利用库盆开挖料填筑面板堆石坝的坝体设计和结构静动力分析

熊燕梅

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

利用库盆开挖料填筑面板堆石坝的坝体设计和结构静动力分析

熊燕梅

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

厦门抽水蓄能电站上水库面板堆石坝上游填筑区采用库内石料场开采的弱微风化料，下游填筑区利用库盆剥离的全风化土料，上、下游填筑区由于料源组成不同存在一定的压缩模量差，设计采取了调整填筑区分界面倾角、设置过渡区等关键技术工程措施，并进行了三维有限元应力应变分析计算，成果表明，可保证大坝的变形协调及安全稳定性。

面板堆石坝；全风化；开挖弃渣料；坝体断面；坝料设计；静动力分析

1 坝体断面设计

厦门抽水蓄能电站位于福建省厦门市同安区汀溪镇境内，电站总装机容量1 400 MW，为一等大（1）型工程。上水库库区位于汀溪镇汪前村荇后自然村，上水库正常蓄水位867.00 m，死水位842.00 m，总库容1 024万m3。大坝按重现期200年洪水设计、2 000年洪水校核。采用基准期100年超越概率2%的地震动参数作为抗震设计标准，相应的基岩水平峰值加速度代表值为226 gal；采用基准期100年超越概率1%的地震动参数作为抗震校核标准，相应的基岩水平峰值加速度代表值为271.2 gal。

上水库为一个近圆形的山顶小盆地，库周山体以低山丘陵为主，上水库共布置一座主坝和两座副坝，主坝采用钢筋混凝土面板堆石坝坝型，坝顶高程874.80 m，最大坝高62.3 m，坝顶长度640 m。

为满足电站装机规模所需的库容，在上水库设置库内石料场进行增容开挖。上水库石料场、进/出水口等部位除开挖有弱微风化石料外，还剥离了大量的覆盖层及全风化土料。为使开挖的土石方与坝体填筑尽量达到较好平衡，减少工程弃渣、节省投资，将质量较好的弱微风化石料填筑于上游堆石区，把全风化土料或土石混合料填筑于下游堆石区，并适当放缓下游坝坡。考虑上、下游填筑区存在一定的压缩模量差，为保证大坝的变形协调、安全稳定性，采取以下工程措施：

（1）上、下游堆石区分界倾向下游1∶0.5。萨尔瓦欣纳面板堆石坝最大坝高约148 m，上游堆石宽度为2/3坝宽，下游堆石的压缩模量仅为上游堆石的1/5，没有出现上游面的拉应变现象。天荒坪上库主坝沥青混凝土面板堆石坝，坝高约90 m，下游堆石区采用全风化土料填筑，至今未出现异常现象。因此，对于60 m级的面板堆石坝，上、下游堆石区分界倾向下游1∶0.5，下游堆石区的填筑料即使较差，上游面对面板也能够提供足够支撑，其安全性也是有保证的。

（2）在上、下游堆石区之间设置过渡区，宽约6 m，采用上游堆石与下游土料1∶1掺配（现场施工时，可采用铺设2层土料、上铺一层石料，交错碾压填筑的方法实现）措施，其过渡区的压缩模量介于上、下游堆石区之间，起到很好的变形协调作用。

（3）下游全强风化土石料填筑区每5 m设一层0.8m厚的排水碎石料，以提高下游堆石区的整体压缩模量，减小上、下游堆石区之间的压缩模量差。

根据上述原则，拟定主坝坝体上游面坡比为1∶1.4，下游面坡比为1∶2.0～1∶2.2，下游坝坡每隔30 m设一级马道，马道宽3 m。坝后设弃渣场，渣场顶高程855.00 m。坝体填筑材料分成垫层区、特殊垫层区、过渡区、上游堆石区、下游侧全强风化土石料区等。垫层区及过渡区坡比均为1∶1.4，垫层区、过渡区水平宽度分别为3.0 m和4.0 m。趾板下游设特殊垫层区，过渡区下游侧为上游堆石区，坝轴线下游为全强风化土石料填筑区，全强风化土石料填筑区每5 m设一层0.8 m厚的排水料，下游填筑区与上游堆石区之间设水平宽6.0 m的过渡区，坡比为1∶0.5（倾向下游），过渡区采用上游堆石料和下游全强风化料的掺合料（按1∶1掺合）。下游坝坡采用混凝土框格梁+草皮护坡。沿坝脚设底宽为0.6 m的浆砌石排水沟。

在上游面板高程830.00 m以下的周边缝上部设置辅助防渗区，包括全风化土和石渣护面。全风化土铺盖顶宽3 m，坡比1∶2.0，石渣护面覆盖于全风化土之上，保护全风化土，顶高程830.00 m，顶宽5 m，坡比1∶2.5。

