洪屏抽水蓄能电站上库西副坝结构设计优化

朱安龙，王红涛，张 胤，张 萍

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京210006)



洪屏抽水蓄能电站上库西副坝结构设计优化

朱安龙1，王红涛1，张 胤2，张 萍1

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京210006)

洪屏抽水蓄能电站上水库西副坝坝址地质条件差，地形凌乱。招标和技施阶段，根据对坝址区地形地质条件的进一步分析，对左右岸大坝体形、材料分区、趾板基础开挖与结构等开展设计优化工作。通过设计优化，采取了降低左岸趾板上游边坡高度，并加强边坡处理；取消右岸高趾墙；加强趾板帷幕灌浆等处理措施，在相同的投资条件下，简化了施工工艺，提高了大坝运行的安全性。

混凝土面板堆石坝；高趾墙；高边坡；设计优化；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

江西洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，电站由上水库输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库等建筑物组成。上水库由一座混凝土重力坝和两座混凝土面板堆石坝围成。

西副坝坝址位于水库盆地西侧垭口即小溪出口处，坝址谷底宽20 m，正常蓄水位733 m处断面宽193 m。两岸地形零乱，冲沟发育，河床高程688.5 m，两岸山顶高程左岸756.29 m，右岸796.15 m，坝址两岸地形坡度左岸30°～40°，右岸15°～35°。在正常蓄水位处，山体最小宽度左岸40 m，右岸30 m。坝址基岩为单一的变质泥质粉砂岩，岩质较软弱，抗风化能力较低。洪屏向斜核部从副坝坝基冲沟部位穿过，受其影响冲沟及两侧断层集中发育，整个坝基共发育18条断层或贯通的节理面。根据地形地质条件，西副坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程738.0 m，最大坝高57.7 m，坝顶长367.5 m。大坝填筑总方量约52万m3。

2 可行性研究阶段坝体结构设计

2.1 坝体结构设计

(1)坝体断面设计。坝体断面根据稳定性要求，并参考国内已建工程经验进行设计。坝顶高程738.9 m，宽7.0 m，上游设计4.7 m高防浪墙，墙顶高程740.1 m。大坝上游设置钢筋混凝土防渗面板，坡比1∶1.4。704.0 m高程以下的面板上游铺设粉土和石渣进行压覆。大坝下游采用干砌块石护坡，坡比1∶1.5，每隔25 m设置一条宽3.0 m马道。

(2)坝体分区设计。大坝填筑分区采用典型的面板堆石坝分区结构，从上游向下游填筑料压缩模量逐渐减小、渗透性逐渐增大，自上游至下游依次为垫层区、过渡区、主堆石区和下游堆石区，周边缝下游局部设置特殊垫层区。垫层区及过渡区坡比均为1∶1.4，水平宽度分别为2.0、4.0 m。主堆石区上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶0.5。下游堆石区上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶1.5。为改善坝体排水条件，坝体河床部位690.0 m高程以下设主堆石排水层。填筑料取自库尾料场以及主坝、南库岸开挖料，岩性为变质含砾中粗砂岩。

(3)趾板布置设计。结合本坝址的地形、地质条件及坝体挡水高度，确定趾板在698 m高程以下宽7 m，厚0.5 m；698 m高程以上宽5 m，厚0.5 m，趾板不设伸缩缝。为了避开右岸趾板前的冲沟，使趾板布置平顺并且减少坝体开挖、填筑，在西副坝右坝头设一重力式高趾墙，高趾墙一侧与趾板相连，另一侧与右坝头相连。高趾墙最大高度12 m，长58 m。挡墙迎水面竖直，背水面坡1∶0.6，墙顶宽4.0 m，平均每10 m左右设一道结构缝。挡墙混凝土强度等级为C25。

(4)防渗设计。沿西副坝趾板基础全线进行帷幕灌浆。帷幕灌浆深度按达到基础相对隔水层(q≤1Lu)以下5 m，以截断可能的渗流通道为原则。帷幕灌浆孔深11～53 m，一般为单排孔，孔距2 m，遇断层破碎带及裂隙密集带适当加密为两排孔。左岸坝基防渗帷幕与西副坝-西南副坝段的库周防渗帷幕连成整体，右岸坝基防渗帷幕通过库岸廊道延伸至正常蓄水位与地下水位线相交处。

