混凝土面板堆石坝背坡生态处理的探讨以杭州市闲林水库为例

2018-05-25金建峰

浙江水利科技 2018年3期

金建峰

（杭州市闲林水库管理处，浙江杭州 310012）

1 问题的提出

混凝土面板堆石坝因结构稳定、就地取材、施工便利、经济合适，是我国广泛采用的坝型。因其坝型结构特点，下游坝坡一般采用干砌石、堆石、卵石或碎石、钢筋混凝土框格填石、土工合成材料等方式，与周边的青山绿水不协调，工程外观与周边自然环境不够和谐。闲林水库工程的混凝土面板堆石坝，采用坝后覆土绿化的方式，在水利工程、渣土与生态之间，找到一个突破点、平衡点。

2 闲林水库概况

闲林水库坝址位于杭州市余杭区闲林街道里项村，坝址以上集雨面积16.89 km2，总库容为1 984.00万m3，供水库容1 794.00万m3，防洪库容190.00万m3，工程由大坝、泄洪洞、输水隧洞及泵站等设施组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程74.00 m，最大坝高40.00 m，坝顶宽8.00 m，长230.00 m；输水隧洞全长15.1 km，其中新建隧洞10.7 km；配套大刀沙泵站，取水规模26 m3/s。

建成后的闲林水库，可使城市备用水量满足2020年水平年主城区水厂8 d以上源水需要，在新安江、富春江电厂放水配合下，抗咸基本达到97%保证率的标准；结合河道整治，下游地区防洪能力由5 a一遇提高到20 a一遇；同时河道生态环境得到改善。项目总用地245.80 hm2（3 687亩），工程静态总投资26.7亿元[1]。闲林水库坝后管理区效果图见图1。

图1 闲林水库坝后管理区效果图

3 常规混凝土面板堆石坝下游的护坡

混凝土面板堆石坝以堆石体为支承结构，在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构，属于土石坝类型。它的发展大致可分成3个时期：1850 — 1940年的早期阶段，特征是抛填堆石，坝高多低于100.00 m，坝体变形较大，面板开裂渗漏问题严重；1940 — 1965年的过渡阶段，特征是从抛填堆石到碾压堆石的演变；1965年到现代阶段，特征是碾压堆石，完全取代抛填堆石。随着薄层碾压施工技术的不断进步和完善，面板堆石坝的数量和高度迅速增加，逐渐成为当今水利水电工程建设的主流坝型之一。

在早期阶段和过渡阶段，对大坝下游护坡按堆石施工原状，基本不作处理；到20世纪末期，随着对工程质量、外观要求的提高，新建大坝设计一般有明确的下游护坡处理方式；进入21世纪后，随着经济社会的发展，对大坝质量、安全、外观等提出更高要求，已建大坝在除险加固对大坝下游护坡均进行规范的处理。

根据现行规范规定，对下游护坡，堆石坝可采用堆石料中的粗颗粒料或超径石做护坡。护坡可在以下几种形式中选择：干砌石，堆石、卵石或碎石，草皮，钢筋混凝土框格填石，其他形式（如土工合成材料）。高坝的下游坝坡可用干砌石、大块石堆砌或摆石砌护，并使坝体具有良好的外观。

4 闲林水库大坝下游生态护坡的必要性

以闲林水库大坝的混凝土面板堆石坝为例，在满足工程安全的前提下，对大坝背水坡进行景观生态建设。

4.1 周边景观协调的需要

闲林水库距小和山高教园4.0 km，距西溪湿地9.0 km，距西湖15.0 km，与午潮山国家森林公园山水相望，周边群峰连绵，林郁水秀，风光旖旎，环境幽静，上埠河在山间林下蜿蜒曲折，流水四季不断。工程所在地余杭区闲林街道里项村，坝址下游水库移民安置区，随着城市化进程的加快，对闲林水库大坝及管理区景观提出更高的要求。同时工程建设者也希望改变水利工程钢筋混凝土的常规形象。

4.2 工程弃土处置的需要

根据闲林水库的工程设计，土石方开挖总量139.86万m3（其中一般土石方95.46万m3、表土38.86万m3、建筑垃圾5.54万m3），填筑总量111.87万m3（其中利用开挖的一般土石方52.02万m3、表土12.28万m3、建筑垃圾5.54万m3；借方42.03万m3、其中石料场自采32.00万m3、商购10.03万m3）；弃渣及表土余方总量70.02万m3（其中一般土石方弃渣43.44万m3、表土26.58万m3），弃渣外运34.94万m3、设弃渣场处理8.50万m3，表土余方全部外运利用[2]。

