蟠龙抽水蓄能电站下水库大坝坝体分区设计

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

1 工程概况

重庆蟠龙抽水蓄能电站位于重庆市綦江区中峰镇境内，地处东经106°27′，北纬28°51′。上水库位于綦江一级支流清溪河右岸支流蟠龙沟上游，下水库位于清溪河右岸支流石家沟上。建成后将供电重庆市主网，主要承担重庆电网的调峰、填谷、调频、调相、事故备用等任务。

蟠龙抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等建筑物组成。本工程装机容量1 200 MW（4×300 MW），属一等大（I）型工程，主要永久性建筑物按1 级建筑物设计，次要永久性建筑物按3 级建筑物设计。

2 工程技术特点

筑坝料岩性不均一，岩石的强度差异较大，用于大坝填筑的石料取自下水库地下洞室洞挖料和枢纽区工程明挖料。

地下洞室开挖料岩性：除引水隧洞下平段外，其它各建筑物部位地下洞室开挖料岩性大部分为弱风化带至微风化中、细粒砂岩和砾岩，比例为50%～80%，饱和抗压强度为23～60 MPa；粉砂岩比例为8%～26%，饱和抗压强度为11～25 MPa。弱风化带及以下粉砂岩因岩石强度低、易软化。

下水库枢纽工程明挖料岩性：大坝趾板基础、下水库进/出水口、地面开关站、溢洪道及消能防冲区、泄洪洞、导流洞和等部位，开挖料岩性为中、细粒砂岩夹薄层泥岩与粉砂岩，弱风化～新鲜砂岩为中硬岩。根据岩石（体）室内试验成果，弱风化及以下细粒砂岩饱和抗压强度一般可达40～60 MPa，中至粗粒砂岩、含砾砂岩饱和抗压强度为22～30 MPa，属较软岩；泥岩饱和抗压强度为7～10 MPa，为软岩。岩石的强度差异较大，软岩料在开采和施工过程中岩块易于破碎，级配难以控制。填筑压实后的软岩料级配与原始级配相差较大，根据已建工程经验：软岩料的爆破开挖料级配对其在实际工程中的应用并无太多的影响，重要的是碾压密实。故取用适用的设计指标控制大坝填筑质量是本工程难点之一。

3 大坝布置及坝体分区设计

3.1 大坝布置

下水库位于清溪河支流石家沟内，利用石家沟上游河段在两河口下游约400 m 处“V”形河谷中筑坝成库。下水库坝址以上集雨面积为100.56 km2，其水库正常蓄水位549.0 m，设计洪水位为550.73 m，校核洪水位为551.77 m，死水位533.00 m，200 年一遇洪水洪峰流量为1 089 m3/s，1 000 年一遇洪水洪峰流量为1 390 m3/s，需设置泄水建筑物。溢洪道布置于右岸一垭口处，泄洪洞布置于左岸山体内，由导流洞改造而成，库周无低矮垭口存在，地形封闭条件好，不存在库岸防渗问题。下水库工程主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、右岸岸边有闸门控制式溢洪道和左岸泄洪排沙洞。

大坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为553.00 m，坝顶宽度10 m，最大坝高80 m，坝顶长度162.10 m，游坝坡1∶1.4、下游坝坡综合坡比1∶2.256，坝顶上游侧设防浪墙，顶高程554.20 m，下游侧设路肩挡墙。

3.2 分区方案研究

坝体分区设计时，根据砂泥岩料筑坝材料碾压试验和室内试验研究成果，结合工程区实际可用开挖料储备情况，拟定两种分区方案（主要针对坝体填筑区）：

方案1：上游堆石区采用下水库工程区开挖料，下游堆石区采用上水库工程开挖料筑坝；方案2：全断面利用下水库开挖料填筑坝体。

方案1：按可研阶段堆石体分区设计成果，分上游堆石区、下游堆石区。考虑到上游堆石坝体是承受水荷载的主要支撑体，要求采用下水库工程区挖开料（单轴饱和抗压强度≥30 MPa）填筑，下游堆石区采用下水库工程区开挖的中粗～中细粒砂岩、泥质粉砂岩填筑（单轴饱和抗压强度≥25 MPa），两区填坝料质量性能差异小，开挖料中也难以对其进行剔选，且由于分区断面面积较小，存在实施过程中难以区分上、下游堆石区上坝料源；方案2：施工详图阶段优化断面分区，不分上、下堆石区，为方便施工，全断面采用下水库工程区开挖料。

