温泉水电站混凝土面板堆石坝设计

张 伟

（新疆水利水电勘测设计研究院；830000，乌鲁木齐）

一、工程概况

温泉水电站位于新疆某河中游马扎尔峡谷内，水库总库容为2.07亿m3，水电站总装机容量为135 MW，以发电为主，多年平均年发电量7.61 亿kWh。 工程为大（2）型Ⅱ等，大坝为1级建筑物。

温泉水电站坝址河谷呈V形，河流纵坡6.9‰。谷底高程870 m左右，两岸山顶高程1 182～1 600 m，右岸自然坡角多在70°～80°之间，局部近于直立。坝址分布下石炭统东图精河组和第四系地层，岩体呈厚层状—块状。坝址基岩强风化层厚2～5 m，弱风化层厚10～15 m。左岸卸荷带水平宽度 3～15 m，顺河长 95 m，垂直深度约65 m；右岸卸荷带水平宽度2～5 m。坝址区地震基本烈度Ⅷ度，大坝抗震设防烈度Ⅷ度。

大坝轴线位于托海电站水库回水末端上游河湾处，导流、泄洪和发电引水系统均布置在右岸，从左往右依次为表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、发电引水洞、导流洞。发电洞进口及深孔泄洪洞进口联合布置，表孔溢洪洞进口单独布置。导流洞从发电洞底部穿过，与深孔泄洪洞采用“龙抬头”的形式结合布置，后期导流洞将被封堵废弃。厂房布置在下游右岸。

二、大坝设计

1.大坝轮廓设计

大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高102 m，坝顶宽 10 m，坝顶长306 m。防浪墙高4.2 m，防浪墙采用L形结构。防浪墙底部与面板相接处设沉降缝。大坝上游坡度为1∶1.5，下游坡度（上坝公路间）为 1∶1.3、1∶1.5。 下游坝坡采用浆砌块石护坡。

2.坝体分区及坝料填筑设计

根据该工程天然建筑材料分布情况和坝料设计原则，混凝土面板堆石坝坝料从上游至下游分为6个填筑分区。主要设计方案如下：

①上游铺盖区。该区位于面板上游，上游坡度不陡于 1∶1.7，顶宽 5m，作为补充的防渗体和一旦发生渗漏时的封堵材料。采用T2料场土料，利用运输和推平设备自然压实，不做专门碾压。作用是形成面板上游的防渗补强区，并与特殊垫层区起到淤堵开裂的周边缝，实现自愈的作用。

②上游盖重区。该区位于上游铺盖区上游，顶宽10 m，上游坡度不陡于1∶2，其作用是保护和稳定上游铺盖区土料。采用各建筑物开挖过程中的开挖弃渣料，利用运输和推平设备自然压实，不做专门碾压。

③垫层区。该区为面板下垫层料，水平宽度4 m，采用砂砾料场筛分料。特殊垫层区位于周边缝下部，其作用是利用反滤周边缝渗漏水流中的上游铺盖区土料，阻塞渗漏通道。

④过渡区。该区位于垫层下游，水平宽度5 m，采用C1砂砾料场全料，要求设计相对紧密度大于或等于0.85。

式(8)中:Ji(t1,t2)为在t1～t2时间段内船舶j相对船舶i的运动轨迹，该轨迹由一系列散点所组成。由于船舶的运动是连续的,因此采用最小二乘法对该轨迹进行轨迹拟合。

⑤爆破堆石区。该区位于过渡料区下游，形成下游上坝道路和下游坝坡，是坝体的主要支撑结构，为石料场及建筑物开挖爆破料，碾压层厚0.8 m，孔隙率小于或等于21%。

⑥砂砾石区。该区位于坝体中部，采用C1砂砾料场全料，碾压层厚0.8m，要求设计相对紧密度大于或等于0.85。

3.混凝土面板设计

面板顶部厚度为0.3 m，底部厚度为0.65 m。在混凝土面板1/2厚度处设一层钢筋网，双向布置，其竖向配筋率为0.5%，水平向配筋率为0.4%。河床部位受压区面板宽12 m（16块），岸坡部位受拉区面板宽6 m。其主要技术指标见表1。

4.混凝土趾板设计

趾板布置在坝体上游防渗面板周边，与面板共同作用，形成坝基以上的防渗体，并与基础岩石通过固结灌浆、帷幕灌浆连成整体，封闭了地面以下的渗漏通道，形成一个完整的防渗体系。

趾板形式采用水平趾板。趾板宽度按高程分成8 m、6 m、4 m，相应厚0.8 m、0.6 m。为防止温度与干缩造成的裂缝，在距趾板顶面15cm处布置一层双向钢筋，含筋率为0.4%。趾板内设置锚筋，将趾板锚固在基岩上，锚筋直径30mm，间距、排距均为1.2m，伸入基岩4 m。

