官地水电站碾压混凝土重力坝设计关键技术总结

陈 强,闫 勇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概况

官地水电站枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔和中孔、消力池、右岸地下引水发电系统等建筑物组成，碾压混凝土重力坝最大坝高168m。大坝设计洪水标准为：按500年一遇洪水设计，相应流量为14 000m3/s；按5000年一遇洪水校核，相应流量为15 900m3/s。

枢纽区属高山峡谷地形，河谷呈基本对称的“V”型，临江坡高大于700m，谷坡较陡峻，左岸地形坡度40°～50°，局部段35°～40°；右岸35°～40°，局部段达50°～60°。

根据“5·12”地震的研究成果，本工程场地地震基本烈度为Ⅷ度，设计基岩水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g。

2 枢纽布置设计

枢纽区地形地质条件复杂，坝址河谷狭窄，岩体风化卸荷较深，泄洪流量大、泄洪水头高。枢纽布置较困难，泄洪消能设施自身结构安全问题突出；大坝下游两岸边坡分布覆盖层边坡，泄洪雾化对下游边坡安全影响较大。

为解决上述困难，枢纽布置设计时充分考虑了现场实际条件。采用全地下厂房方案和岸塔式进水口，大坝与引水发电系统独立布置，施工时互不干扰。充分利用下游天然水深相对较深、河床基岩条件较好等特点，采用底流泄洪消能形式，尽量减少泄洪雾化对下游两岸边坡稳定的影响，减少了边坡处理工程量。采用混凝土重力坝方案，充分利用一部分卸荷岩体作为建基面，减少了坝基及坝肩边坡的开挖规模。采用大坝中部5个表孔+2个中孔集中泄洪的方式，泄洪设施集中，有利减少泄洪消能系统对碾压施工的干扰，便于运行管理；同时有利于下泄水流归槽。在大坝上设置了左、右两个中孔，后期导流时利用中孔泄洪，避免了单独设置泄洪洞，减少了投资，降低了导流洞的封堵难度。在后期导流期间，利用中孔还可以泄放生态流量。

枢纽布置方案为碾压混凝土重力坝挡水、右岸首部地下厂房、坝体5个表孔+2个中孔泄洪(坝身承担全部泄洪流量)、底流消能的枢纽布置方案。引水发电系统布置在右岸地下。枢纽总布置见图1。

3 碾压混凝土重力坝结构设计

大坝碾压混凝土量约占总混凝土方量的85%。为充分发挥碾压混凝土快速施工的特点，官地碾压混凝土重力坝为全断面碾压形式。碾压混凝土重力坝在体型上力求简单和方便施工，同时还应使坝体能满足结构布置、功能等要求。

3.1 大坝结构设计

官地碾压混凝土重力坝坝顶高程1 334.00m，最大坝高168.00m，坝顶长度516.00m，最大坝底宽度153.2m。共24个坝段(见图1)，从左至右由左岸挡水坝1～9号坝段、左中孔10号坝段、溢流坝11～14号坝段、右中孔15号坝段和右岸挡水坝16～24号坝段组成。大坝收缩缝间距一般在20～22m之间，大坝收缩缝采用切缝形成，可以使多个坝段组合形成一个整体碾压单元。大坝不设纵缝。

坝体基本断面为：坝上游折坡点高程1 240.00m，以上为直立面，以下坡度为1∶0.3；下游折坡点高程为1 315.33m，折坡点至坝顶为直立坡，折坡点以下为1∶0.75。通过综合稳定应力计算分析，最终确定大坝体形。

