高碾压混凝土重力坝设计方法

袁晓华

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳551000)

1 工程概况

石桥水库工程位于贵州省六盘水市盘县石桥镇，距县政府所在地红果镇直线距离约20 km。石桥水库所在的红岩河为黄泥河的支流。黄泥河为珠江流域西江水系南盘江左岸的一级支流。工程区所在地距盘县石桥镇约6 km，距威箐站5 km(坝址处最近的火车站)，距红果的公路距离约为43 km，交通较为方便。

枢纽布置根据水文、地形地质条件，推荐坝址采用常态混凝土拱坝方案与碾压混凝土重力坝方案两种坝型进行比较。

枢纽建筑物主要考虑拦河大坝、泄洪建筑物、取水设施及下放环境水设施等相互之间的协调及上坝交通等。

2 碾压混凝土重力坝设计

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)第2.1.1 款的规定，盘县石桥水库工程总库容＜1 000 万m3，水库枢纽水库最大坝高55.5 m，正常蓄水位1 544.00 m，相应库容544 万m3，校 核 洪 水 位1 545.13 m，总 库 容593 万m3，可供水量为831 万m3/a，为小型水库［1］。由于大坝为中高坝，坝轴线也不长，考虑不设纵缝，只设横缝，在大坝坝身设4 条横缝，将坝体分为5个坝段，坝段长度18 ～35 m不等，横缝上游面设置一道铜片止水。

按《混凝土重力坝设计规范》(SL319—20053)计算确定坝顶高程1 546 m，大坝为碾压混凝土重力坝坝，坝顶总长148.3 m，坝顶宽度4 m，非溢流坝段下游坝坡1∶0.7，上游坝折坡1∶0.15。

大坝基础置于弱风化岩体上部，河床坝段建基面高程1 492 m，最大坝高56 m。非溢流坝段在溢流坝两侧及两岸，上游坝坡1∶0.15，折坡点高程1 516.0 m，下游平均坝坡1∶0.7，为方便碾压施工，下游面采用台阶式。

坝体内部用C10 三级配碾压混凝土，迎水面依次为C20 二级配变态混凝土护面厚300，C20 二级配碾压混凝土防渗层厚度1.5 ～3.0 m，坝体河床段建基面设C15 混凝土垫层厚1.0 m。

坝内1 509.00 m高程设有灌浆兼排水廊道，两岸通过斜廊道升至1 516.00 m 高程，与坝后交通连接［2］。

坝体抗滑稳定根据有关物理力学指标用抗剪公式计算，在基本荷载组合下，安全系数≥1.05，在特殊荷载组合下，安全系数≥1.0。基本组合抗剪断系数＞3.0，特殊组合抗剪断安全系数＞2.5。

实体重力坝应力计算采用材料力学法进行计算，应满足下列要求:

1)坝基面垂直正应力应小于砌体容许压应力。

2)坝基面最小垂直正应力应为压应力。

3)坝体混凝土采用C10 三级配碾压混凝土，其允许承载力为3.38 MPa。

4)坝基开挖至微风化上部岩体，其允许承载力为3 MPa［3］。

3 碾压混凝土重力坝和常态混凝土拱坝在施工中的应用

从工程建设条件、枢纽布置等方面对中坝址两布置方案进行对比分析:

根据地表地质调查坝区岩体层间无软弱夹层分布。坝基岩体属于中硬岩类。P1m1为中厚层状的白云质灰岩，岩体裂隙结构面中等发育，多闭合，岩体较完整，强度较高，抗滑、抗变形能力较强，坝址区不存在缓倾角裂隙面，坝基抗滑稳定性较好。拱坝及重力坝两种坝型各有一定优势，但差异不大，均具备建坝条件［4］。

拱坝的受力特点是两坝肩岩体为主要的持力层，本工程坝址处左坝肩地形坡度约30 ～40°，地层岩性为二迭系茅口组中至厚层状的白云质灰岩、灰岩，基岩裸露，为岩质边坡，岩层产状120∠3°，属斜向坡，自然边坡总体稳定。