右岸趾板边坡较陡，采用4～6m宽的窄趾板加内趾板的结构形式，内趾板为挂网喷混凝土，厚20 cm，宽20m。

5.接缝形式及止水系统设计

①混凝土面板垂直缝。“A”形垂直缝为张性垂直缝，位于面板靠近两岸的张拉区，缝内均设两道止水，即底部铜片止水、顶部柔性填充料止水。“B”形垂直缝为压性垂直缝，位于面板中部挤压区范围内，接缝底部设一道止水铜片。为了吸收压力变形，避免面板混凝土受压破坏，选择其中10条压性缝（位于河床部位），缝内充填2 cm厚沥青杉木板。

③趾板变形缝（“E”形缝）。 为了降低温度和干缩应力，提高对地基变形的适应能力，以减少裂缝，于地形地质条件变化处、趾板转折处和内趾板连接处设置永久变形缝，变形缝位置与面板接缝错开，缝内设一道铜片止水，并与周边缝止水构成封闭结构，接缝两侧用钢筋断开。

④防浪墙与面板的接缝。防浪墙与面板的接缝处设置一道底部铜片止水和一道顶部柔性填料止水。

⑤防浪墙变形缝。为避免防浪墙因温度应力或坝体不均匀沉降而产生裂缝，沿其长度方向每隔15m设一道变形缝，变形缝位置与面板接缝错开，缝内设一道橡胶止水带。

6.坝基处理

为保证趾板与基岩的可靠连接，挖除全部覆盖层和强风化岩层，使趾板坐落在弱风化基岩上，河床部位砂卵石层厚10～13 m，弱风化基岩上限高程为859 m，河床趾板底面开挖高程为858 m。堆石区坝基开挖，从过渡区底部下游端起，以1∶3的缓坡开挖至原地面，在开挖坡面的下游侧，只清除表面覆盖层和物理力学性质低于坝体堆石的软弱夹层。

坝基范围内没有大的断裂、破碎带等特殊地质构造，防渗线表层或浅层的破碎岩石和充填物进行挖除或用混凝土塞进行处理，对深层的节理裂隙或小断层进行灌浆处理。

面板坝在趾板范围内进行固结灌浆，间距、排距均为2.5 m，灌浆深度为5 m。采用两道帷幕，以伸入小于3Lu的相对不透水层以下5m控制，帷幕灌浆孔采用梅花形布置，孔距2 m，排距2 m。

三、大坝监测设计

该坝处于寒冷的峡谷地段，属强震区高坝，根据工程地质条件、坝体设计及应力应变计算情况，参考国内外混凝土面板坝的观测布置，设置的监测项目有：坝体外部变形监测，坝面垂直位移和水平位移监测；坝体内部垂直位移监测；坝体内部水平位移监测；周边缝位移监测；岸坡位移监测；垂直缝位移监测；面板应变监测；面板变形监测；坝体与坝基渗流压力、坝肩绕渗监测；地震反应监测。

表1 混凝土面板的主要技术指标表

四、主要设计特点

①坝体堆石区中部采用部分砂粒料填筑，范围为EL 895~940 m。本工程坝料分区充分利用了爆破堆石料力学性能好、抗剪强度高、休止角大、渗透系数大的特点，把它布置在堆石区上下游提高坝坡稳定性，布置在底部可加强坝体排水。坝体堆石区中部布置砂砾石区，充分利用砂砾石具有高压缩模量的特点，减少坝体沉降变形。

②设置窄趾板加内趾板结构。由于趾板设置在坚硬、不易受冲蚀的弱风化岩层上，其宽度采用设计水头的1/10~1/20，并且应满足施工灌浆要求。大坝右岸趾板边坡较陡，如按常规趾板宽度设计，开挖边坡最高超过100 m，石方开挖及边坡支护的工程量大，增加了施工难度，且运行期高边坡风险性大。对趾板结构进行了初步优化，采用4~6 m宽的窄趾板加内趾板结构形式，既满足渗径要求，又降低了边坡开挖高度和减少了开挖量。

③为避免大坝中部面板（受压区）破坏，选择10条面板受压缝采用沥青杉板嵌缝充填，以嵌缝沥青杉板变形吸收挤压力，防止面板破坏。

④面板坝上游坡面施工在新疆地区首次采用挤压边墙技术，简化了施工程序，减少了上游坡面削坡、斜坡碾压等作业，有利于坝前趾板区灌浆、防护等施工。

五、结 语

温泉混凝土面板堆石坝按照传统概念进行设计，结合地形地质条件、料场实际情况等，注重细节的设计与处理。采用坝体堆石区中部砂粒料填筑分区、“内趾板+窄趾板”的设计,部分面板受压缝采用沥青杉板嵌缝充填设计及大坝上游采用挤压边墙固坡，这些设计对工程的顺利施工奠定了坚实的基础，并取得良好的经济效益,可为其他类似工程的建设提供借鉴。