长河坝水电站砾石土心墙堆石坝设计

2016-04-07张丹，何顺宾，伍小玉

四川水力发电 2016年1期

关键词：结构设计

张　丹，　何顺宾，　伍小玉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝设计

张丹，何顺宾，伍小玉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：长河坝水电站砾石土心墙堆石坝最大坝高240 m，坝基覆盖层最深约53 m，工程场地地震基本烈度为Ⅷ度。针对大坝“坝高高、地震烈度高、工程等别高及坝基覆盖层深厚”的特点和难点，进行了大量的专门研究工作，在坝体结构设计、坝基处理设计、筑坝材料设计及抗震设计中采取了一系列有针对性的措施，保证了大坝安全可靠。

关键词：长河坝水电站；砾石土心墙堆石坝；结构设计

1工程概述

长河坝水电站工程的主要任务为发电，枢纽建筑物主要由砾石土直心墙堆石坝、左岸引水发电系统、右岸2条开敞式进口溢洪洞、1条深孔泄洪洞及1条放空洞组成。砾石土直心墙堆石坝建造于深厚覆盖层地基上，最大坝高240 m，坝基覆盖层最深约53 m。

2坝址区工程地质条件

长河坝水电站区域地质构造背景复杂，场址地震基本烈度为Ⅷ度。大坝抗震设防类别为甲类，按Ⅸ度抗震设防。根据地震安评成果，大坝的设计地震取基准期100 a内超越概率P100为0.02的基岩峰值加速度为0.359 g，校核地震取基准期100 a内超越概率P100为0.01的基岩峰值加速度为0.43 g。

坝址处大渡河流向由南东转为南西，形成一个90°的河湾。坝轴线附近河谷相对开阔，呈较宽的“V”型，两岸自然边坡陡峻，临江坡高700 m左右，左岸1 590 m高程以下坡角一般为60°～65°，1 590 m高程以上坡角一般为40°～45 °；右岸1 660 m高程以下坡角一般为60°～65°，1 660 m高程以上坡角一般为35°～40 °；枯水期河水面宽110～120 m，水深3～5 m。正常蓄水位1 690 m高程对应谷宽459 m，岸坡中冲沟较发育。

坝址区岩体为晋宁期-澄江期的侵入岩，其岩性以花岗岩(γ2(4))、石英闪长岩(δ02(3))为主。坝址区河谷深切，谷坡陡峻，天然地应力较高，河谷强烈下切导致谷坡向临空方向产生较强烈的卸荷。已有探洞揭示强卸荷水平深度多达30 m以上，局部可达65 m。

坝基河床覆盖层厚度为60～70 m，局部达79.3 m，结构较复杂，自下至上由老至新分为3层：第①层：漂(块)卵(碎)砾石层(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②层：含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布在河床覆盖层中部及一级阶地上，②层中上部广泛分布②-C砂层，厚度为0.75～12.5 m，顶板埋藏深度3.3～25.7 m，为饱水的少粘性砂土；第③层：漂(块)卵砾石层(alQ42)，厚度为4～25.8 m。

3大坝设计

3.1坝体断面分区设计

砾石土心墙堆石坝坝轴线走向为N82°W，坝顶高程1 697 m，坝底高程1 457 m,最大坝高240 m，坝顶长502.85 m，上下游坝坡均为1∶2，坝顶宽度为16 m。

心墙顶高程1 696.4 m，顶宽6 m，心墙上、下游坡度均为1∶0.25，底高程1 457 m，底宽125.7 m，约为水头的二分之一。心墙在左右岸从高程

1 457～1 696.4 m顺河流向上下游各加宽10～0 m，各高程垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收缩。为了防止靠两岸侧心墙因大变形而开裂，在心墙与两岸基岩混凝土盖板之间铺设了高塑性粘土，左岸1 597 m、右岸1 610 m高程以上水平厚度为3 m，以下水平厚度为4 m。

