新疆狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计

王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

文章编号：1006—2610(2015)01—0038—04

新疆狭窄河谷混凝土面板堆石坝设计

王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

新疆某狭窄河谷混凝土面板堆石坝，最大坝高106 m，坝长141.3 m，宽高比1.3，坝址区地处河流出山口峡谷河段，河床宽度8～16 m。为改善不良地形地质缺陷,本工程借鉴和吸收了国内外已建面板坝的成功经验，采用了高址墙、贴坡趾板、设置特殊碾压区等筑坝技术，并将上游围堰与混凝土面板堆石坝坝体相结合，取得了显著的经济效益。

狭窄河谷；混凝土面板堆石坝；高趾墙；特殊碾压区

1 工程概况

1.1 工程简介

新疆某狭窄河谷混凝土面板堆石坝位于河流出山口的峡谷河段，地域气候夏季较湿润、温和、降雨丰沛，冬季寒冷，积雪较深，极端最高气温34.4 ℃，极端最低气温-38.5 ℃。电站坝址以上流域面积2 364 km2，多年平均径流量为14.41×108m3，电站正常蓄水位1 930 m，正常库容1.298×108m3，为不完全年调节水库，电站装机110 MW，多年平均发电量3.615亿kWh。最大坝高106 m，坝长141.3 m，宽高比1.3，属大(2)型工程，大坝为1级建筑物。坝址区50年超越概率10%的A区峰值加速度为0.193g，B区峰值加速度为0.216g，确定坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。

1.2 地形、地质条件

本工程坝址区位于河流出山口的峡谷河段，河谷呈基本对称“V”形，左岸山体雄厚，岸坡较陡，坡度多在40°～80°，局部为陡坎，基岩裸露，山顶高程1 915.00～1 936.00 m；右岸山体高陡，坡度多在50°～85°，局部近直立，基岩裸露，山顶高程1 965.00～1 970.00 m。坝址现代河床宽8～16 m，正常水位1 930.00 m高程处，谷宽约116 m。

坝址区两岸基岩裸露，岩性为黑云母花岗岩。岸坡无大的断层发育，节理裂隙较发育。左岸对坝肩稳定有影响的节理裂隙相互切割使岩体呈块状，在高程1 860.00 m以上形成不稳定体BT1。右岸对坝肩稳定有影响的节理裂隙，使右岸岩体呈次块状～块状，尤其是倾向坡外的3组缓倾角节理裂隙对右坝肩的稳定影响较大，并且这3组缓倾角节理裂隙与陡倾角切割在高程1 920.00 m以上形成一不稳定体BT2。

2 坝体设计

大坝坝顶高程为1 934.50 m，最大坝高106 m，坝顶长141.23 m。上游坝坡采用1∶1.6，下游坡度为1∶1.5(综合坝坡1∶1.86)，下游自坝顶向下设10 m宽的之字形道路至1 904.00 m高程，与坝体施工道路相接以完成1 904.00 m高程以上的坝体填筑，同时在1 890.00、1 870.00 m高程各设置1道2 m宽的马道，下游坝坡采用0.4 m厚的干砌石护坡。坝体填筑横剖面见图1。

图1 坝体填筑横剖面图 单位：m

2.1 趾墙设计

由于主河床河谷狭窄，施工期上游围堰的调蓄能力较差，本工程借鉴沥青心墙坝设计理念，将上游围堰与上游坝体相结合，同时为解决面板坝防渗体闭合问题，将上游围堰设计为一座堰顶较宽的刚性混凝土心墙坝，围堰堰体和防渗体按大坝主体工程的要求进行设计和施工，上游围堰中的刚性混凝土心墙，即混凝土面板砂砾石坝在河床底部的高趾墙，在趾墙顶部通过连接板与混凝土面板砂砾石坝趾板相连。趾墙最大墙高31.5 m，墙体顶宽2.0 m，上游采用垂直坡，下游坡度1∶0.25，底部最大宽度7.98 m，趾墙基础位于强风化层底部相对坚硬的岩石上，纵向10 m设1条垂直伸缩缝，缝内设铜止水，对底部基础进行固结灌浆和帷幕灌浆。上游围堰与坝体上游面的结合同时缩短了面板向上游的延伸距离，解决狭窄河谷中趾板布置的复杂性并使面板整体体型受力良好，减少不均匀变形。为避免趾墙与趾板之间的变形过大，破坏止水系统，在趾墙顶部与河谷趾板之间设置3.0 m宽水平连接板。