3.2 坝体混凝土主要分区设计

典型溢流坝段坝体混凝土分区见图2，典型挡水坝段混凝土分区见图3。

图1 官地水电站枢纽布置示意

大坝采用了“前堵后排”的防渗思路，上游以变态混凝土和二级配碾压混凝土防渗为主，紧靠防渗区设坝体排水孔。通过三维渗流分析，上游迎水面采用C9025富胶二级配碾压混凝土防渗，厚度4～7m；上游迎水面表面采用同标号变态混凝土，厚度0.5m。坝体防渗主要采用上游迎水面0.5m厚变态混凝土与二级配碾压防渗混凝土组合，并在坝体上游表面涂刷防渗涂层辅助防渗。上游变态混凝土和二级配碾压混凝土施工质量好坏对防渗效果影响较大，需加强温控防裂措施，碾压混凝土施工过程中严禁将该区域作为施工通道(避免防渗区被反复碾压)。

基础垫层采用2.0m厚的C9025常态混凝土。基础垫层混凝土在实际施工过程中，需开展温控防裂设计，必要时可采取分块浇筑后并缝等措施。垫层混凝土经研究也可以减薄。

坝体内部碾压混凝土按高程分区，从下到上为C9025碾压混凝土、C9020碾压混凝土、C9015碾压混凝土。

溢流面采用厚0.5m的抗冲耐磨C50常态混凝土；抗冲耐磨混凝土下设置一层平均3.0m厚的C25常态混凝土。抗冲耐磨混凝土以及下部的常态混凝土宜整体浇筑，并与下方的碾压混凝土可靠连接，必要时也可加插筋加强连接。

图2 典型溢流坝段分区 图3 典型挡水坝段混凝土分区

坝体内廊道周边1.0m范围内采用所在部位同标号变态混凝土，有利于减少混凝土入仓种类，方便碾压施工。廊道周边钢筋较多，应特别注意该区域变态混凝土的施工质量。

3.3 坝体排水

大坝坝体上游侧在不同高程布置4排纵向排水廊道，廊道之间设有坝体排水孔，排水孔直径15cm，间距3.0m，排水孔布置在上游二级配防渗碾压混凝土的下游侧。坝体中下游设两排基础辅助纵向排水廊道，廊道上部布置坝体排水孔，排除坝内入渗水流。坝体排水孔可通过预埋盲沟管等方式形成，也可通过后期坝体内钻孔形成。

3.4 坝体廊道布置

重力坝内设置廊道和直井将削弱坝体断面，在其周围易引起应力集中，同时也给坝体碾压等施工带来不便，特别是斜坡廊道对作业面影响更大。因此，在满足施工和运行要求的前提下，坝内廊道的设置遵循尽可能减少廊道数量和尺寸，尽量以竖井替代斜井。高程相近的廊道，可尽可能考虑布置在同一高程上(比如基础排水廊道)，这样可以减少对碾压混凝土的施工干扰。

帷幕灌浆廊道为方便灌浆施工，不同高程之间以斜坡廊道连接，其余坝体廊道不同高程之间基本以竖井相连。实际运行看，帷幕关键廊道宜尽量减少斜坡廊道，更多的采用竖井相连，这样可减少对碾压混凝土的施工干扰。

4 抗震防震研究设计

本工程场地地震基本烈度为Ⅷ度；大坝地震设防烈度为Ⅷ度，设计地震基岩水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g，校核地震基岩水平峰值加速度取100年超越概率1%的值为0.415g。

在工程设计时，主要存在的问题有：当前Ⅷ度地震烈度区高碾压混凝土重力坝抗震防震措施尚没有成功的实例可参考；大坝混凝土采用玄武岩骨料，混凝土弹性模量较大，大坝动力响应较大，增大了抗震设防难度；此外，校核地震下大坝的抗震安全性评价标准在国内无规范可依据。

针对上述问题开展了专项研究，采用材料力学、线弹性和非线性动力有限元法进行大坝抗震仿真研究，同时研究了地基变形模量、混凝土变形模量等对坝体抗震性能的影响，分析了坝体在超过设计地震烈度条件下的变形、破坏过程；开展了抗震措施研究。