在心墙上、下游侧均设置了反滤层。上游设置的一层为反滤层3，厚度为8 m；下游设置两层反滤层，分别为反滤层1和反滤层2，厚度均为6 m。心墙底部在坝基防渗墙下游亦设置了厚度各为1 m的两层水平反滤层，与心墙下游反滤层相接。在心墙下游过渡层及堆石与河床覆盖层之间设置了反滤层4，厚度为1 m。上、下游反滤层与坝壳堆石间均设置过渡层，水平厚度均为20 m。在堆石与两岸岩坡之间设置了厚3 m的水平岸边过渡层。

上游坝坡高程1 530.5 m以上采用大块石护坡，护坡厚度为1 m。下游坝坡采用干砌石护坡，护坡厚度为0.8 m。上游围堰包含在上游压重之中，上游压重顶高程为1 530.5 m。在下游坝脚处填筑压重，顶高程为1 545 m，顶宽30 m。

3.2坝基处理设计

坝址区河床覆盖层结构较复杂，3层覆盖层均具有较高的承载力、低压缩性、强透水性和抗剪强度。覆盖层作为高砾石土心墙堆石坝地基主要存在以下问题：

(1)地基承载强度与变形稳定。

该覆盖层地基总体为漂(块)卵砾石层，粗颗粒基本构成骨架，结构较密实，其承载强度和抗变形能力均较高，可以满足基础承载变形要求。但由于覆盖层结构不均一，其中有分布较广的②-C砂层(含泥(砾)中～粉细砂)。该砂层对覆盖层地基的强度和变形影响较大，存在不均匀变形问题。

(2)地基渗漏与渗透变形稳定。

坝基覆盖层漂(块)卵砾石层渗透系数K=8×10-2～2×10-1cm/s，具强透水性；②-C砂层渗透系数K=6.86×10-3cm/s，具中等透水性。漂(块)卵砾石颗粒大小悬殊，结构不均一，允许渗透坡降J=0.1～0.15，局部存在架空部位J=0.07；砂层允许渗透坡降J=0.2～0.25，渗透坡降较低，抗渗稳定性差，易产生管涌破坏；此外，河床覆盖层具多层结构且夹有砂层，由于其渗透性的差异，有产生接触冲刷的可能性，存在渗漏和渗透变形问题。

(3)地基抗滑稳定。

坝基覆盖层结构总体较密实，抗剪强度较高，φ=28°～32°，但河床覆盖层中②-C砂土层抗剪强度较低，φ=21°～23°。在地震工况下，因砂土动强度降低可能引起通过砂层弱面的失稳，对坝基抗滑稳定不利。

(4)砂层液化。

坝基覆盖层中分布较广的②-C砂层为第四纪全新世Q4地层，具有中等压缩性及较弱的渗透性。砂层在天然状况下初判为可能液化砂，经过标贯、相对密度、相对含水量和液性指数、振动液化试验等复判，均认为该砂层天然状况下为可液化砂层。三维有限元法坝体坝基动力分析认为，建坝后在坝脚一定范围内该砂层仍发生液化，且在地震作用下砂层的强度有较大程度地衰减，采用砂层动强度复核下游坝坡稳定，其危险滑弧通过砂层且抗滑稳定安全系数不满足规范要求，因此，②-C砂层作为大坝地基需进行工程处理。

针对上述问题，采取了以下坝基处理措施：

为减小心墙的沉降和变形，增加大坝的抗震安全性，将心墙及反滤层底部的砂层予以全部挖除。该区域大部分②-C砂层底部高程为1 457 m，为减少不均匀沉降变形的产生，将河床部位心墙和反滤层底部覆盖层开挖保持在同一高程(1 457 m)。上下游坝壳堆石体和过渡层在河床部位建于覆盖层③层漂(块)卵砾石(alQ42)与②层含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)上，粗颗粒基本构成骨架，结构较密实，其承载和抗变形能力均较高，可满足基础承载变形要求。对坝壳地基中分布的②-C砂层进行挖除处理；在未分布砂层部位，对其覆盖层表层的淤泥质、松散堆积物、腐植土等进行挖除，将陡坎、出露较大的孤石等挖除，以保证坝基平缓，避免出现较大地起伏。