在工程实施过程中，累计弃方77.10万m3，较设计增加约10%，其中料场开挖无用料为16.87万m3，建筑物开挖和库底清理弃方60.23万m3。弃方按性质分类统计：一般土石方32.47万m3、表土33.42万m3、建筑垃圾9.98万m3、道路沥青混凝土1.23万m3，其中建筑垃圾基本由地方政府处理，道路沥青混凝土由道路沥青混凝土厂回收，实际工程弃方65.89万m3[3]。

大量的工程弃方需要妥善处置，成为工程建设的难题之一。若全部外运，一方面由于工程地处主城区附近，难以就近找到合适的弃土场所，另一方面数十万m3弃土外运费用高昂、程序复杂、困难重重。处置工程的大量弃方成为切实需要解决的难题。

随着城市建设的发展，废弃渣土的出路已成为许多城建工程一大问题和成本上的负担，闲林水库由于位于城区，废弃渣土的出路迫需解决。同时，水利工程在人们的印象中多是钢筋混凝土、浆（干）砌块石等，感观生硬冰冷，不够生态自然。为此，针对弃方的组成特点，土石方可用于地场填筑，表土可用于一般场地的填筑和绿化，结合混凝土面板堆石坝的实际情况，同时现行规范未对混凝土面板堆后坝下游护坡上填土有明确规定的基础上，提出在保障工程安全、不降低安全系数的前提下，适当优化大坝断面，增加坝后覆土，一举解决工程弃方和大坝景观2个问题，实现生态坝建设和节约投资的目的。

5 闲林水库大坝下游生态护坡的建设

闲林水库工程大坝设计经历了2个阶段。

第1阶段大坝按常规混凝土面板堆石坝设计，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶2.0，高程50.00 m处设3.00 m宽平台，下游坝坡采用超径石干砌护坡（见图2）。

图2 第1阶段大坝断面图单位：cm

结合库底清理土方等弃土弃渣的处理，以及生态景观，进行大坝第2阶段优化。在保障工程本身安全的前提下，大坝按生态混凝土面板堆石坝设计，上游坝坡仍采用1∶1.4，下游坝坡优化到1∶1.6，在大坝主体结构外、下游坝坡上进行填土绿化，坝后填土放缓至1∶3.5 ～ 1∶4.0，其中覆土表面厚1.50 m为种植土（见图3）。填土采用自卸车运输、推土机推平、车辆碾压、自然沉降的方式进行。工程65.89万m3弃方中，29.23万m3用于大坝坝坡覆土，占工程全部弃方的45%，其余用于坝后管理区场地平整，工程的全部弃方在工程内部消化。

图3 第2阶段大坝优化断面图单位：cm

为保障坝体排水，在大坝次堆区坡脚处设置截水墙，截水墙高6.90 m，基础为弱风化基岩，对截水墙基础进行固结灌浆；在大坝中间位置、截水墙后、上部填土绿化区域设净尺寸为1.5 m×1.8 m的箱涵，并在箱涵尾部设量水堰，后接DN100管涵将水排至下游河道。

对大坝背水坡边坡1∶1.6和大坝背水坡在边坡1∶1.6的基础上覆土至1∶3.5 ～ 1∶4.0两种工况进行理论计算，结果表明大坝背水坡后填土对坝体垂直位移、坝体水平位移、坝体大主应力、坝体小主应力、坝体应力水平、面板挠度等方面影响不明显。坝坡稳定安全系数在2.0以上，填土有利于下游坝坡的稳定。大坝稳定计算成果对比见表1[4]。

表1 大坝稳定计算成果对比表

截至2017年4月12日，大坝安全观测资料统计：坝顶轴线部位最大总沉降量为40.40 mm；坝顶水平位移最大值为10.32 mm；周边缝张开位移以张为主，最大值为4.15 mm，剪切位移指向河谷，最大值为3.33 mm，沉降最大值为8.61 mm；左右岸面板垂直缝以张开为主，张开位移最大值为5.43 mm；大坝埋设的钢筋计各测点钢筋应力均小于钢筋允许拉压应力，面板钢筋应力正常；水库蓄水后坝体及坝后未出现明显渗水点，量水堰监测到的总体渗流量小，蓄水后，渗流量增加较小，剔除降雨影响，坝后量水堰观测最大渗流量为1.8 L/s。目前坝体运行正常。