响水涧抽水蓄能电站上库主坝分区及坝料设计

巩绪威 朱爱莉

响水涧抽水蓄能电站上库主坝分区及坝料设计

巩绪威 朱爱莉

响水涧抽水蓄能电站上水库主坝为混凝土面板堆石坝，按照充分利用库盆扩容开挖料上坝，达到土石方挖填平衡的指导思想，根据坝体变形、渗流特性及坝体稳定等要求，结合坝基地形条件，进行合理的坝体分区及坝料设计，施工阶段结合料源实际情况对坝体分区进行了优化设计，节省了工程投资。设计计算、施工期监测和反演分析以及运行期监测成果表明：坝体总体变形量较小，应力分布符合类似工程一般规律，面板挠度和应力、接缝变形均在允许范围之内。

面板堆石坝 坝体分区 增模区 筑坝材料 反演分析

安徽响水涧抽水蓄能电站位于安徽省芜湖市三山区峨桥镇境内，距芜湖市区约30 km。电站装机容量1 000 MW(4×250 MW)，属大(2)型二等工程，主要建筑物按2级建筑物设计。电站枢纽主要由上水库、输水系统、地下厂房系统、开关站和下水库等建筑物组成。电站2007年12月18日主体工程开工，2011年7月上水库开始蓄水，2012年11月4台机组已全部投入运行。

上水库由主坝、南副坝、北副坝及库周的山岭围成，洪水标准按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核，抗震设计烈度为Ⅵ度。正常蓄水位222.00m，设计洪水位222.80m，校核洪水位223.21m，正常消落水位198.00 m，死水位190.00 m。主、副坝均为混凝土面板堆石坝，坝顶高程225.00 m，筑坝石料主要取自上水库库盆扩容开挖料。

主坝建于响水涧冲沟上游段，坝址上游沟底纵坡平缓，下游沟谷较窄，沟底基岩裸露，平均纵坡坡度约为20°，坝顶长520 m，趾板以上最大坝高87 m，坝顶宽8.63 m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡马道之间坡度为1∶1.25（综合坝坡1∶1.42）。受坝基地形条件所限，坝轴线上下游方向坝体极不对称，从下游坝趾算起坝高达163 m，为减少坝体不均匀沉降，增加下游边坡和沿下游倾斜建基面的抗滑稳定性，下游陡坡建基面根据地形开挖成台阶状。为了防止下游堆石体沉降过大牵动上游堆石体向下游变形而导致面板开裂，下游堆石区设计为主堆石Ⅱ区，其中高程135 m以下设计为“增模区”。此外，沿下游坝体与倾斜基础的结合面增设了基础过渡区和排水层区。

1　上水库石料场

受沟谷地形限制，上水库库盆自然库容不能满足需要的发电库容，需要扩挖有效库容，库容扩挖石料用于主、副坝坝体堆石料的填筑。根据库区地形，结合上水库枢纽平面布置，扩容开挖选择主冲沟西南侧山脊进行。石料场位于上水库的西及西南库岸，山体雄厚，地形切割不深。组成岩石为中粗粒花岗岩。覆盖层及全风化岩石厚0.3～3.0 m，基岩强风化带下限埋深2～5.4 m，弱风化带下限埋深8～10 m，最深可达19.6 m。料场岩石新鲜，质地坚硬，根据可行性研究阶段专项筑坝料试验结果，石料在设计级配下，具有高填筑密实度、低压缩性和高抗剪强度的优点，是垫层、过渡层和主堆石区的理想选材。料场储量丰富，开采方便，施工便利。上水库石料室内物理力学性质试验成果见表1。

表1　室内岩石物理力学性质试验成果表

按招标阶段设计，西南侧库区形成高程182.00、189.00、197.00 m三级平台的开挖，高程190.00～222.00 m扩容220万m3；上水库工程区石方明挖463.21万m3，石方洞挖3.70万m3，主、副坝石方填筑408.21万m3(折合自然方为331.88万m3)，其中主坝填筑310.62万m3。实际施工时由于开挖料利用率的提高，根据施工土石方平衡结果，结合进/出水口水工模型试验，库内料场区仅按高程197.00 m平台开挖，环库公路高程226.00 m上、下按稳定边坡开挖，可以满足发电有效库容和上库筑坝材料需要，模型试验表明上进出水口水流流态良好。