两岸坝肩岩体均为弱风化强卸荷花岗岩，岩体坚硬、可灌，可作为心墙基础。心墙建基面开挖在保证坡度以及变坡时的变换角度满足规范要求、顺河向尽量平顺的前提下，尽量考虑减少其开挖量。由于地形起伏大，左岸最大水平开挖深度约为35 m，右岸最大水平开挖深度约为40 m。堆石区基岩地基采取将1～2 m植物根系较多的表层岩石以及松动、突出的岩块和局部风化严重的岩石予以清除、对突变和负坡部位进行开挖整理平顺的措施。过渡层基础则由反滤层基础与坝壳基础通过1∶1的斜坡过渡连接。

为改善心墙沉降并增强覆盖层的抗渗性能，对心墙底部的覆盖层坝基进行固结灌浆(深5 m)。为防止在心墙与坝基接触部位产生接触渗流和冲刷，在心墙基岩开挖面设置了一层厚度为0.5 m的钢筋混凝土板，采用锚筋将混凝土板锚固在基岩上。由于岩体卸荷强烈且开挖爆破亦会破坏岩体表层的完整性，故对心墙部位两岸强卸荷基岩采用固结灌浆处理以封闭较发育的节理、裂隙，提高基岩的完整性、降低其透水性，提高抗渗性能。左岸固结灌浆深15 m，右岸深10 m。

河床部位心墙地基挖除②-C砂层后还余厚度约为53 m的覆盖层，其具有强透水性，故采用两道全封闭混凝土防渗墙进行防渗，两墙之间的净距为14 m，形成一主一副的布置格局。主防渗墙厚1.4 m，布置于坝轴线平面内，通过顶部设置的灌浆廊道与防渗心墙连接，防渗墙与廊道之间采用刚性连接。副防渗墙厚1.2 m，布置于坝轴线上游，与心墙间采用插入式连接，插入心墙内的高度为9 m。

防渗墙底以下及两岸强透水基岩的防渗均采用灌浆帷幕，以基岩透水率q≤3 Lu作为相对不透水层界限，灌浆帷幕深入相对不透水层的深度不少于5 m。为减小两岸绕墙渗漏，提高副防渗墙承担水头的比例，对副防渗墙周边的强卸荷岩体进行了帷幕灌浆，并在副防渗墙帷幕和主防渗墙帷幕之间设置了连接帷幕。

3.3筑坝材料设计

砾石土心墙堆石坝坝体填筑总量约为3 400万m3，其中：砾石土心墙料430万m3，高塑性粘土20万m3，反滤料167万m3，过渡料246万m3，堆石料2 318万m3，压重体料207万m3。

3.3.1防渗砾石土料

鉴于该大坝坝高、坝基覆盖层深厚，故要求大坝心墙料在具备较强防渗抗渗性能的同时具有较高的强度，以控制大坝的变形量，为此，对心墙的细粒含量(特别是粘粒含量)、粒径大于5 mm的颗粒含量(P5含量)及压实参数进行了严格控制。

对于心墙防渗砾石土料，要求其最大粒径不宜大于150 mm和铺土厚度的2/3，粒径大于5 mm的颗粒含量不宜超过50%且不宜低于30%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不应少于15%，粒径小于0.005 mm的颗粒含量不少于8%，颗粒级配应连续。心墙料铺料厚度为30 cm，26 t振动凸块碾静碾2遍后振碾12遍，碾后要求全料压实度不小于97%，细料压实度不小于100%，渗透系数应不大于1×10-5cm/s，抗渗透变形的破坏坡降应大于5，其渗透破坏型式应为流土。

防渗砾石土料开采自大坝上游汤坝土料场，汤坝土料场位于坝区上游金汤河左岸与汤坝沟之间的边坡上，距坝址22 km，开采条件较好。料场分布高程2 050～2 450 m，面积为72万m2，有用料总储量约为860万m3，约有460万m3土料剔除超径石后可直接上坝填筑，其余土料则偏粗或偏细。经多次掺配试验研究后，偏粗料和偏细料按一定比例掺配后可满足上坝要求。

