海南琼中抽水蓄能电站上水库大坝设计探析

叶祥飞，周 刚，李品君，王小平

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙410014；2.海南蓄能发电有限公司， 海南海口570100)

琼中抽水蓄能电站位于海南省琼中县境内，电站主要以承担调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等为开发任务，总装机容量600 MW。枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成。上水库地处琼中县黎母山林场原大丰水库，集雨面积5.41 km2，多年平均径流量797.9万m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，调节库容499.9万m3，总库容为933.3万m3。上水库主、副坝均采用沥青混凝土心墙土石坝，其挡水、泄水建筑物按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核[1]。

1 坝体结构设计

上水库在黎母山林场原大丰水库位置分别修建主坝及两座副坝围洼而成。主、副坝均采用沥青混凝土心墙土石坝，坝顶高程570.00 m，坝顶宽度10.0 m。坝顶上游设防浪墙，下游设L形挡墙。主坝最大坝高32.00 m，坝轴线长332.00 m；副坝1最大坝高24.00 m，坝轴线长220.00 m；副坝2最大坝高14.00 m，坝轴线长370.00 m，副坝2通过库岸公路分别与主坝、副坝1相连接。

2.1 坝体分区

土石坝上、下游坝坡的稳定性与坝高、建筑物等级、坝体填筑材料、坝基地质条件、施工碾压质量、承受的荷载及坡面坡度等因素均有关[2]。该工程大坝筑坝材料主要为全强风化料，上下游坝坡主要结合坝基强度、主要地质构造、坝料物理力学性质及坝体排水方式，并根据坝坡稳定分析与工程类比进行拟定。

主、副坝采用沥青混凝土心墙土石坝，坝顶高程570.00 m，坝顶宽10.0 m。坝顶上下游均设花槽，最大坝高32.00 m，坝轴线长332.00 m，上下游坝坡分别为1∶3与1∶2.7， 555.00 m高程处设一级马道，宽4 m，下游综合坡比1∶2.83。

坝体填筑料分区从上游至下游依次为干砌块石护坡、碎石垫层、上游全强风化料区、上游过渡区、沥青混凝土心墙、下游过渡区、下游全强风化料区和下游坝面草皮护坡，心墙上下游过渡层水平宽度均为2.0 m；另外，下游坝基清坡后设0.5 m厚的中砂反滤层，反滤层与全强风化料间设2.0 m厚过渡层，作为下游坝体排水层。

2.2 筑坝材料

坝体上游设一级坡，坡比为1∶3.0，采用干砌块石护坡，层厚0.5 m，石料粒径均值30～50 cm，其底部设0.5 m厚碎石垫层兼反滤层，石料粒径0.5～7 cm，护坡所需石料均从石料场取料，为新鲜花岗岩，其中碎石料由人工扎制而成。

大坝主体填筑料主要采用工程区开挖的全强风化料，除液限ωL大于47%，塑性指数IP大于23.7，小于0.075 mm的颗粒含量大于45%的花岗岩全风化表土层不能上坝外，其余土石料均可作为筑坝材料，碾压后强度指标要求干密度不小于1.80 g/cm3，压实度98%，饱和密度不小于2.0 g/cm3，摩擦角一般状态不小于25°。

沥青混凝土心墙两侧各设2 m宽过渡料，为心墙提供均匀支撑，满足心墙与全风化料之间的变形过渡要求，过渡料应且具有良好的排水性与渗透稳定性，并满足施工所需的承载力要求。过渡料由新鲜花岗岩人工扎制而成，最大粒径80 mm，小于5 mm 粒径含量为25%～40%，小于0.075 mm粒径含量不超过5%，级配连续，碾压后干密度不小于2.23 g/cm3。

下游坝基为条带式水平与垂直排水系统，排水体采用扎制的人工碎石料，为弱风化～新鲜石料，最大粒径4 cm，碾压后干密度2.18 g/cm3，孔隙率≤20%，洒水量5%，下游坝基部分设0.5 m厚的中砂作反滤层，中砂采用弱风化～新鲜石料，人工扎制料，最大粒径为5 mm，干密度2.21 g/cm3，洒水量3%。大坝各分区材料主要设计参数见表1。

