二龙滩水库面板堆石坝设计浅析

(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，四川 德阳，618000)

1 工程概况

二龙滩水库坝址位于南广河左岸支流二夹河中游，高县可久镇金龙村，控制集水面积148km2，多年平均流量2.11m3/s。水库正常蓄水位416.00m，总库容1148×104m3，是一座农业灌溉、城乡供水等综合利用的Ⅲ等中型水利工程，混凝土面板堆石坝按3级建筑物设计。枢纽工程主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、右岸无压泄洪隧洞、右岸导流放空洞及取水隧洞。坝址区地震动峰值加速度值为0.1g，对应地震基本烈度为Ⅶ度，工程设防烈度为7度。

2 工程建设条件

工程区位于四川盆地南部及边缘地带，地处南广河一级支流二夹河上游月亮沱～龙口一带，该段河道蜿蜒曲折，河谷深切，谷底较平坦，两岸地形多呈较对称的“U”型谷。坝址区位于符江向斜倾伏端南东翼近核部，工区内地质构造简单，属于典型的红层地区，主要为单斜地层。出露地层除第四系松散堆积层外，广泛分布侏罗系中统沙溪庙组砂岩、粉砂质泥岩与泥质粉砂岩等一套河湖相沉积的碎屑岩。河床段地形平坦，覆盖第四系冲洪积层，厚2.5m～3.1m，为孤(漂)块卵砾石夹粉土，下伏基岩为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩不等厚互层夹砂岩。河床坝基段岩体基本无强风化带，弱风化带厚5m。左岸地形陡峻，基岩大多裸露，组成边坡岩体主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩不等厚互层夹砂岩。右岸地表大多基岩裸露，零星分布第四系坡残积之粉质粘土含碎石，组成坝基岩体为砂岩夹薄层粉质泥岩、泥质粉砂岩。

3 混凝土面板堆石坝设计

3.1 大坝布置设计

大坝坝顶高程418.00m，坝顶宽8.0m，最大坝高50.0m，坝顶长240.0m。大坝上游边坡1∶1.5，下游边坡1∶2.0、1∶2.25，在高程398.00m处设一级马道，马道宽2.00m；下游坝坡自高程398.00至坝顶设一条坝后公路。坝顶设置C30混凝土防浪墙，墙顶高程419.20m。

3.2 坝体材料分区及坝料设计

坝体从上游至下游依次为：上游石渣压重铺盖(E)、上游压坡铺盖(石粉)(F)、垫层区(B)及特殊垫层区(D)、过渡区(C)、上游堆石区(A1)、下游坝壳石渣区(A2)，坝料分区设计如附图。

附图 坝体材料分区

(1)A1区——主堆石料

主堆石料主要采用新鲜砂岩料，最大粒径600mm～800mm，粒径小于5mm颗粒含量为5%～15%，粒径小于0.075mm颗粒含量≤5%。填筑时不得发生粗料集中架空现象，压实后应具有自由排水性能，渗透系数≥1.0×10-2cm/s，设计干密度≥2.07g/cm3，碾压后孔隙率≤23%。

(2)A2区——石渣料

石渣料主要采用强、弱风化砂泥岩料。最大粒径600mm～800mm，粒径小于5mm颗粒含量为10%～20%。填筑时不得发生粗料集中架空现象，石渣料透水性良好，碾压后的渗透系数≥5.0×10-3cm/s，设计干密度为≥2.10g/cm3，碾压后孔隙率≤22%。

(3)B区——垫层料

垫层料采用新鲜砂岩加工而成。要求连续级配，最大粒径80mm～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为35%～55%，粒径小于0.075mm颗粒含量为4%～8%，设计干密度≥2.12g/cm3。碾压后的孔隙率为≤20%，渗透系数为(1.0～10.0)×10-4cm/s，相对密度≥0.90。

(4)C区——过渡料

过渡料采用新鲜砂岩加工而成。级配连续，最大粒径200mm～300mm，粒径小于5mm颗粒含量10%～20%，粒径小于0.075mm颗粒含量≤5%，透水性良好，渗透系数≥1.0×10-2cm/s，设计干密度≥2.10g/cm3，孔隙率≤21%，相对密度≥0.90。

(5)D区——特殊垫层料

特殊垫层料外购灰岩获得，最大粒径40mm，粒径小于5mm颗粒含量为35%～55%，粒径小于0.075mm颗粒含量为5%～8%，级配连续且自身渗透稳定。碾压后的孔隙率≤17%，设计干密度≥2.24g/cm3，相对密度≥0.90。

(6)E区——上游盖重石渣料

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盖重石渣料采用大坝坝肩、泄洪隧洞开挖利用料填筑，最大粒径600mm，按照设计尺寸、坡度、高程施工，利用机械作业时的自重压实。

(7)F区——压坡铺盖(石粉)

大坝上游坝坡铺盖石粉(人工砂)采用灰岩作母岩加工，外购成品获得。铺料时按设计尺寸、坡度、高程填筑，利用机械作业时的自重压实。

3.3 混凝土面板设计

二龙滩水库大坝面板采用C30W8F100混凝土，由于坝高不高，面板厚度采用40cm等厚设计，单层双向配筋。为避免局部应力集中使混凝土压坏，在面板垂直缝、周边缝1m范围内设置双层双向的边缘加强钢筋。