为保证坝体排水，在全强风化土石料下部设置堆石排水层，岸坡部位排水层厚2.5 m，河床部位厚5～6m，河床宽约40 m。坝体渗水顺坡排向河床，由河床流向下游。主坝坝后为弃渣场，弃渣场沟底设置排水箱涵，箱涵尺寸1.8 m×1.8 m，箱涵外部为底宽约4.8m、顶宽约11 m、高约6 m的倒梯形透水堆石体。

为保证大坝渗漏量观测的准确性，在大坝下游坡脚、排水箱涵之前设置量水堰挡墙及钢筋混凝土集水箱涵，集水箱涵内的坝体渗水最终通过预埋钢管引至排水箱涵内。

2 坝料设计

2.1 垫层料

垫层料是混凝土面板堆石坝的关键材料，利用输水系统上平洞开挖料及库内石料场开采料制备，岩性为新鲜或弱、微风化晶屑熔结凝灰岩料。主要设计参数为：干密度≥2.21 g/cm3，孔隙率≤18%，渗透系数1×10-3cm/s～5×10-3cm/s，最大粒径100 mm，小于5 mm粒径的颗粒含量为35%～50%，小于0.075 mm的颗粒含量为4%～8%，连续级配。

2.2 特殊垫层料

图1 主坝典型剖面图Fig.1 Typical section of dam

特殊垫层料采用剔除40 mm以上颗粒的垫层料制备。主要设计参数为：干密度≥2.21 g/cm3，孔隙率≤18%，最大粒径40 mm，小于5 mm含量为45%～60%，连续级配。渗透系数为1×10-3～5×10-3cm/s。

2.3 过渡料

过渡料利用输水系统上平洞开挖料及库内石料场开采料制备，岩性为新鲜或弱、微风化晶屑熔结凝灰岩料。主要设计参数为：干密度≥2.19 g/cm3，孔隙率≤19%，最大粒径300 mm，小于5 mm粒径的颗粒含量小于20%，小于0.075 mm的颗粒含量小于5%，连续级配。

2.4 上游堆石料

上游堆石料采用上库库内石料场开采的新鲜或弱、微风化晶屑熔结凝灰岩填筑。主要设计参数为：干密度≥2.16 g/cm3，孔隙率≤20%，最大粒径800mm，小于5 mm粒径的颗粒含量小于20%，小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%。

2.5 下游全强风化土石料

采用库盆开挖的全风化土料，包括少量的强风化石料。要求剥离表层腐植土、坡积层等，土石料最大粒径20 cm，压实度不小于99%。

3 大坝应力应变分析

3.1 计算参数

开展了坝体填筑料静动力特性试验研究工作，筑坝材料试验指标见表1～3。

计算时，上游垫层料、过渡料以及上游堆石料采用饱和样参数，下游全风化料风化程度很高，掺杂强风化凝灰岩混合料成分较少，采用100%全风化土天然样参数。由于天然试验测不到体积应变，整理不出反映体积应变的参数，故这些参数采用饱和样试验参数。

表1 筑坝材料大三轴剪切试验邓肯模型（E-B）参数表Table 1 Parameters of dam material in Duncan(E-B)modelobtained by triaxialshear test

表2 动模量和阻尼比试验结果Table 2 Test results of dynamic modulus and damping ratio

表3 动力残余变形模型参数Table 3 Parameters in dynamic residualdeformation model

混凝土面板采用C25混凝土，按线弹性模型考虑，其弹性模量、泊松比和密度分别为E=28 GPa，μ=0.167，ρ=2.50 g/cm3。混凝土动剪切模量取其静剪切模量的1.3倍。

3.2 计算方法

计算采用三维总应力有限元分析方法。其中，堆石体静力计算模型采用Duncan E-B模型，混凝土结构采用线弹性模型。面板与垫层之间采用薄层单元模拟接触面特性，面板周边缝采用连接单元模拟接缝材料特性。动力计算采用时程分析法。应用非线性等价粘弹性模型和逐步积分法模拟地震过程，分成若干时段进行分析。计算时采用逐级加载的方法模拟坝体填筑、面板浇筑等施工工序，水库蓄水以及运行期（水位由正常蓄水位降落死水位，再上升至蓄水位）均通过水荷载分级施加进行模拟。

3.3 计算结果

（1）静力条件下，坝体变形和应力分布规律符合常规，量值在面板坝经验范围内。上水库竣工期、蓄水期、运行期坝体最大沉降分别为26.6 cm、26.9cm和27.2 cm，坝体沉降量约为坝高的0.43%。

（2）静力条件下，混凝土面板的变形不大。上水库运行期面板最大挠度为5.61 cm，轴向最大位移为0.5 cm。蓄水期、运行期混凝土面板应力基本在允许范围内。运行期上水库面板顺坡向最大压应力为5.33 MPa。运行期面板轴向最大压应力为4.82 MPa，最大拉应力为0.62 MPa。从应力计算结果来看，拉应力较大部位仅发生在面板左右两侧周边缝附近的局部范围，静力状态下面板的应力状态满足要求，不会发生受压受拉破坏。