2.2 基础开挖

(1) 坝轴线上游陡岸按不陡于1∶0.5边坡开挖，坝轴线下游岸坡仅需挖除覆盖层。

(2) 坝轴线上 、下游开挖边坡连接过渡角在平面上按不大于30°控制。

(3) 全部挖除坝体轮廊范围的覆盖层，并清除表面松动石块、凹槽内积土和突出的岩石，以及树根草皮。

(4) 趾板下游10 m范围内，挖出全部覆盖层及冲洪积层和强风化层岩石，其后接1∶3.0缓坡与坝体下游基础开挖面相接。

(5) 坝体基础在趾板下游0.3～0.5倍坝高范围内的岸坡很陡时，可开挖成不陡于1∶0.25的稳定坡度，但需设置低压缩堆石区或回填混凝土补坡，其下游至坝轴线间的岸坡应开挖成1∶0.25的坡度。

2.3 坝体填筑分区

坝体填筑分区遵循既满足受力和渗流要求又满足简单和经济的原则，从上游至下游依次为上游压重区、上游铺盖区、混凝土面板、垫层、过渡层、主堆石区、下游次堆石料区。

垫层料水平宽为3 m，为改善岸坡部位填筑料不易压实、变形大的缺点，在岸坡部位垫层料和过渡料均向下游延伸，根据地形和填高要求延伸长度为10～70 m；为减小趾墙下游侧填筑料沉降变形，防止趾墙顶部止水因沉降变形破坏，在趾墙下游与岩石陡坡之间仍采用垫层料填筑。过渡料顶宽3 m，底宽10 m，在岸坡部位顺应垫层料的需要，向下游延伸将垫层料包住。次堆石料位于坝轴线下游坝坡附近，为坝体受力最小部位，结合枢纽开挖进度，采用开挖有用料填筑，开挖料有用率65%。

(1) 上游铺盖区：位于面板上游，采用黄土料，顶高程1 873.00 m，顶宽5.0 m，上游坡度1∶2，高程1 860.0 m以下沿趾墙上游面设置2.0厚铺盖料，增强趾墙结构缝的止水效果。

(2) 上游盖重区：位于上游铺盖区上游，顶高程1 873.00 m，顶宽10.0 m，在1 860.00 m高程设置一平台，平台宽度27.72 m，再采用1∶2.5的坡度与截流堤上游边坡相连。该部位属于上游围堰的一部分，为趾墙的上游支撑结构，采用坝体主堆石区料源填筑，填筑要求同主堆石区。

(3) 垫层：设于面板下游，水平宽度3 m，垫层料要求Dmax≤80 mm，小于5 mm的颗粒含量为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含量宜少于8%，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s。

(4) 过渡层：设于垫层下游，水平宽度3 m，过渡选料要求Dmax≤150 mm，小于5 mm的含量为30%～50%，小于0.1 mm含量<8%，渗透系数控制在10-2～10-3cm/s。

(5) 主堆石区：位于垫层下游，是面板的主要支撑结构。顶高程1 932.00 m，底部位于坝基；采用C2料场的砂砾料，小于5 mm的含量为30%～50%，含泥量小于5%。渗透系数控制在10-2～10-3cm/s。

(6) 下游次堆石区：即建筑物开挖即有用料，采用建筑物爆破开挖所得的新鲜或弱分化石料。

2.4 岸坡设计

由于坝区河谷狭窄，边坡较陡，为了改善坝体与陡岸坡的连接，采取了以下措施：

(1) 设置贴坡趾板，为减少岸坡石方开挖量，岸坡趾板设置了“L”形贴坡趾板，趾板水平宽度3.5 m，然后采用向上游开挖坡进行贴坡浇筑余下的趾板宽度。趾板总宽度按地基允许渗透比降和施工灌浆要求确定。

(2) 设特别碾压区，以提高接触带的压实密度和变形模量，减少堆石滑移，即使坝料沿岸坡滑移后也不易出现空隙。特别碾压区填筑层厚40 cm，宽50～40 m。

(3) 趾板水平及贴坡段均设置锚杆和基岩连接。

(4) 为保证止水的有效性，除设置周边缝止水外，在贴坡趾板的顶部与岩石接触部位增设1道止水，设置GBW止水，并涂刷2 mm厚聚脲。

2.5 防渗结构

(1) 混凝土面板垂直缝

本工程由于河谷狭窄，坝体填筑料因岸坡陡峭，将产生垂河向位移变形，造成岸坡面板结构缝多为张性缝，对河谷中心面板结构缝产生巨大挤压应力，可能造成河谷面板结构缝发生积压破坏。故在岸坡与河谷接触部位面板垂直缝中设置闭孔塑料板，协调坝体挤压变形，另外面板垂直缝均设2道止水，即底部铜片止水，顶部填充料止水，同时为防止冬季冰力对顶止水膨胀螺栓的破坏，在水位变化区部位采用沉头螺栓，水位变化区以下部分采用普通螺栓，螺栓间距为25 cm。

