中咀坡水库面板堆石坝设计

2018-02-16蒲荣松万学渊

小水电 2018年3期

蒲荣松，万学渊

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆市 400020)

1 工程概况

中咀坡水库位于重庆市，正常蓄水位546.00 m，相应库容1 491万m3，校核洪水位547.84 m，总库容1 578万m3，为Ⅲ等中型水库工程。水库枢纽由钢筋混凝土面板堆石坝、左岸洞式溢洪道、取水口及导流兼放空洞等建筑物组成。

坝区出露中、古生界二叠系、三叠系地层及第四系地层零星分布。趾板线位置河床宽19.6 m，基岩为Ⅲc类炭质页岩、炭质页岩夹薄层灰岩岩体，为较软岩类。左岸坡为顺向坡，坡度为45.5°，下部为大隆组(P2d)地层，主要由炭质页岩、炭质页岩夹薄层灰岩构成，层理发育，局部有松动蠕变岩体分布；上部为吴家坪组(P2w)厚层块状灰岩，属Ⅲ1A类岩体，为坚硬岩类。岸坡地表覆盖层分布少，主要为裸露基岩，岩体强风化薄。右岸为逆向坡，坡度为45°，强风化层以下岩体切坡稳定性好，岸坡地表覆盖层分布少，主要为裸露基岩，岩体强风化薄。

2 大坝设计

2.1 面板坝布置

中咀坡水库坝址河段位于后溪河榔头溪以下至公路桥间相对顺直河道，避开了榔头溪上游右岸发育五尺岩沟和小河沟两条深切冲沟。同时，公路桥下游为转弯段，两岸地形对称性较差，核部段岩溶较发育。坝轴线位于后溪河与其支流三庄溪汇合口以下约4.0 km的中咀坡处，该坝线河流顺直，两岸岸坡为均匀斜坡，岸坡稳定性较好。大坝最大坝高111 m，坝顶高程549.0 m，坝顶宽8 m，上下游坝坡均为1∶1.4，坝体总填筑方量170万m3。

2.2 坝顶结构

坝顶宽8 m，上游侧设高为3.6 m的钢筋混凝土防浪墙，防浪墙底部高程高于水库正常运用水位，并与面板顶部有1个接缝且设止水。

2.3 坝体分区与坝料设计

根据试验及经济比较确定大坝主要填筑分区如下：

(1)上游粉质粘土铺盖区。铺盖顶部高程为478.00 m，顶宽3.0 m，上游边坡1∶1.5。

(2)盖重区。覆盖在上游粘土铺盖上，维持上游铺盖区的稳定，并起保护作用。选用大坝开挖的弃碴料填筑，顶部高程为480.00 m，顶宽3.0 m，上游边坡1∶2.8。

(3)特殊垫层区。此处有出现漏水的可能性，为加强对周边缝的渗漏控制，在趾板周边缝下游侧设置特殊垫层区，该区材料为料场人工破碎筛分后配制的灰岩料。最大粒径为40 mm，小于5 mm的颗粒含量为35%～60%，小于0.75 mm的颗粒含量控制在5%～10%。薄层碾压密实(碾压层厚0.2 m，适量加水)，以尽量减少周边缝的位移，同时起到反滤作用。

(4)垫层区。通常认为是面板坝防渗的第二道防线，本工程垫层区水平宽度3.0 m，以1∶1.4的坡等宽布置。材料为料场人工破碎筛分后配制的灰岩料，最大粒径为80 mm，小于5 mm的颗粒含量为30%～45%，小于0.75 mm的颗粒含量控制在4%～6%。设计干密度2.2 g/cm3，孔隙率18.5%，渗透系数1×10-4cm/s，碾压层厚0.4 m，适量加水。垫层上游坡面为挤压混凝土边墙，以满足面板施工及临时度汛的要求。挤压式边墙断面为梯形，以铰接的方式使边墙可适应垫层区的变形，其底部不会形成空腔，可有效避免空腔对面板的不利影响。墙高度为垫层料的设计铺填厚度，边墙上游侧坡度与混凝土面板堆石坝的上游坝坡相同，为1∶1.4。本工程顶部宽度确定为10cm，边墙下游侧坡度采用8∶1。

(5)过渡层区。过渡区水平宽度4.0 m，等宽布置，材料为料场人工破碎灰岩料。最大粒径为30 mm，小于5.0 mm含量20%～30%，设计干密度2.15 g/cm3，相应孔隙率20.0%，渗透系数1×10-3cm/s，填筑层厚度0.4 m，适量加水。考虑到本工程两岸较陡，为减小变形梯度，两岸接触带采用1.5 m厚过渡料碾压填筑。

(6)主堆石区。主、次堆石区的分界线从543.96 m高程开始以向下游1∶0.5的坡至454.0 m高程。主堆石区是面板堆石坝的主要受力区，要求用良好的级配，坚硬的石料填筑，压实后能自由排水。本工程主堆石料选用新鲜灰岩料，最大粒径600 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量不超过20%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%，设计干密度2.1 g/cm3，相应孔隙率21.0%，渗透系数1×10-2cm/s，填筑层厚度0.8 m，适量加水。

(7)次堆石区。次堆石区由于其变形对坝体和面板变形影响不大，材料选用微风化灰岩料，部分采用泄洪洞开挖料填筑。最大粒径80 mm,粒径小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%，设计干密度2.05 g/cm3，孔隙率22%，填筑层厚度1.0 m，适量加水。另外，在下游坝坡最外层砌筑粒径大于60 cm的干砌石帮砌整齐作为护面。

