冶勒水电站大坝心墙与防渗墙连接混凝土基座设计

王晓东

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 工程概况

冶勒水电站位于四川省大渡河支流南桠河上游，是该河流梯级开发的龙头水库电站。电站采用高坝、长引水隧洞、地下厂房的混合引水式开发。水库总库容2.98亿m3、调节库容2.76亿m3，具有多年调节能力，引水隧洞长7.12km，装机容量240MW。首部枢纽中拦河大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程2 654.50m，最大坝高124.5m，轴线长4llm，坝体建在深厚覆盖层上。坝址处冶勒断陷盆地边缘，坝基左岸基岩埋藏较浅、产状陡倾河心及下游，河床及右岸地表覆盖层深厚，最深超过400m，该套深厚覆盖地层由第四系中、上更新统卵砾石层、粉质壤土和块碎石土等组成，属冰水河湖相沉积层，在不同地质历史时期里经受了不同程度的泥钙质胶结和超固结压密作用，成分复杂，变形不均，坝基左、右岸基础严重不对称，基础变形协调及防渗处理难度大。基础防渗采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆的联合处理方案，左坝肩基岩埋深较浅,坝基采用全封闭防渗墙,而河床及右岸为深厚覆盖层采用悬挂式防渗墙处理。沥青混凝土心墙与防渗墙之间通过混凝土基座连接。

2 沥青混凝土心墙与混凝土防渗墙连接型式研究

坝体沥青混凝土心墙与坝基混凝土防渗墙的有效连接是冶勒沥青混凝土心墙堆石坝防渗体系的关键。

工程设计过程中拟定了4种可能的接头型式：

(1)防渗墙顶部设基座与沥青心墙直接连结(以下简称硬接头)，具体尺寸见图1。

(2)混凝土防渗墙与沥青混凝土心墙通过混凝土帽子连接，但混凝土帽子与混凝土防渗墙之间预留有20cm空隙，空隙内设置三道止水(以下简称软接头)。具体尺寸见图2 。

(3)混凝土防渗墙与沥青混凝土心墙间设置浇筑式沥青混凝土连接接头，防渗墙插入浇筑式沥青混凝土内，心墙筑于浇筑式沥青混凝土上(以下简称软沥青接头方案)，具体尺寸见图3。

(4)混凝土防渗墙与沥青心墙通过混凝土基座连接，混凝土基座内设置有廊道(即初设方案，为便于对比分析选择此方案)，混凝土防渗墙与混凝土基座间预留有30cm空隙，具体尺寸见图4。

对这4种接头型式进行平面有限元计算，主要计算结果见表1。

计算结果表明：

(1)硬接头方案，由于心墙及一部分坝体荷载通过混凝土基座直接传给防渗墙，因而混凝土防渗墙内的压应力较大，但常规混凝土的强度均可满足其要求。硬接头方案混凝土防渗墙在轴向上的应力应变较优，该接头型式还具有结构简单，施工方便，便于防渗处理的优点。

(2)软接头方案，防渗墙的压应力较小，墙顶的沉降量最小。但该方案接头结构复杂、施工难度大，止水要求较高，防渗可靠性差。

(3)软沥青混凝土方案，心墙最大压应力最小。

图1 硬接头 图2 软接头

图3 软沥青接头 图4 廊道接头

但防渗墙顶部的沉降较大，防渗墙轴向应力和变形均不利。接合部位在软沥青内出现局部剪切破坏屈服，并有拉应力。但本方案结构简单，施工方便，不需要特别的止水结构。

(4)原初设方案，由于混凝土底座体积大、适应变形的能力差，接头的止水等结构十分复杂，止水易破坏且不易修补，防渗可靠性最差。

冶勒坝基防渗墙的特点是，左岸防渗墙墙底置于岩基上，向右即成悬挂式，由于工作条件的差异，防渗墙沿坝轴线向的工作性态是坝基防渗的关键问题之一。综合多种因素，最终采用结构简单、防渗性能较为可靠的硬接头方案作为冶勒大坝沥青混凝土心墙与坝基混凝土防渗墙的连接接头。

3 基座尺寸的选择

设计早期，基座采用较大结构断面，顶宽9m、底宽1.2m、高10.4m的倒梯形断面。由于受上部坝体填筑荷载的作用，基座将荷载传递给基础防渗墙，致使防渗墙内的压应力太大。为此对基座尺寸进行调整，将顶宽调整为5.6m，采用倒梯形断面(高与宽相同)。有限元计算成果表明：调整后基座内大主应力的数值不大，一般小于15MPa，少数单元超过20MPa，压应力不会超过混凝土抗压强度；但基座小主应力几乎都为拉应力，而且，拉应力数值很大，最大拉应力达到了-9MPa，无法进行结构配筋设计。分析认为依然是基座宽度较大，承受上部坝体填筑荷载较大，加之基础不对称，造成个别部位基座内拉应力较大。鉴于此种情况，继续修改基座设计方案，将原宽为5.6m的基座改为宽为3.0m。调整后的基座断面型式见图5，基座断面附近有限元网格见图6。