2.2 坝体结构存在的主要问题

西副坝坝体及开挖影响范围内，地形地质条件都存在一些不利的因素。主要表现为坝址区域地形凌乱、冲沟发育，强风化及弱风化表层岩体破碎，两岸中低高程以下断层发育。坝体结构布置需要充分认识不利因素的存在，并尽可能合理化利用，以达到技术和经济的统一。可行性研究阶段大坝布置存在以下问题值得进一步研究。

(1)坝体结构。由于本工程次堆石采用强弱风化料填筑，根据地质勘查阶段料场试验数据显示，不同风化程度的岩石质量差异很大，强风化岩饱和单轴抗压强度6～8 MPa，软化系数0.2，弱微风化岩石湿单轴平均抗压强度63 MPa，软化系数约0.7。根据可行性研究阶段坝料试验，次堆石(掺入30%的强风化料)与主堆石之间的邓肯-张模型的参数K差异很大，主堆石K=902，次堆石K=470，力学参数差异影响坝体内部变形协调。有限元计算成果表明在主次堆石之间变形和应力分布存在突变情况。

(2)两岸坝体的断面形式。可行性研究阶段，两岸坝体结构形式与河床坝段一致，趾板下游坝基接一段水平段后，以1∶2.0的坡度开挖与自然地形相交。本工程两岸坝体范围内均为单薄的山脊，按照原设计方案，两个单薄山脊大部分被人工开挖。若能进一步对坝体结构进行优化，充分利用两座小山脊，可以减小开挖量和填筑量。

(3)左岸上游边坡处理。左岸趾板中部高程的水平段正好沿冲沟布置，对上游的小山脊造成人为的高边坡开挖，而且开挖深度浅，边坡开挖高度45 m，平均开挖深度约4 m。该边坡主要部分位于水位变幅区内，工作条件恶劣，喷混凝土在运行期容易出现脱落破损情况。原设计的喷锚支护方案在实际运行中存在一定的隐患，并且该边坡正对面板和趾板，面板和趾板抗冲击能力弱。因此，对该边坡不仅要求整体稳定，对于表面局部的坍塌也要严格控制。

(4)高趾墙安全和施工质量控制。为了避开右岸冲沟，采用高趾墙的方案，从坝体布置上来说较为有利，但是也存在一些问题。齿墙基础受F14、F52断层影响，风化较深，弱风化上限埋深达到30～50 m。因此，齿墙基础坐落在强风化上部至表层的位置，地质条件较差，存在一定的安全风险。趾墙受力条件复杂，而且其安全性直接影响整个大坝的安全。此外，相比常规的趾板方案，趾墙施工复杂，施工质量控制要求更加严格，尤其是趾墙后的坝体填筑施工质量直接影响周边缝的工作性能[2- 5]。因此，从趾墙的布置条件和施工控制上面来看，高趾墙方案尚存在一些不利因素，需要进一步研究和优化。

(5)坝基防渗。受洪屏向斜的影响，坝基两岸705.0 m高程以下断层集中发育。在断层发育的部位帷幕灌浆深度以相对隔水层线(q≤1.0Lu)控制存在一定的风险。岩体的相对隔水层位置受勘测孔布置影响较大，主要反映的也是岩体的透水性能。而且根据地勘对断层的渗透性检测，断层渗透主要以中等透水为主，因此完全按照岩体的透水率控制，断层区域仍然存在集中渗漏的风险。