大坝沿建基面及碾压混凝土层间整体抗震稳定采用材料力学法进行计算，应满足刚体极限平衡法的安全性要求。采用线弹性和非线性动力有限元抗震分析，研究地震条件下动应力分布范围、材料破坏区域、破坏形式，极限抗震能力、钢筋的限裂效果等。其抗震钢筋布置的原则是，在设计地震条件下，按钢筋混凝土塑性损伤本构模型计算，控制损伤区域在较小的范围。

研究表明，在静力和动力荷载共同作用下，大坝坝踵位置、大坝中上部表面折坡处为地震响应较大的区域，存在开裂的可能。

针对坝踵位置混凝土局部开裂问题，在满足大坝强度、稳定的前提下，适当将防渗帷幕往下游偏移。计算表明，坝踵的开裂范围未超过防渗帷幕，即便遭遇地震破坏也可保证大坝安全工作条件。辅助措施为：在坝体上游坝踵处回填粘土，即便坝踵开裂，粘土可辅助防渗。

针对大坝中、上部的折坡处存在局部开裂问题，主要采取的措施为：在大坝表面布置钢筋网限制裂缝产生和发展，提高大坝上部混凝土强度等级。辅助抗震措施为：减少坝体体型突变，将混凝土表面折坡改为圆弧过渡，减轻大坝上部重量。钢筋布置在大坝表面变态混凝土内，可减少对碾压施工的干扰。

通过地震荷载敏感性分析，采取抗震措施后，大坝最大可承受1.5倍设计地震作用。在校核地震工况下，假设大坝遭遇极端不利条件：即防渗帷幕破坏、水位无法降低、连续发生100年超越概率1%的地震的情况下，大坝沿各种滑动面“抗力/作用效应”的比值大于1，表面大坝是稳定的，仍然满足“不溃坝”的要求。

5 泄洪消能设计

泄洪消能设计时，主要存在如下问题需要解决：坝址河谷狭窄，岸坡地质条件较复杂；校核洪水流量为15 900m3/s，泄洪流量大，消力池底以上水头达142m，泄洪总能量较高；常规消力池入池流速达45m/s以上。具有大落差、高流速、单宽流量大、单宽泄洪功率大的特点。官地高坝泄洪底流消能防冲的规模和技术难度在国内外当属前列，需深入研究水流运动形态、紊动特性。高速水流带来的气蚀破坏、脉动压力等作用，泄洪消能设施自身结构安全问题突出；泄洪消能设施还应尽量减少对碾压混凝土施工的干扰。

针对上述问题开展了大量水工模型试验研究论证工作，模型试验比尺有1∶45、1∶80等。

5.1 泄洪消能整体设计

在河床中部坝体上集中布置泄洪消能设施，采用“溢流表孔宽尾墩布置+连续跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式”。设5个开敞式溢流表孔、坝体中部设2个中孔，见图1。

溢流坝段共布置有5个溢流表孔，孔口尺寸为15m×19m，溢流堰顶高程1 311.00m，溢流堰面采用WES曲线；溢流坝段下游接消力池，消力池底高程为1 188.00m，池长167.50m，宽95.00m。消能形式为底流消能。

泄洪中孔分别布置在10号、15号坝段，孔口尺寸为5m×8m，孔口底高程1 240.00m。

溢流坝段泄洪消能结构见图4，溢流路径由溢流堰顶WES曲线、直线段、反弧段组成，下游接消力池，跌坎高度为6.5m。堰顶闸墩设尾部宽尾墩，溢流面设两道掺气坎(槽)，掺气槽内设通气孔。

采用河床中部集中布置泄洪消能设施的方式，充分利用天然河道地形，使下泄水流尽快恢复天然流态。开敞式溢流表孔具有较强的超泄能力，可解决泄洪流量大的问题。大坝溢流面、消力池顶面采用C50抗冲耐磨混凝土作为主要抗冲磨结构。