表1 4种接头型式主要应力应变结果

对修改后的基座进行三维有限元计算，计算中，土石料本构模型采用了邓肯-张E-ν非线性弹性模型，材料参数见表2，接触面参数见表3。

图5 基座断面示意

图6 基座断面附近有限元网格

名称RfKnGFDKurФΔϕC/kPa密度/g·cm-3Q210.651 9500.630.25-0.0231.832 550400.0702.42Q220.651 8000.630.25-0.0231.833 000400.0702.42Q310.689000.450.36-0.0261.321 500370.0802.45Q32-10.761 1000.430.30-0.044.641 800380.0802.24Q32-20.591 3000.650.38-0.0352.972 100390.0602.35Q32-30.655000.400.360.1282.71800340.0602.20dlQ40.761 1000.430.30-0.044.641 800380.0802.24沥青混凝土心墙0.768500.330.380.05015.01 200270.04002.43反滤层Ⅰ0.681 2000.520.340.086.02 400455.002.20反滤层Ⅰ(湿态)0.681 1000.520.340.086.02 200435.001.20反滤层Ⅱ0.671 2000.520.320.065.02 400435.002.20反滤层Ⅱ(湿态)0.671 1000.520.320.065.02 200415.001.20主堆石体0.721 2000.500.330.066.02 400505.002.25主堆石体(湿态)0.721 1000.500.330.066.02 200485.001.25次堆石体0.651 0000.450.310.053.01 800485.002.30

表3 三维有限元计算采用的接触面模型参数

计算成果表明：由于基座变小(顶宽3.0m)，基座内拉应力明显减小，主要集中在x轴方向(坝轴向)和y轴方向(上下游向)竣工时坝轴线方向绝大部分在3.0MPa以下，最大拉应力为4.35MPa(断面平均拉应力小于3.0MPa)；顺河向拉应力绝大部分在1.0MPa以下，最大拉应力为1.44MPa。虽然拉应力超过了素混凝土的抗拉强度，但进行合理地配筋设计是可以解决的，同时受上部心墙底部放脚的影响，基座尺寸(主要指宽度)不宜再继续缩窄，因此最终采用顶宽3m、底宽1.2m、高3m的倒梯形尺寸进行结构设计。

4 基座结构设计

三维有限元应力计算结果，基座内拉应力超过了素混凝土的抗拉强度，应进行适当配筋(见图7)。由于拉应力集中在坝轴向较大，绝大部分在3.0MPa以下，个别单元拉应力超过3.0MPa，但其所在断面平均应力均小于3.0MPa，因此坝轴向应力计算取断面的平均拉应力为3MPa进行计算。

按轴心受拉构件计算，不考虑混凝土本身的抗拉强度，所以：

图7 基座配筋示意

5 基座运行情况

为更好掌握基座施工后的工作性态，在基座内布置有钢筋计，以监测基座内钢筋的受力状态，此外还布置有双向应变计。为了解基座是否产生裂缝及裂缝展开情况，在基座混凝土内沿坝轴线方向设计布设了4条传感光路。

大坝蓄水运行后的监测数据显示：

(1)左岸基座基本处于拉伸状态，这说明基座左岸斜坡段有顺坡向下滑移趋势，水平段左端有下沉趋势，导致左岸斜坡段与河床水平段交接部位产生压缩变形，量值较小，测值已经稳定。

2009年11月10日实测基座水平段最大拉伸位移为5.16mm；左岸坡坝顺坡向位移最大，为5.04mm，左岸斜坡段与河床水平段交接部位压缩位移为0.53mm。总体位移量不大，不影响基座稳定。

(2)防渗墙与基座接缝基本呈闭合状态，测值在-0.32～-0.08mm 之间，且较为稳定，情况正常。

(3)基座顶部钢筋应力上游侧受拉，下游侧受压，符合结构受力规律。运行至2009年11月10日，已数次蓄水达正常蓄水位，混凝土基座钢筋计的应力在-60.18～73.39MPa之间，量值不大。无论钢筋应力和混凝土应力均在材料强度范围内。基座受力正常。

(4)光纤监测显示，基座内未产生危害性的裂缝；在5.12汶川地震后，基座光纤波形均发生不同程度的变异，但这种现象在地震过后，随着时间的推移，波形逐渐趋于稳定，情况较好。

6 结束语

冶勒大坝于2005年1月水库开始蓄水，2005年底电站正常投产发电，2006年8月枢纽工程全面完工。水库大坝运行至今已近5年有余，期间多次蓄水至正常蓄水位运行，基座监测资料以及对比与之相关的变形、渗流渗压、应力应变等监测资料，均可判断目前基座运行性态正常。

[1] 四川省南桠河冶勒水电站初步设计报告[R].成都勘测设计研究院，1997.

[2] 四川省南桠河冶勒水电站初步设计调整及优化设计报告[R].成都勘测设计研究院，2002.

[3] 何顺宾,胡永胜,刘吉祥.冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝[J]. 水电站设计，2006，22(2)：46-53.

[4] 冶勒沥青混凝土心墙堆石坝静力三维有限元应力变形计算分析[R].河海大学，2002.

[5] 余学明.冶勒水电站坝基防渗处理设计[J]. 水电站设计，2004，30(11)：46-49.