根据坝址处河谷地形分析，结合坝体三维有限元分析计算结果，面板两岸坡部分处于受拉区，河床中央部分处于受压区。据此设计面板压性垂直缝9条，缝间距为12m；张性垂直缝左岸5条，缝间距为6m；右岸11条，缝间距分别为12m和6m。

3.4 混凝土趾板设计

趾板既要保证与混凝土面板和基岩的连接，构成完整的挡水防渗体系，又需兼有灌浆盖板的作用，是混凝土面板坝中重要的防渗结构。本工程坝址区基岩埋深较浅，故设计趾板置于弱风化或新鲜基岩上，厚0.5m，宽5m，采用C30W8F100混凝土浇筑，并对趾板下游15m范围内基础挂φ6钢筋网喷15cm厚的C20混凝土铺盖以延长渗径。趾板基准线由面板底面与趾板底面的交线(X线)控制。

趾板顶部布置单层双向钢筋，每向配筋率0.4%，靠近周边缝处设抗挤压钢筋。为加强趾板与基础的连接，趾板下设4排直径25mm的锚筋，排距1.5m，间距2m，呈梅花型布置。锚筋长4.8m，上端与趾板内钢筋焊接，锚筋孔孔径≥45mm，采用M30水泥砂浆压力封孔。

3.5 接缝止水设计

本工程接缝型式主要有趾板伸缩缝、周边缝、面板垂直缝、面板与防浪墙水平缝、防浪墙结构缝5种。

(1)趾板伸缩缝：趾板设伸缩缝时，伸缩缝应与面板的垂直缝错开。最新的《混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范》(DL/T 5115-2016)建议趾板伸缩缝设两道止水。本工程趾板中部设GB复合“W”型铜片止水，在缝口预留“V”形槽，缝面采用GB柔性填料，再以PVC防渗保护盖片封闭。

(2)周边缝：周边缝在整个面板坝防渗体系中，工作条件最差，在施工期和运行期会产生张开、沉降和剪切三向位移，是左右接缝中变形最大，防渗最薄弱环节。本工程周边缝设两道止水，底部设“F”型铜止水，缝顶预留“V”型槽，在槽底设φ50mmPVC棒，其上设GB复合波浪形橡胶止水带并通过不锈钢螺杆锚栓及扁钢固定，再填充GB柔性填料，上敷三元乙丙橡胶复合板，两侧用膨胀螺栓固定。

(3)面板垂直缝：均设置两道止水。缝底设“W”型铜片止水，缝顶开槽设PVC棒，GB柔性填料及三元乙丙橡胶复合板封闭，采用不锈钢扁钢及螺杆锚栓固定。

(4)面板与防浪墙水平缝：按照周边缝止水设计，布置底部铜片止水及顶部塑性填料止水。

(5)防浪墙结构缝：考虑沉降变形协调，防浪墙沿长度方向结构分缝与面板垂直缝对齐，缝内设一道铜片止水，分别于防浪墙水平缝顶部塑性填料止水及底部铜片止水粘接牢靠。

3.6 坝基处理

趾板基础置于弱风化岩体上部，由于岩石裂隙仍较发育，透水性较强，对趾板基础进行固结灌浆。固结灌浆共沿趾板基准线布置3排，孔距2.0m，排距1.5m，深8.0m。

坝址区风化带岩体为强～中等透水，坝基、坝肩岩体均存在坝基及坝肩绕坝渗漏问题，须进行帷幕灌浆。防渗帷幕沿趾板基准线布置两排，孔距2.0m，排距1.5m，帷幕灌浆深度按深入透水率q≤5Lu岩层以下5.0m控制。左、右坝肩防渗帷幕分别延伸70m和90m。防渗帷幕轴线总长475.24m。

4 大坝安全监测设计

本工程安全监测项目主要有：

(1)变形监测。主要包括：表面变形观测，共设置4条视准线，平行于坝轴线。在上游坝坡布置1条临时观测视准线，坝顶及下游坝坡共布置3条视准线，进行水平及沉降位移观测；内部变形观测，采用水平分层布置方式，共设置2层，布置有引张线式水平位移计和水管式沉降仪；周边缝变形观测，设8支三向测缝计；面板脱空观测，共布置2条面板脱空监测断面，4支两向脱空测缝计。

(2)渗流监测。在趾板、防渗帷幕后及坝体底部共设置13支自动渗压计观测坝体孔隙压力及浸润线，并在左右坝肩各设置3支自动化绕渗仪。下游坝脚设截水墙及三角形量水堰。

(3)环境量监测。在上游坝面设观测水尺和1支深水温度计观测库水位及库水温。

5 结语

二龙滩水库地处四川盆地南部，是典型的红层地区，砂、泥岩储量丰富，新鲜砂岩强度高，灰岩运距相对较远，砂砾石料缺乏。由于受地理条件限制，坝址控制集水面积和多年平均来水量远大于水库库容，泄水建筑物规模及开挖工程量较大。混凝土面板坝下游侧采用石渣填筑，可充分利用枢纽区开挖料，从而减少弃渣工程量，节约投资。

面板坝垫层料及过渡料对坝料要求较高，一般采用灰岩等坚硬岩作为筑坝材料。但本工程灰岩运距相对较远，而坝址区新鲜砂岩饱和抗压强度最高达90MPa，平均60MPa～70MPa，经筑坝材料室内试验研究及计算分析，垫层料及过渡料采用新鲜砂岩加工获得，加快了施工进度，节约了投资，取得了较好的效果。