右坝肩地形坡度30 ～50°，地层岩性为二迭系茅口组中至厚层状的白云质灰岩、灰岩，岩层产状300∠6°，属斜向坡，自然边坡总体稳定。

从地质角度出发，坝址区两坝肩的岩体完整、强度较高、抗滑(变形)能力强，对拱坝的抗滑稳定和抗变形都有利［5－7］。常态混凝土拱坝方案与碾压混凝土重力坝在施工中的对比见表1。

表1 常态混凝土拱坝方案与碾压混凝土重力坝在施工中的对比

4 溢洪道的设计与消能方式

从溢洪道的角度来看，在常态混凝土拱坝方案中，结合挡水坝型为拱坝，对坝顶溢洪道优先考虑。从地形看坝身不宜布置过大的溢流宽度，结合下游河道走势及其它建筑物的布置，上游水库淹没影响等，溢洪道采用3 孔7 m×5 m(宽×高)的闸门控制。溢流净宽为21m，堰顶高程1539m。溢洪道布置在坝身河床段，由上游面曲线、下游面曲线和下游反弧挑流消能段组成，总长13.57 m。

溢流堰采用WES 幂曲线，曲线方程为y =0.123X1.85，下游采用挑流消能，反弧半径为6.0 m，挑射角为10.0°，挑流鼻坎顶高程1 533.965 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土浇筑，闸墩、导墙、溢流头内部均采取C20 混凝土，闸墩顶部设C25 混凝土交通桥连接大坝两端［8－9］。

在碾压混凝土方案中，根据地形地质条件，将溢洪道布置在坝身河床段，在大坝的中部，溢洪道采用3 孔7 m ×5 m(宽×高)的闸门控制。溢流净宽为21m，堰顶高程1 539 m。溢洪道由上游面曲线、下游面曲线和下游反弧挑流消能段组成，总长40.463 m。

溢流堰采用WES 幂曲线，曲线方程为y =0.1159X1.85，下游采用挑流消能，反弧半径为20.0 m，挑 射 角 为 15.0°，挑 流 鼻 坎 顶 高程1 514.821 m。

表孔溢流面采取C30 混凝土浇筑，闸墩、导墙、溢流头内部均采取C20 混凝土，闸墩顶部设C25 混凝土交通桥连接大坝两端。

5 碾压混凝土重力坝设计中的难点分析

拱坝施工中为了防止坝体混凝土发生深层和贯穿性裂缝，除提高抗裂性能外，施工时应通过实验确定混凝土水灰和外掺剂的用量，以最合理的方式降低混凝土的水化热。

在安排浇筑进度时，要以较理想的浇筑上升速度均匀上升，参考国内已建成工程的经验，一般以0.9 m ～1.5 m /d的速度较为理想。

选择最合适的开工时期，使坝体最厚部位在低温季节施工，参考省内已建工程，黑龙江省较合适的开工时期定为10—3月。

计算中按不同季节所浇的各层混凝土所达到的最高温度及最终稳定温度(此项应根据实验数据进行计算)。以便对混凝土的施工温度进行有效控制［11］;参考已建工程温度控制标准为:

1)基础允许温差为13 ～18 ℃。

2)内外温差为15 －21 ℃。

3)上下层温差为15 ～20 ℃。

本工程温控措施主要采用以下3 方面来控制:

1)减少混凝土发热量:采用发热量较低的低热水泥或中热水泥，根据试验结果，掺和适量的粉煤灰，减少水泥用量，降低水化热［10］。

2)降低混凝土入仓温度:①施工时尽可能利用在秋、冬、春三个季节施工;②在高温季节采用洒水降温、地漏取料等措施，以降低混凝土入仓温度。

3)采取加速混凝土散热方式:主要是采用埋设混凝土冷却水管，施工时在混凝土浇筑层面埋设Φ20 ～25 mm 的薄钢管，钢管水平间距按1.5 m 控制［11］，混凝土层面按1.5 m控制。在混凝土浇筑4h后开始自下而上通水冷却。

6 结 语

石桥水库工程的高碾压混凝土重力坝设计中，所包括的几个重大技术问题，如论溢洪道设计、论溢洪道消能方式的选择、发电厂房的优化设计等方面，并在工程设计中，充分利用先进科技，并对其施工经验进行总结，确保工程建设能够顺利进行。

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