（3）静力条件下，面板周边缝的最大错动、沉陷和张开分别为8.8 mm、9.5 mm和8.6 mm。各接缝变位均在一般止水结构及材料能够适应的变形范围内。

（4）下游全风化坝料模量系数K取201.1时，坝体变形受其影响显著，与采用天然料参数590.2计算结果相比，蓄水期、运行期沉降分别从26.9 cm和27.2cm增加到44.9 cm和45.4 cm，面板的应力与变形变化不明显。

（5）运行期发生地震，大坝动力反应总体表现为高处较低处大、河谷中央较两侧大。设计地震（100年超越概率2%）工况下，上水库大坝轴向、顺河向和竖向最大反应加速度分别为4.52 m/s2、5.50 m/s2和4.30 m/s2，放大倍数分别为2.00、2.43和2.87。

（6）运行期发生地震，大坝永久变形随坝高的增加而增大，最大值位于河谷中央坝顶附近。设计地震工况下，大坝最大震陷为26.5 cm，最大顺河向永久变形约16.4 cm，最大轴向永久变形为3.1 cm。

（7）设计地震工况下，上水库大坝面板最大轴向动压和动拉应力分别为3.13 MPa和2.68 MPa；最大顺坡向动压和动拉应力分别为3.85 MPa和3.72 MPa。静动应力叠加后，面板轴向最大净压应力为6.52 MPa，最大拉应力为2.56 MPa，顺坡向最大净压应力为8.07 MPa，最大拉应力为2.05 MPa。面板净压应力在C25材料动强度允许范围内，出现压裂破坏的可能性小；岸坡周边缝附近轴向净拉应力以及河谷面板顶部的顺坡向净拉应力较大。

（8）由于混凝土结构采用线弹性模型，计算所得的动拉应力偏大；加之岸坡边界附近单元形态较差，可能导致计算所得的拉应力偏大。所以，虽然计算所得面板结构在岸坡附近局部拉应力较大，但发生拉裂破坏只是局部的、可修复的。

（9）设计地震工况下，上水库面板周边缝的最大震后变形分别为14.0 mm（错动）、11.5 mm（沉陷）和13.8 mm（张开），面板垂直缝最大张开为5.2 mm，接缝止水变形在一般止水结构变形允许范围内。

（10）校核地震工况下，大坝最大反应加速度、动位移、永久变形、混凝土结构动应力以及接缝变形都有所增大，但是坝体动力反应放大倍数却有所减小。

（11）动模量、阻尼比参数分别提高10%、降低10%，坝体动力反应加速度、动位移有所增加，而永久变形以及面板的应力变形变化不大；动力残余变形系数c1、c4上下波动10%时，坝体永久变形有所影响，进而对面板变形增量、接缝变形造成影响，面板的应力变化不敏感。

4 结语

为满足电站装机规模需要，本工程对上水库进行了增容开挖，通过优化坝体断面，将开挖的弱微风化石料填筑于面板堆石坝的上游堆石区，把剥离的全风化土料或土石混合料填筑于下游堆石区。上、下游填筑区存在一定的压缩模量差，设计采取了调整填筑区分界面倾角、设置过渡区等相应的工程技术措施。

三维静动力应力应变计算成果表明，坝体永久变形、面板应力状态以及接缝止水变形均在可控范围内。

抽水蓄能电站往往通过对库盆的开挖来获取装机规模所需的库容，利用库盆开挖料填筑面板堆石坝，使开挖的土石方与坝体填筑尽量达到较好平衡，可减少工程弃渣、节省投资。厦门抽水蓄能电站上水库主坝的设计经验可供类似工程参考。 ■

作者邮箱：xiong_ym@ecidi.com

Design and structuralstatic and dynamic force analysis ofconcrete face rockfilldam constructed

by reservoirbasin excavated material

by XIONG Yan-mei PowerChina Huadong Engineering Corpora⁃tion Limited

The upstream filling area of upper reservoir rockfill dam of Xiamen pumped storage power sta⁃tion makes use ofweak weathering materials excavated from reservoir basin,while the downstream fill⁃ing area uses fully weathered material excavated from reservoir basin.There are some differences with the compression modulus ofupstream and downstream filling area due to differentmaterials.Key tech⁃nologies such as adjusting the interface angle offilling area and setting transition zone are proposed.As well,three dimensional finite element stress and strain analysis is performed,whose result shows that the deformation coordination and stability ofthe dam can be guaranteed.

concrete face rockfilldam;fully weathered;excavated material;dam section;dam material design;static and dynamic force analysis

TV31

B

1671-1092（2017）01-0020-05

2016-07-18

熊燕梅（1979-），女，浙江余姚人，高级工程师，主要从事水电项目管理、水工建筑设计等方面的工作。