(8)滤水坝趾区。在大坝下游591 m以下设置堆石棱体,材料选用微风化灰岩料。最小粒径1.0 m,设计干密度2.0 g/cm3,孔隙率23%，填筑层厚度1.2 m。

2.4 面板、趾板与接缝止水设计

(1)钢筋混凝土面板底部最大厚度为0.62 m。面板采用单层双向配筋，各向平均含筋率为0.4%，河床段4块面板顶部(523.00 m高程以上)的面板配筋率采用0.5%。面板混凝土标号C25W12F100，二级配，水灰比小于0.50。

(2)本工程坝址位于高山峡谷地带，趾板宽度减小可降低开挖边坡及工程量，但趾板缩窄，也应采取措施满足渗径要求。因此，本工程趾板采用等宽窄趾板，趾板等宽5 m，厚度0.5 m～0.6 m，趾板下游设“X”防渗板，采用挂网喷20 cm厚C20混凝土，既起到延长渗径的作用，又起到灌浆侧向盖板的作用。趾板混凝土C25W12F100，顶部设配筋率0.35%单层双向钢筋。沿趾板线全长布置锚筋和固结灌浆。

(3)止水系统在混凝土面板堆石坝中是比较关键的环节。为了适应坝体的沉降变形，在面板与趾板之间设置周边缝，面板与面板之间设置垂直缝，趾板之间设置伸缩缝，防浪墙与面板设水平缝。根据缝的不同作用和要求，采用了以下几种不同的止水构造型式：

①周边缝

周边缝设三道止水，即底部铜片止水，中部为橡胶止水，周边缝表面设柔性填料止水，其上用橡胶膜密封保护，两侧用扁钢固定并保护。周边缝采用沥青浸渍木板嵌缝，厚度为12 mm。

②面板垂直缝

垂直缝分为压性缝和张性缝两种。

张性垂直缝：共11条，缝间距为12 m，该缝设二道止水，即底部止水铜片，顶部设柔性填料止水。

压性垂直缝：左、右岸各5条，缝间距为6 m，设二道止水，即底部止水铜片，顶部设柔性填料止水；河床部位面板压性垂直缝间增设12 mm厚沥青浸渍杉木板。

③趾板伸缩缝

趾板伸缩缝与面板分缝错开，而且垂直于“x”线，设二道止水，顶部设柔性填料止水，中部设一道橡胶止水，并与周边缝止水构成封闭系统。

④坝顶缝

防浪墙伸缩缝间距为15 m，与面板垂直缝错开，设一道橡胶止水。

防浪墙与面板缝间设二道止水，即底部止水铜片，顶部设柔性填料止水。结构与面板压性垂直缝相同。

2.5 岸坡开挖与坝基处理

坝基开挖主要根据地质条件及面板堆石坝的受力情况，分别确定不同的建基高程，以便达到既满足稳定和沉降的要求，又减少工程量的目的。

根据面板的受力特点，坝轴线以上区域基础的变形，将直接影响面板的变形和安全。因此趾板及坝轴线上游范围内的坝基基础建在弱风化岩上部，即基岩面下1.5～3.0 m。堆石体其他部位基础只需清除覆盖层和松散岩体，趾板基础与堆石体基础用不陡于1∶2的底坡相连接。

堆石体地基坝轴线上游岸坡开挖成不陡于1∶0.5的坡度，当局部岸坡很陡时，开挖成不陡于1∶0.25的稳定边坡，回填M7.5浆砌块石补坡；坝轴线下游坝体岸坡地基须清除覆盖层至岩基，确保平顺，并清除表面松动石块和突出岩石，避免陡坎、反坎和不稳定边坡。

位于趾板、垫层、过渡层范围内的钻孔，采用扫孔、洗孔、灌浆及封孔处理；位于趾板、垫层、过渡层范围内的探槽、探坑采用C15混凝土回填，其上采用级配反滤料覆盖；位于趾板、垫层、过渡层范围内的探硐采用C15埋石混凝土封堵，并作回填灌浆处理；位于堆石体范围内的探硐采用C15埋石混凝土回填。

2.6 坝基及两岸防渗

趾板基础垂直防渗采用帷幕灌浆，在进行帷幕灌浆之前先进行固结灌浆，帷幕灌浆为单排，孔距2 m，与中间固结灌浆孔相结合。左岸岩体为中等可溶岩类，但不存在深岩溶现象，岩体完整性好，但存在沿层理面产生裂隙性渗漏问题，根据类似工程经验，孔深深入基岩相对隔水层(q≤3 Lu)以下30 m；其余部分为非可溶性岩溶，孔深深入基岩相对隔水层(q≤3 Lu)以下5 m，在谷底段帷幕深度为27～47 m，两岸坡为5.53～72 m。

根据地质所提供资料，帷幕两岸向山里延伸接相对隔水层。左、右岸将坝基防渗帷幕沿坝轴线方向延伸至正常蓄水位与相对隔水层线相交，左岸延伸161 m，右岸延伸72 m。

2.7 坝体反压排水设计

为防止施工期坝体反向渗流破坏垫层或面板，工程采用在大坝上游坝体内设置反向排水钢管自由排水至上游集水坑的措施。坝体反向排水管布置在河床趾板及其后部的垫层、过渡层及主堆石区域，共布置2根，间距20 m，每根长约25.0 m，材料为镀锌钢管DN203，其下游端部2 m段为外包二层不锈钢滤网的花管，内层采用1 mm的滤网，外层采用5 mm的滤网。排水花管周围包填卵石料。反向排水管汛期保护：排水管在度汛期不封堵，安装逆止阀以防止洪水灌入管内，但汛前在逆止阀进口安装1层1 mm的不锈钢滤网保护。蓄水前，对反向排水钢管进行封堵。