表1 筑坝材料主要设计参数

2.3 沥青混凝土心墙

2.3.1 设计准则与要求

(1) 沥青混凝土心墙应具有良好的塑性性能，以适应大坝的位移和筑坝时的震动，不致产生裂缝。

(2)沥青混凝土心墙与基础的连接是防渗体的薄弱部分，应确保连接部位的安全。

(3) 心墙渗透系数应小于10-7cm/s，并具有水稳定性，在长期水的作用下，其力学强度应保持在原有强度的85%以上。

(4)粗骨料宜采用碱性岩石(石灰岩、白云岩等)破碎的碎石，当采用酸性碎石时，应采取增强骨料与沥青黏附性的措施[3- 4]。

2.3.2 心墙布置

沥青混凝土心墙沿主坝坝轴线全强风化较薄部位，采用混凝土基座连接，基础开挖至弱风化基岩；两副坝坝基全风化层较厚，采用混凝土防渗墙连接。

考虑到沥青混凝土心墙顶部与防浪墙相接，同时，为改善大坝受力条件，心墙轴线布置于坝顶中心线略偏上游位置；根据坝高，并结合施工碾压要求，心墙采用0.5 m等厚度设计，考虑到沥青混凝土具有粘弹塑性，在长期水压力作用下，心墙比基岩和混凝土构件更容易变形，水压力会使沥青混凝土心墙产生一定的水平位移，因此，沥青混凝土心墙同周边的连接是防渗系统结构的关键，为增强防渗效果，心墙浇筑在混凝土基座或防渗墙上，并将连接部位的沥青混凝土心墙厚度增加1～2倍。沥青混凝土心墙与混凝土基座或防渗墙的接触面采用平面连接。在心墙底部1 m高范围内做放大脚与混凝土结构连接，底端厚0.8 m，心墙与混凝土结构之间设置一道铜止水，接触面设2 cm厚砂质沥青玛蹄脂，以增大粘结力并适应心墙水平变形。

3 坝坡稳定及渗流计算

根据筑坝材料的室内三轴试验资料，整理邓肯模型的力学参数，用GeoStudio 2007软件对沥青混凝土心墙土石坝进行了二维非线性弹性E-B模型的有限元计算，主要计算分析内容如下：①大坝在施工期、稳定渗流期、上游水库水位降落期和地震情况下的上、下游坝坡安全系数，渗透稳定性；②大坝变形量和分布规律；③沥青混凝土心墙的应力分布，与混凝土基座和防渗墙之间的变形；④混凝土基座和防渗墙的变形及应力分布；⑤沥青混凝土和坝体及两侧过渡料的变形协调性。

3.3.1 坝坡稳定与应力变形

坝坡稳定计算利用G-SLOPE/W进行，计算选取主坝坝右0+160作为典型计算断面，各工况下大坝上、下游坝坡抗滑稳定系数见表2。

表2 坝坡稳定计算成果(主坝坝右0+160)

由表2可知，大坝上、下游坝坡在各运行工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范设计要求，大坝整体是稳定的。

大坝坝体应力与变形计算成果见表3及图1、2。

表3 主坝应力变形计算成果(主坝坝右0+160)

注：①水平向位移以向下游为正；②水位骤降指库水位从正常蓄水位567.00 m短时间内(约6 h)降至死水位560.00 m；③应力以压为正，拉为负．

图1 正常蓄水位工况水平向位移等值线(单位：m)

图2 正常蓄水位工况最大主应力等值线(单位：kPa)

根据计算成果，各计算剖面在竣工期整体位移规律一致，上游坝体上下游的水平向位移分别指向上下游方向，垂直沉降最大值均出现在坝体中部靠上部位。由于坝高和下覆岩层的区别，各个剖面沉降量有所不同，主坝坝右0+040.000剖面最大坝高28 m，竣工期最大沉降量为15.3 cm，约占最大坝高的0.55%；主坝坝右0+160.000剖面最大坝高16 m，竣工期最大沉降量为6.08 cm，约占最大坝高的0.38%；各运行工况下的位移变化规律也基本一致，在蓄水后，坝体产生向下游侧的位移，沉降变大，考虑地震情况趋势更加明显，而水位骤降工况坝体整体向上游侧位移，沉降略有增加。

从各剖面应力分布情况分析，沥青混凝土心墙的力学性质与过渡料比较接近，从沉降等值线分析，变形较均匀，在心墙内部没有产生明显的应力集中。主坝变形总体协调性良好，分布规律基本合理，沥青混凝土心墙不会发生拉裂破坏，心墙与基座的接触部位分布有少量拉应力区，但数值很小，不会造成心墙破坏。

3.3.2 渗流计算

上水库防渗标准按1 Lu控制，防渗帷幕的渗透系数一般取1×10-5cm/s，帷幕有效厚度按1 m计，实际计算中为避免墙与帷幕接触部位渗透系数突变太大，渗流场过于收敛，帷幕线按0.1 m厚建模，相应的渗透系数按1×10-6cm/s进行计算处理。计算采用G-SEEP/W软件进行，主坝典型剖面校核洪水位工况下坝体坝基渗流场水头等势线图见图3。大坝单宽渗流量见表4。

各工况下主坝水头等势线均集中在心墙-防渗墙-防渗帷幕中，浸润线的分布规律基本一致，在上下游渗透系数较高区域，浸润线基本为水平直线，在渗透系数较低的心墙中，浸润线近似竖直。心墙底部最高作用水头29m，岩体透水率水平总体不高，以微透水和弱偏微透水为主，根据上水库防渗处理范围及方式，主坝坝体和单薄分水岭帷幕防渗标准按q≤1Lu控制进行24h渗漏量计算，计算成果表明，主坝正常蓄水位工况下，总渗漏量为48.49m3/d，渗漏量较小，坝体坝基的渗流量控制较为理想。

图3 正常蓄水位工况水平向位移等值线(单位：mm)

表4 主坝应力变形计算成果 m3/(d·m)

4 结 语

琼中上水库沥青混凝土心墙土石坝于2014年底动工， 2017年6月下闸蓄水，目前大坝整体运行良好，根据最新的大坝变形与渗漏监测数据，均在正常范围之内，通过工程类比与计算分析确定的材料分区、防渗心墙与排水布置方案合理，琼中上水库沥青混凝土心墙坝的设计是成功的，可为同类工程设计提供依据和参考。