2　坝体分区

2.1坝体分区设计

根据DL/T 5016—1999《混凝土面板堆石坝设计规范》，坝体应根据河谷地形条件、料源及其变形性质、坝高、施工方便和经济等因素进行分区。坝体分区应尽量利用建筑物开挖料和近坝区可用的料源；堆石坝体各区的透水性宜从上游向下游增加；坝体分区应有利于变形控制。按照上述规定，将坝体分为以下若干区，即自上游向下游依次为垫层区（2A）、过渡层区（3A）、主堆石Ⅰ区（3B）、主堆石Ⅱ区（3C）及下游护坡（3D）。在周边缝下设置特殊垫层区（2B）。

为用于覆盖高程较低处的面板、周边缝及面板垂直缝的防渗补强，在面板上游面下部高程175.00 m以下设置上游铺盖区（1A），为防止防渗土料失稳并起保护作用，在1A区上游设置盖重区1B。由于料场岩体风化微弱，质地良好，且岩性为单一的花岗岩，在坝体断面材料分区设计中，坝体堆石料全部采用主堆石料，即主堆石Ⅰ区（3B）和主堆石Ⅱ区（3C），分区线倾向下游，坡度1∶0.4倾向下游，两区仅在设计干容重、孔隙率等设计指标上略有差异。

为减少下游贴坡式坝体的不均匀沉降，参考宜兴抽水蓄能电站上库主坝断面分区设计的经验，在主堆石Ⅱ区高程135 m以下设置了主堆石Ⅱ增模区（3C2区）；由于坝轴线下游山体自然地形陡峻，为提高堆石与基岩的抗剪强度，增加坝体的稳定性，除削缓局部坡度过陡的山脊外，在主堆石Ⅱ区与基础之间设置一厚度为4.0 m的基础过渡区（3C1区），石料采用过渡层级配；为加强下游坝体的排水，沿响水涧冲沟沟谷地形布置1条纵向排水带（3F），宽度10 m，紧贴坝基布置，石料级配同主堆石区近似。主坝典型断面见图1。

2.2设计优化

施工后期，根据上库石料场的实际情况，覆盖层剥离后料场周边强风化层约3 m，其下为弱-微风化岩层，部分开挖石料碾压试验成果表明颗粒级配偏细，小于0.075 mm含量占4.2%～5.8%。为合理利用该部分石料，在经过材料抗剪强度试验及相关应力应变分析计算后，将该部分强风化料约10万m3利用于3C区的干燥区，称为3C3区。

主坝3C3干燥区部分改为强风化料后，与不用强风化料的方案相比，其位移变形规律、量值与不用强风化料的方案一致。原因是因为该区域位于高程198 m以上的坝轴线下游区，且该区域的面积仅占整个坝体断面面积的1.5%，对整个坝体变形的影响很小。

图1　主坝典型断面（长度单位：mm）

3　坝料填筑设计

3.1筑坝材料及填筑标准

坝料设计就是根据坝料性质、坝体变形受力特点及面板坝的渗流控制要求，对坝料进行最优配置与利用，将其布设于坝体最为适宜的部位，使大坝既安全又经济。根据坝体受力特点，对坝体各部位的填筑材料提出的设计指标见表2。

3.2坝体填筑施工

根据相关施工资料，主坝各区填筑顺序：断层处理→（3F）填筑→（3C1）填筑→（3C2）填筑→（3C）填筑→（3B）填筑→（3A）填筑→垫层填筑→上一层填筑。主堆石Ⅱ区先于主堆石Ⅰ区填筑，主堆石Ⅰ区最多滞后2～3层。堆石料采用15 t和20 t自卸汽车卸料时，采用进占法进行，采用D85推土机及时平整；过渡层料和垫层料采用10 t自卸汽车后退法沿坝轴线线方向间隔卸料，反铲平料。堆石料、排水料采用26 t自行式振动碾，过渡层料、垫层料采用20 t自行式振动碾，碾压参数通过碾压试验确定，碾压平行坝轴线方向按进退错距法进行碾压。振动碾行进速度控制在2 km/h以内。

实测数据表明，监理抽检及承包人自检主坝堆石体的孔隙率，小于现行设计规范的控制要求，各区的渗透系数满足设计要求。

表2　坝体填筑材料设计指标

4　坝体计算及监测成果

4.1坝坡稳定分析

计算采用中国水利水电科学研究院编制的《土质边坡稳定分析程序——STAB2008》进行计算，计算方法为简化毕肖普法。坝体各区材料物理力学指标见表3，计算成果见表4，均满足规范要求。