图4 溢流坝、消力池结构示意

5.2 主要研究成果

5.2.1 合理确定了消力池跌坎高度，降低了消力池临底流速

跌坎高度对消力池临底流速、池底压强、池内流态和尾坎出口的水流形态均有直接关系。通过模型试验论证研究，研究了不设跌坎、多种跌坎高度的情况，最终确定跌坎高度为6.5m。不设跌坎的情况，消力池临底流速可达45m/s以上，在设置6.5m跌坎后，消力池临底流速降低至20m/s以下。

5.2.2 消力池采用了对称斜边墙方案

官地水电站大坝下游消能区范围内两岸岸坡地形具有明显的“左陡右缓”特点，尤其是右岸岸坡的坡度较缓，若采用斜边墙布置形式，有利于减少工程量，同时也增大了消力池的消能容积。模型试验对直立边墙和斜边墙进行了对比研究,水流流态试验表明，消力池边墙采用对称斜坡布置后，消力池内的水流流态良好。在主流区两侧有回流出现，但回流强度不大，从水流流态看，在合理调度运行方式下，两侧回流的存在对消力池的水流流态无明显不利影响，一定程度上在如下两个方面有利于水流流态的稳定：

(1)与直立边墙消力池方案相比，两侧回流的出现有助于避免“主流贴近两侧”流态的出现，具有稳定水流流态的作用；

(2)采用斜坡消力池后，由于消力池体积增大，出池宽度增大，使消能更为充分，出池水流与下游河道的衔接也更为平稳。

5.2.3 抗冲耐磨混凝土与下部混凝土可靠连接

大坝溢流面、消力池顶面采用C50抗冲耐磨混凝土作为主要抗冲磨结构，厚度为50cm；抗冲耐磨混凝土下方设一层3m的常态混凝土过渡，常态混凝土下方为碾压混凝土。

为增强抗冲耐磨混凝土的稳定性，采取措施为：抗冲耐磨混凝土与下方常态混凝土整体浇筑，二者之间设插筋。

5.2.4 掺气坎方案

通过模型试验研究，设置两道掺气坎的方案，第一道掺气坎设置在桩号0+045.800m处(宽尾墩墩尾断面)，第二道掺气坎设置在桩号0+070.000m处，坎高均为1.5m，坎后向下开挖1.5m×2.0m的掺气槽。该方案在各工况下掺气效果良好。设掺气孔作为通风通道，掺气孔直径1.6m。

5.2.5 细部结构处理

底流消力池常见的破坏有：消力池底板在脉动压力的作用下被破坏、掀翻；在消力池内的杂物旋滚作用下底板、边墙混凝土被磨损；泄洪调度运行不当造成消力池局部破坏等。

针对上述情况，在底流消力池设计时，合理进行了消力池分块，加强了底板锚固作用，加强了底板板块之间的连接，分缝处平整度、分缝宽度进行了严格要求，分缝内加强了止水设计防止紊动水流传至底板下方；严格规定了泄洪调度运行方式，使下泄水流更加均匀、平稳；确定了开展泄洪前消力池内应达到的最低水深。

5.2.6 其 他

通过对不同长度的消力池对水流特性影响的研究，消力池增长后，对出池水流流态有利，消力池内临底流速有所减小。推荐消力池长167.5m。

消力池总体消能率达65%～70%。

6 结 语

(1)官地水电站枢纽布置设计充分利用天然地形条件，主要建筑物结构设计简单，为实现碾压混凝土快速和大仓面碾压施工创造了条件。

(2)采取较优的抗震措施解决了大坝抗震问题，抗震措施能较好的适应了碾压混凝土施工。

(3)通过大量水工模型试验验证，采用了较新的泄洪消能方案，增强了泄洪消能结构安全。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL5018-1999《混凝土重力坝设计规范》[S].北京：中国电力出版社，2000.

[2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》[S].北京：中国电力出版社，2001.

[3] Lee J,and Fenves G L.A Plastic-Damage Concrete Model for Earthquake Analysis of Dam[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1998,27:937-956.

[4] 陈明阳,范书立,陈健云,等.官地碾压混凝土重力坝抗震措施研究[J].水力发电,2010,36(4):40-42.