设置特种沥青防渗膜；同时廊道混凝土中掺加聚丙烯纤维，以提高廊道的抗裂、抗渗、抗老化等性能；并在廊道外表面涂刷水泥基渗透结晶型XYPEX（赛柏斯）防水堵漏剂。

4 结语

泸定水电站粘土心墙堆石坝坝基覆盖层深厚、地震烈度高、距离县城近。为此，各阶段进行了大量的设计研究工作，以确保坝体结构及基础处理等措施安全可靠。目前，坝体已填筑至1 355.0 m高程，根据施工规划2011年3月底填筑至1 365.0 m高程，4月底填筑至1 380.0 m高程，以确保5月底首台机组发电。