综合以上分析，方案2 在现有科研试验研究基础上，分区简单，坝体结构相对简化，施工组织设计也相对简单，便于坝体碾压施工与质量控制，故选择该方案作为进一步的坝体分区设计。大坝优化典型剖面参见图1。

图1 下水库大坝典型剖面图

3.3 坝体分区设计

3.3.1 分区原则

堆石坝坝体分区的目的是确保大坝安全运行前提下，根据坝体各部分受力条件，筑坝材料来源及强度、渗透性、压缩性等特性，提出不同要求，有效利用建筑物开挖料筑坝，降低工程造价，简化施工，保护环境。根据现行规范要求并参考国内已建软岩筑坝设计经验，按照以下原则分区：

1）大坝筑坝料岩性为细粒～中粗粒砂岩夹泥质粉砂岩，质量及工程特性可满足填筑面板堆石坝要求等，但由于难以剔除爆破料中的泥质粉砂岩等软岩，因此需要考虑坝体设置专门“L”型排水区。

2）尽可能多利用下水库溢洪道、进/出水口开挖的灰色、灰绿色细粒砂岩料，降低大坝工程造价。

3）从上游到下游的坝料变形模量基本相当，以保证蓄水后坝体变形尽可能小。

4）分区应尽可能简单，以利于施工。

根据分区原则和方法，将下水库大坝坝体共分为6 个区，分别为垫层区、过渡区、排水区、堆石区、排水棱体、下游堆渣区及上游铺盖区。对坝体材料分区进行了大坝复核计算，成果表明，分区方式合理可行。

3.3.2 主要分区情况

1）垫层区（2A）和特殊垫层小区（2B）。垫层区位于混凝土面板的底部，特殊垫层小区设在可能产生集中渗漏的薄弱部位周边缝附近。垫层区水平宽度3 m，同时在岸坡及坝基部位向下游延伸10～15 m，垫层料采用灰岩料人工加工而成（外购）。

2）过渡层区（3A）和接坡带区。过渡区包括上游过渡区、岸坡过渡区。上游过渡区的主要作用是防止垫层区（2A）的细颗粒流失，级配按反滤原则设计，其水平宽度4 m，采用灰岩料（外购）人工加工而成。堆石与岸坡接触带设宽2.0 m 接坡带区，以保证堆石与岸坡接触部位碾压密实，接坡带料采用下水库区洞挖料，主要为微风化～新鲜砂岩料。

3）堆石区（3B）。堆石区是坝体承受水压的主要部位，亦是受压后变形的敏感部位。下水库用于筑坝的开挖料岩性为细粒砂岩、含砾砂岩、中至粗粒砂岩夹泥质粉砂岩。细粒砂岩饱和抗压强度一般可达40～60 MPa，属中硬岩；中至粗粒砂岩饱和抗压强度为22～30 MPa，属较软岩；泥质粉砂岩饱和抗压强度为7～10 MPa，为软岩。因开挖时难以剔除爆破料中的泥质粉砂岩等软岩料，碾压后易形成泥结板。坝体全断面采用砂岩夹泥质粉砂岩填筑，根据筑坝材料试验研究成果，碾压后的堆石体渗透系数为10-2～10-4，渗透性能较差。

4）排水区（3D）。因开挖时难以剔除爆破料中的泥质粉砂岩等软岩，堆石体渗透性不能满足自由排水要求，因此需要考虑坝体内上游设置竖向排水区，沿底部设置水平排水区。即在堆石区上游部位，紧靠过渡区设竖向排水区（顶部水平厚度3.0 m），河床部位高程494.00 m 以下设水平排水区。水平排水区基槽内采用砂岩排水料填筑；基槽以上建基面排水区先采用外购灰岩料填筑4.0 m，紧接其上再采用砂岩排水料填筑。

5）下游护坡（P）。为了下游坝坡稳定、建设绿色生态工程，大坝下游坝坡采用C25 混凝土网格梁+水保绿化措施进行坡面防护。

6）上游铺盖区（1A）。在面板上游高程509.00 m以下，设置铺盖（以粉细沙、沙壤土、粘土为主）起辅助防渗作用，铺盖顶宽4.0 m，上游坡1∶1.6。

7）盖重区（1B）。盖重区覆盖在上游铺盖上，维持上游铺盖区的稳定，并起保护作用，盖重区顶部高程与粘土铺盖相同，顶宽6 m，上游坡比1∶2.5，采用大坝开挖的级配较好的石碴料填筑。