心墙与两岸连接部位及副防渗墙插入段和廊道与心墙连接部位的高塑性粘土取自大坝下游泸定县城对岸的海子坪，距坝址约70 km。高塑性粘土最大粒径宜小于5 mm，粘粒含量应大于25%，塑性指数应大于15。

3.3.2反滤料

心墙下游面和底部的反滤层1及反滤层2位于渗流出口处，对土石坝的安全起着关键作用。为确保防渗体不致于发生渗透破坏，设计时特别注意增强了该部位“关键性反滤”的可靠性。当水位降落时，心墙流向上游的水力坡降一般较小，渗水量、流量与流速也很小，因此，适当简化了上游反滤层的设计以降低工程造价并便于施工，在满足反滤准则的前提下，在上游侧设置了反滤层3。按照反滤准则，初步设计反滤料级配，最终通过试验优化确定反滤料级配。由于坝址附近的天然砂砾石料场规模小，分布零散，储量不能满足要求，故反滤料全部采用人工骨料。

按反滤准则设计并经试验论证后的设计反滤料1最大粒径不大于20 mm，D15=0.15～0.5 mm，D85=2.8～7.8 mm，碾压后渗透系数不小于1×10-3cm/s。反滤料2最大粒径不大于80 mm，D15=1.4～5 mm，D85=15～46 mm，碾压后渗透系数不小于1×10-2cm/s。反滤料3最大粒径不大于40 mm，D15=0.25～0.75 mm，D85=8～19 mm，碾压后渗透系数不小于2×10-3cm/s。反滤料铺料厚度为30 cm，采用26 t自行式振动平碾静碾2遍后振碾8遍，碾后相对密度不小于0.85。

3.3.3过渡料与堆石料

经料源规划，将枢纽建筑物的洞挖料用于加工混凝土骨料，明挖料用于大坝上、下游压重和围堰堆石填筑。过渡料和堆石料均采用坝址上游响水沟料场开采的微、弱风化或新鲜的花岗岩和坝址下游江咀料场开采的微、弱风化或新鲜的石英闪长岩，两个料场石料的饱和抗压强度均大于60 MPa。

过渡料宜在变形及渗透性能上具有良好的过渡作用，即在反滤层到堆石料之间不至于产生突变。要求过渡料最大粒径不大于400 mm，D15≤20 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量不大于17%且不小于4%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不宜超过3%，级配连续良好。过渡料铺料厚度50 cm，采用26 t自行式振动平碾静碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于20%，渗透系数不小于5×10-2cm/s。

要求堆石料最大粒径不大于900 mm，D15≤29 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量不大于20%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于3%，级配连续良好。堆石料铺料厚度为100 cm，采用26 t自行式振动平碾静碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于21%，渗透系数大于1×10-1cm/s。

3.4抗震设计

针对高设防烈度，该大坝主要考虑了以下抗震措施：

(1)坝型选择了抗震性能较好的土质直心墙堆石坝。坝顶超高考虑了若发生地震时坝体和坝基产生的附加沉陷和水库地震涌浪。扩大了心墙厚度，采用宽心墙，同时加厚了反滤层和过渡层的厚度。在上下游坝脚铺设压重，以增强大坝地震时的抗滑稳定性。

(2)提高了坝料设计和填筑标准。

(3)在心墙与混凝土及岸坡基岩接触部位填筑高塑性粘土并加大防渗体断面。

(4)在坝体上部约1/5坝高范围堆石内布置了土工格栅加筋。在大坝上、下游坡面分别设置了大块石护坡和干砌石护坡。

(5)设置了放空洞。

4结语

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝是防渗体位于深厚覆盖层上的世界最高堆石坝，大坝具有以下特点和难点：

(1)工程等别高：电站为Ⅰ等大(1)型工程，砾石土心墙堆石坝为1级建筑物。

(2)工程地处高山峡谷地区，两岸坝肩自然边坡高陡。