3 设计优化

3.1 坝体结构设计优化

(1)坝体结构优化[1]。为了减小主次堆石之间物理力学性质差异过大造成的应力应变分布不均匀，接触面存在突变问题，在主次堆石之间设置水平宽2.0 m的堆石过渡料区。堆石过渡料的力学性能介于主次堆石之间，以协调主次堆石之间的应力和应变。主次堆石过渡料采用主堆石和次堆石1∶1混合，孔隙率控制在主堆石和次堆石之间。另外考虑到坝基部位690.0 m高程以下河谷窄浅，仅10～15 m宽，2 m深，堆石排水体排水能力不满足渗漏要求，次堆石存在浸水情况，因此增加排水堆石填筑高程至695.0 m，并在主次堆石之间填筑2层(1.6 m厚)过渡料起到反滤保护作用。优化前后典型断面见图1。

图1 优化前后坝体典型断面

(2)两岸坝体断面形式优化。参考国内其他工程经验，两岸坝体充分利用原有山脊，布置为库岸防护形式，山脊部位的开挖标准按照垫层料和过渡料的断面要求进行。但是由于河床部位断面突然变大，两岸和河床坝段衔接容易出现变形不协调的问题，对面板的变形存在不利影响。因此两岸各设置30 m的过渡段，两岸典型开挖和结构断面见图2所示。

图2 岸坡段典型剖面

(3)左岸趾板上游边坡设计优化。左岸中部高程的水平趾板原设计高程为700.0 m，为弱风化上部。由于该高程趾板水头较低，为33 m，有局部优化的条件。将该段趾板基础高程适当调整为702.00 m，基本为强弱风化分界部位，相对该高程坝高为40余米，强风化中下部作为趾板基础面，可满足结构要求。趾板基础面抬高2 m后，该部位的边坡高度由原设计的45 m降低至优化后的38 m，边坡面积和开挖量均有所减小。考虑到喷混凝土质量较难控制，且运行后存在脱落的风险，将水位变幅区内边坡喷混凝土调整为C20贴坡混凝土方案。根据该部位的地形，边坡右侧冲沟内岩体质量较差，存在蓄水后塌落至面板和趾板的风险，不仅影响面板的运行安全，更重要的可能会造成周边缝表面止水损坏，因此需将大坝上游铺盖设置范围由704.0 m高程调整至710.0 m。调整后的粉土和石渣铺盖不仅可以对该部位的周边缝表面止水进行保护，还可对塌落的部分石渣起到缓冲的作用，从而减小对面板的不利作用。

(4)右岸高趾墙优化。招标阶段对冲沟部位进行钻孔勘探，结果显示沟底全风化下限埋深较浅，约1～3 m，具备取消高趾墙的条件。趾板在705.00 m高程后布置一段长71.1 m的水平段趾板，然后布置坡比为1∶1.66的斜趾板至坝顶。调整后的这一段趾板代替了原混凝土趾墙，基础沿线坐落在强风化上部。根据上述趾板线调整，700.00 m高程以上的趾板基础相对较差，为了保持原设计方案接近的防渗效果，并简化施工，趾板尺寸统一为6 m×0.5 m(宽×厚)。

(5)防渗设计优化。由于西副坝位于洪屏向斜核部，断层集中发育，趾板沿线共分布18条断层或贯通的节理面，其中宽度超过1.0 m的大断层6条，集中在趾板中下部280 m范围内，均沿河床方向通向库外，因此加强该部位的帷幕灌浆是必要的。综合渗漏量计算，将西副坝主帷幕深度控制标准进行调整：断层发育区为50 m，两岸高程部位按30 m控制并不浅于相对隔水层(超过原可行性研究阶段的控制标准)，并在断层集中发育的部位设置副帷幕，副帷幕深度按30 m控制。

3.2 设计优化的效益

本次设计优化主要体现在建筑物安全性提高、施工难度降低等方面。

(1)提高建筑物运行安全。通过在主次堆石区之间设置堆石过渡区，协调不同区域的应力应变，进一步改善坝体的工作性能；通过局部抬高左岸趾板、抬高面板上游铺盖高程以及调整高边坡防护方案等措施提高了左岸边坡的整体稳定和表层稳定，并减小了冲沟局部坍塌对面板、趾板以及止水造成的危害，提高了大坝的运行安全；避免了高趾墙在结构方面的不利影响，进一步提高大坝运行安全；通过加强基础帷幕灌浆，进一步控制渗漏量，改善坝体运行条件，降低断层渗透破坏风险。