表3　筑坝材料的物理力学指标

4.2坝体应力应变分析

施工图阶段委托河海大学水工结构研究所，采用河海大学研制的TDAD三维有限元计算程序进行计算，坝体采用邓肯－张E－B非线性弹性模型，混凝土面板采用线弹性模式。筑坝材料邓肯模型参数见表5，坝体计算位移最大值见表6，最大主应力值见表7。

表4　稳定分析成果表cm

计算结果表明：施工期坝体朝上游最大水平位移为11.2 cm，朝下游最大水平位移为18.8 cm；最大沉降为48.5 cm，约为最大坝高87 m的0.56%。当蓄水至198.0 m时，上游侧坝体水平位移大部分指向下游，最大为19.9 cm；最大沉降增加到49.8 cm；当库水位升至222.80 m时，向下游位移最大值增大至23.1 cm；最大沉降增加到54.6 cm，约为最大坝高87 m的0.63%。施工期及各蓄水期小主应力均大于0，大主应力最大值1.60 MPa。应力水平均不超过0.9。蓄水引起坝体上游侧大、小主应力值有所增加，下游侧应力基本不变。总体来说坝体具有良好的稳定性。蓄水至198.0 m时，面板挠度最大值为14.3 cm，蓄水至222.8 m时，增大至28.8 cm。面板顺坡向应力均为压应力，最大值约为7 MPa，面板轴向压应力不大。周边缝最大错动位移为右岸向左岸4 mm；最大张拉位移值为拉开9 mm；最大沉陷位移为向坝内7 mm，蓄水后不会导致周边缝失效而影响面板的正常运行。

表5　筑坝材料模型参数

表6　计算位移最大值

表7　计算大、小主应力最大值MPa

4.3施工期监测成果

施工期的观测资料表明，蓄水前主坝累计最大沉降52.56 cm，略大于计算值48.5 cm；水平位移向上游累计位移2.51 cm，小于计算值11.2 cm，向下游累计位移20.14 cm，略大于计算值18.8 cm。考虑到坝体堆石的实际状态介于风干料与饱和料之间，实测值略大于风干参数计算值属正常，蓄水后最大沉降占最大坝高87 m的0.6%，符合已建同类工程规律。面板垂直缝张拉位移及周边缝三向位移都不大，面板和止水系统正常运行。

4.4主坝反演分析成果

为预测主坝蓄水后的性状和确保大坝安全，河海大学水工结构研究所根据施工期坝体变形监测资料，在上水库蓄水前对主坝筑坝材料的特性参数进行反演分析，应用反演的材料特性参数对主坝应力变形进行计算，于2011年5月完成了分析报告。反演分析堆石材料E-B模型参数结果见表8中。

表8　反演堆石材料E-B

反演分析的应力变形计算结果表明：坝体填筑蓄水后，计算的变形量不大，蓄水后向下游方向的水平位移最大值为25.6 cm，最大沉降位移为75.1 cm，占坝高0.9%，与同类土石坝工程的计算值相近。坝体内应力水平不高，均小于0.8，坝体基本处于弹性变形阶段，满足工程要求。蓄水后计算的面板挠度最大值为26.2 cm，相应处坝高的比值为0.29%，小于同类工程的计算值；面板内应力基本为压应力，最大值为1.4 MPa，远小于混凝土的抗压强度12.5 MPa；计算的面板垂直缝最大张开位移3.5 mm，库底周边缝的三向位移最大值小于14 mm，均能保证面板止水系统的正常运行。

4.5运行期观测成果

截至2014年9月底观测资料表明，主坝累计最大沉降为61.07 cm，占坝高比0.71%，水平位移最大值为22.37 cm，占坝高比0.26%，坝体内部沉降变形基本平稳，符合一般规律，没有发生异常突变。面板垂直缝开度最大在3.1～5.7 mm，周边缝最大垂直位移在36.8 mm，最大开度为7.12 mm，最大剪切位移为3.39 mm，面板止水系统的正常运行，周边缝垂直位移变化基本稳定。上水库日渗流总量为12.35 L/s，约为相应库容的1/11 800，满足DL/T 5028—2005《抽水蓄能电站设计导则》在0.2‰～0.5‰总库容范围以内的要求。

巩绪威 男 高级工程师 上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434

朱爱莉 女 教授级高级工程师 上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434

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（2016-09-01）