3.4 坝体各分区材料设计和填筑标准

3.4.1 垫层区

为保证垫层区具有较高抗剪强度，满足内部渗透稳定要求和上游坝坡稳定要求，垫层料采用开挖的新鲜、微风化灰岩石料经人工破碎加工而成，最大粒径80 mm，粒径小于5 mm 的含量为35%～50%，小于0.075 mm 的颗粒含量为4%～6%，连续级配，曲率系数为1～3，不均匀系数大于5，垫层料的超径颗粒含量不应大于3%。设计压实后指标：干密度≥2.20 g/cm3，孔隙率≤18%，渗透系数为1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.2 特殊垫层区

特殊垫层料采用开挖的新鲜、微风化灰岩石料经人工破碎加工而成。最大粒径40 mm，粒径小于5 mm的含量为46%～62.5%，小于0.075 mm 的颗粒含量为5%～10%，连续级配，曲率系数为1～3，不均匀系数大于5，特殊垫层料的超径颗粒含量不应大于3%。设计压实后指标：干密度≥2.20 g/cm3，孔隙率≤18%，渗透系数为1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.3 过渡区

坝体过渡层料采用微风化～新鲜的爆破灰岩石料，最大粒径为300 mm，粒径小于5 mm 的含量为15%～30%，粒径小于0.075 mm 的含量控制在5%以内。曲率系数为1～3，不均匀系数大于5。设计压实后指标：干密度≥2.10 g/cm3，孔隙率≤20%，渗透系数大于1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.4 堆石区

堆石区采用微风化～部分分散弱风化主体建筑物开挖料（单轴饱和抗压强度≥25 MPa），最大粒径800 mm，粒径小于5 mm 的含量不超过20%，粒径小于0.075 mm 的含量不超过5%。曲率系数为1～3，不均匀系数大于5。设计压实后指标：干密度≥2.08 g/cm3，孔隙率≤19%。

3.4.5 排水区

坝体竖向排水层水平顶部宽度为3.00 m，采用下水库工程区紫灰色、灰色至灰绿色细粒砂岩料（饱和抗压强度≥45 MPa）或外购爆破灰岩料，最大粒径800 mm，粒径小于5 mm 的含量为0%～5%。曲率系数为1～3，不均匀系数大于5。设计压实后指标：干密度≥2.05 g/cm3，孔隙率≤22%，渗透系数大于1×10-2～1×10-1cm/s。

3.4.6 反滤料

反滤料采用新鲜、微风化灰岩石料经人工破碎加工而成。最大粒径40 mm，粒径小于5 mm 的含量为40%～60%，小于0.075 mm 的颗粒含量不大于5%，连续级配，曲率系数为1～3，不均匀系数大于5，超径颗粒含量不应大于3%。设计压实后指标：干密度≥2.18 g/cm3，孔隙率≤18%，渗透系数为1×10-3～1×10-2cm/s。

3.4.7 堆石排水棱体

堆石排水棱体设置在坝脚堆渣体下游底部，横断面呈梯形，顶宽2 m，顶部高程495.30 m，最大高度15.30 m，上游坡1∶1.0，下游坡1∶1.4。上游面与堆渣体底部排水区相接，之间设反滤层，以顺畅排走坝体渗漏水。

堆石排水棱体石料采用下水库爆破开挖的新鲜细粒砂岩料（饱和抗压强度≥50 MPa），最大粒径1000mm。

4 坝体分区填筑参数

根据现场科研碾压试验成果，结合类似工程经验，拟定坝体各分区填筑参数如表1。

表1 坝体分区主要填筑参数表

5 结语

蟠龙抽水蓄能电站大坝为红层地区软岩料填筑面板堆石坝，坝坡稳定及坝体变形控制是大坝设计的重点和难点，坝体的合理分区和严格的填筑标准对控制坝体变形至关重要。针对工程区料源岩性、储量，大坝坝体结构从上游至下游分垫层区、过渡区、排水区、堆石区、下游堆渣区等，严格按照规范要求以及参考类似软岩筑坝工程对坝体不同部位的材料进行设计，同时结合室内试验和现场科研碾压试验成果，适当调整粒径级配范围，调整各分区填筑碾压参数，以方便现场施工，最终实现施工详图阶段坝体分区的优化设计。