(2)降低施工难度。取消高趾墙后，与之相应的齿墙及其基础处理、墙后堆石体填筑等质量控制要求较高、施工难度相对较大等问题相应消除，简化了该部位的施工工艺，对大坝整体质量控制的提高起到了积极作用。

(3)设计优化的经济性分析。通过本次设计优化，虽然加强了边坡防护和帷幕灌浆，增加了面板防渗面积，相应投资增加约600万元，但同时也减小了大坝的开挖和填筑、减小了趾板和趾墙总混凝土以及边坡防护面积等工程量。根据计算，在同等设计精度下，设计优化范围内投资增减基本相当。

4 总 结

洪屏抽水蓄能电站西副坝坝址不仅地质条件差，而且地形凌乱，对大坝的布置造成了极大的困扰。面对不利的地形地质条件，在充分分析并辅以补充地质勘察工作的基础上，对趾板和大坝整体结构进行了设计优化，充分利用了面板堆石坝地形地质条件适应性强的优势。本次设计优化在不增加投资的基础上，简化了施工工艺，进一步改善了整个大坝的运行安全，取得了良好的综合效益。

通过本次设计优化得到一些启示，可供其他类似工程借鉴：

(1)趾板布置应尽量避开深切的冲沟，趾板以放在冲沟下游为宜，不造成对冲沟上游山体的开挖，否则极易形成高边坡。

(2)在无明显的经济或技术优势的前提下，不宜使用高趾墙。高趾墙受力条件差，稳定要求远高于普通挡墙，不仅体积庞大，对基础的要求也高于普通的薄趾板结构，并且趾墙施工难度大，对周边缝的变形也存在不利的影响。

(3)面板堆石坝为了充分利用开挖料，一般次堆石的填筑要求较低。但是对于不同风化程度的岩石质量差异大的工程，应注意主次堆石之间变形协调问题。通过设置堆石过渡区可以起到协调应力和变形的目的。

[1]杨秀方， 石成名， 陈宇. 梨园水电站混凝土面板堆石坝技术优化与质量管控措施[J]. 水力发电， 2015， 41(5)： 63- 66．

[2]郭娜， 沈振中， 姜嫒嫒， 等， 海甸峡面板堆石坝高趾墙性态计算研究[J]. 水电能源科学， 2005， 23(2)83- 85．

[3]安盛勋. 混凝土面板堆石坝潜没式混凝土高趾墙设计[J]. 西北水电， 2009(2)： 18- 21．

[4]崔岗， 韩世栋， 潘琳， 等. 面板堆石坝周边缝观测中的几点探讨[J]. 水电自动化与大坝监测， 2013， 37(1)： 46- 49．

[5]傅中志， 王占军， 陈生水. 潜没式高趾墙土压力与稳定计算方法[J]. 水利水运工程学报， 2014(3)： 1- 8．

(责任编辑 焦雪梅)

Design and Optimization of West Sub Dam of Upper Reservoir in Hongping Pumped-Storage Power Station

ZHU Anlong1, WANG Hongtao1, ZHANG Yin2, ZHANG Ping1

(1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China；2.Nanjing Water Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210006, Jiangsu, China)

The dam site of west sub dam of upper reservoir in Hongping Pumped-storage Power Station has a poor geological condition and messy terrain. During tendering and construction drawing design periods, the designs of left and right bank dam body shape, material partition, and foundation excavation and structure of toe slab are optimized according to further analysis on geological conditions of dam area. By design optimization, the height of left bank slope is reduced and the slope treatment is strengthened, the right high toe wall is canceled, and the curtain grouting of toe slab area is strengthened. Through above optimizations, the construction process is simplified and the safety of dam operation is improved under same investment condition．

concrete face rockfill dam; high toe wall; high slope; design optimization; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

朱安龙(1980—)，男，江苏江宁人，高级工程师，注册土木工程师(岩土)，硕士，主要从事水工建筑物设计工作．

TV641.43(256)

B

0559- 9342(2016)08- 0034- 04