(2) 周边缝

由于本工程1 860.00 m高程以下采用高趾墙型式，所以本工程周边缝起始高程为1 860.00 m，周边缝实际作用水头70 m，设置2道止水。同时考虑到本工程坝体设防烈度达8度，为确保强震情况下周边缝仍能有效止水，铜片安置在PVC垫片上，垫片则铺设在砂垫块上，砂垫块坐落在垫层特别级配区，顶部止水为“GB”填料，其上以具有一定强度和柔性的薄层覆盖保护，缝内以沥青杉木板填充，板厚25 mm，与周边缝等宽。

(3) 防浪墙与面板的接缝

鉴于沟后水库因未重视防浪墙与面板的接缝止水设计而导致垮坝，考虑到本工程位于8度震区，地震工况下势必造成较大的防浪墙变位和较高的涌浪，为确保任何工况下均不致因库水通过进入坝体，从而危及坝体安全，防浪墙与面板的接缝设置1道底部铜片止水和1道顶部柔性填料止水。

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9 m设1道变形缝，变形缝位置应同面板接缝错开，缝内设1道橡胶止水带。

3 面板坝应力应变分析

本工程对混凝土面板砂砾石坝进行了三维有限元静力应力应变和动力响应计算分析。静力分析中坝体填筑料采用邓肯-张(Ducan-Chang)E-B非线性模型模拟，混凝土采用线弹性模型模拟，混凝土防渗墙与地基土的接触面采用薄层接触面单元模拟；动力计算中采用等效线性总应力法进行分析。计算结果如下：

(1) 坝体在自重作用下的沉降量最大为24 cm，坝体的变形在坝高的1%以内，而且蓄水后引起的坝体变形也不大，面板的挠度最大为8 cm，坝体的最大沉降为25 cm。从应力水平分布来看，除两岸局部地形陡变部位外，无论竣工期还是蓄水期，坝体绝大部分区域的应力水平总体上较小。

(2) 面板顺坡向应力在中上部以压应力为主，在面板的下部以及周边出现一定数值的拉应力，拉应力最大值为3 MPa。面板的水平向应力在中部坝段出现压应力，两岸坝肩的坝段出现拉应力区，尤其在左岸陡坡部位面板的拉应力最大值2 MPa。

(3) 面板竖缝在河谷中间部位表现为压缩，在两岸坝段表现为张开。面板周边缝的沉陷变形不大，张开变形较大，在左岸陡坡部位的周边缝张开量12.1 mm。

(4) 竣工期，在土压力作用下，高趾墙向上游变形，量值约0.6 cm；高趾墙的压应力最大约为3 MPa，发生在墙蹱部位，基本没有拉应力。蓄水期，由于水压力的作用，高趾墙发生向下游的变形，量值约3.5 cm；在墙趾部位产生8 MPa的压应力，在墙蹱部位产生约3 MPa的拉应力。高趾墙与连接板间的缝、连接板与趾板间的缝、趾板与面板间的缝都呈压缩状态。说明这种结构形式的防渗是安全的。

(5) 在50年超越概率10%的设计地震波输入下，坝顶顺河向加速度峰值约为7.3 m/s2，放大系数约为3.2，竖向加速度峰值约为3.5 m/s2，放大系数约为2.3。坝体的残余变形较大，最大沉降量在16 cm左右，最大顺河向位移8 cm。震后面板发生残余变形，最大挠度达到14 cm，面板两岸的竖缝及周边缝张开，最大张开值9 mm。

4 结 语

根据国内外面板坝工程的实践，结合本工程计算结果，可以得出如下结论：

(1) 将上游围堰建成一座刚性混凝土心墙坝，围堰堰体和防渗体按大坝主体工程的要求进行设计和施工，不仅优化了枢纽布置，提高了工程的度汛安全度，同时减少了高陡边坡趾板布置的难度和面板向上游河床延伸的长度。

(2) 岸坡设计中，应采取综合处理措施，降低工程施工难度，确保坝体与陡边坡的连接质量，减少坝体轴向位移。

(3) 狭窄河谷受岸坡约束影响，坝料三维拱效应显著。需有效划分填筑分区和提高坝料填筑要求，是工程质量的关键。

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Design of Concrete Face Rockfill Dam in Narrow Valley

WANG En-hui

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

In a narrow valley in Xinjiang, one CFRD is 106 m high at maximum, 141.3 m long and its ratio of width to height is 1.3,The dam is seated at the valley outlet where the river valley is narrow and the riverbed is 8～16 m wide. To improve the unfavorable geological and topographical conditions, the project borrows the successful experience in design of CFRD at home and abroad, the dam building technology such as high water retaining wall, slope plinth and provision of special compaction zone, etc is applied. Furthermore, the upstream cofferdam and the CFRD body are integrated. Accordingly, the outstanding economic benefit is achieved.

narrow valley; CFRD; high retaining wall; special compaction zone

2014-07-01

王恩辉(1980- )，男，湖北省沧州市人，工程师，从事水利水电工程的设计工作.

TV641.4+3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.010