代古寺面板堆石坝设计要点

李浩瑾 赵晓曦 李娅

1 工程概况

代古寺水库为白龙江引水工程的水源水库，总库容4.08亿m³，水库正常蓄水位为1 804.00 m，设计洪水位为1 805.14 m，校核水位为1 806.71 m。推荐坝型为面板堆石坝，最大坝高151.00 m，坝长360 m。水库规模为大（2）型，大坝级别为1级（坝高大于90 m，由2级提高至1级）。大坝洪水标准按500年一遇洪水设计，5 000年一遇洪水校核，相应的设计洪水洪峰流量为2 755 m³/s，校核洪水洪峰流量为4 116 m³/s。挡水建筑物地震设防烈度为Ⅷ度，地震加速度取0.358g。

2 工程地质条件

坝址两岸岩体以志留系上统卓乌阔组（S3zw）砂质板岩、炭质板岩和印支期（晚三叠系）侵入黑云母花岗闪长岩、石英二长闪长岩等为主。志留系岩体强度较低，变形较大。侵入岩岩体强度较高，整体地层呈软硬相间状态。坝址左岸大部分基岩出露，岩石破碎，风化卸荷深度大；岸坡中部覆盖少量坡积及残留阶地堆积，厚度5～25 m，高程1 778 m以上段岸坡基岩为晚志留系（S3zw）砂质板岩夹少量灰岩及炭质板岩；高程1 778 m以下岸坡基岩为T3L黑云母石英二长闪长岩，岩体致密坚硬。坝址右岸岸坡表部多覆盖第四系坡积、崩积碎石土、碎块石，厚度3～7 m不等，下伏基岩为T3L黑云母石英二长闪长岩。

3 筑坝材料

坝址区及附近有尖藏石料场、桑坝隆哇石料场和洛大乡砂砾石料场，尖藏石料场距坝址最近，距离约580 m，有省道S210与S313在洛大乡代古寺村前连接通往坝址，交通较为便利。尖藏料场出露侵入岩岩体与坝址上游侧及右岸均为印支期（晚三叠系）腊子口序列尖藏南单元（T3J）黑云母花岗闪长岩、石英二长闪长岩等。可考虑作为首选块石、堆石料场。

若施工开采过程中尖藏料源不足，还可考虑桑坝隆哇灰岩料场进行开采补充。桑坝隆哇料场位于腊子口沟左侧支沟桑坝隆哇沟内约2 km处，合计总运距约12.5 km。料场可用层为泥盆系中统鲁热组（D2l）泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩夹薄层灰岩和板岩，可考虑作为尖藏石料场补充开采块石、堆石料场使用。

4 面板堆石坝设计

4.1 坝体布置

根据国内已建和在建类似规模工程经验及坝顶交通、坝坡稳定、坝体施工，以及抗震措施等要求，拟定坝体基本断面为：坝顶宽度15 m，坝顶长度360 m，最大坝高151.0 m。上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.4，考虑道路后综合坝坡1∶1.87。下游坝坡结合8 m宽的“之”字形、纵坡8%～9.5%的施工和场内永久交通道路布置。

4.2 坝体设计

4.2.1 坝顶结构

坝顶采用混凝土路面，面层厚度0.2 m。坝顶上游布置“L”形钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程1 810.20 m，墙底高程1 805.20 m，墙高5 m，墙顶高出坝顶1.2 m，防浪墙上游侧设0.8 m宽的观测走道。

4.2.2 混凝土面板

参考同类坝高及“V”形河谷的面板坝设计实例，遵照公式t=t0+0.003 5H，面板顶部厚度增加到0.4 m，底部厚度为0.95 m。

工程所在地属寒冷地区，面板混凝土强度等级采用C30F200W12。面板采用单层双向配筋，单向配筋率0.4%。为增强面板顶部、底部及接缝部位的抗变形、抗拉和抗压能力，在拉应力区、岸边周边缝附近和临近周边缝的垂直缝、分期施工的施工缝附近按双层筋加强配置。河床部位按压性垂直缝设计，缝距为12 m，两岸边坡附近面板按张性垂直缝设计，缝距为8 m，两岸岸坡段面板垂直缝在距周边缝1 m处以折线形式垂直于周边缝布置。

4.2.3 混凝土趾板

本工程趾板型式采用平趾板。河床最大坝高部位趾板建基面开挖至弱风化下部至微新岩体，两岸坝高较低部位趾板建基面开挖至弱风化上部至强风化底部岩体。趾板宽度、厚度见趾板设计参数见表1。

表1 混凝土趾板宽度、厚度设计表

趾板混凝土与面板混凝土相同，采用C30F200W12，表面采用单层双向配筋，单向配筋率0.4%，在与面板的接触面配设加强钢筋，加强其缝面抗压能力。趾板通过锚杆与基岩连接。

4.2.4 河床高趾墙

河床部位覆盖层较薄，仅2.3～4.8 m，地表以下19.2～81.4 m位置，黑云母石英二长闪长岩部分蚀变，抗变形能力较差，蚀变带向左岸深部发育，蚀变岩体与未蚀变基岩抗变形能力存在差异，为避免坝基不均匀变形对坝体产生破坏，且考虑到趾板线河床部位底部呈河谷深切形态，为保证趾板布置平顺，河床部位趾板采用趾墙结构。

高趾墙为混凝土重力式结构，其轴线平行于坝轴线，建基于微风化岩体上部，墙高20 m，横河向长度55 m，顶宽25 m，底宽49 m，上游坡比1∶0.2，下游坡比1∶1.0。趾墙两端与两岸趾板衔接。趾墙顶部以上设计成混凝土趾板形式，宽12 m，厚1.0 m，布置于趾墙上游侧，趾板基础与趾墙顶面连接层面按施工缝处理，缝面凿毛、钢筋过缝。

4.2.5 接缝止水

根据国内类似工程经验，为便于混凝土面板施工，提高接缝部位混凝土质量，周边缝、张性垂直缝以及压性垂直缝均设顶部和底部两道止水。周边缝底止水采用“F”形铜片止水，顶止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包三元乙丙增强型盖片，缝间填沥青浸木板。张性垂直缝底止水采用“W”形铜片止水，顶止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包高强度橡胶板。压性垂直缝底止水采用“W”形铜片止水，顶止水采用GB柔性填料，PVC棒，外包高强度橡胶板，缝间填橡胶复合松木板。面板和防浪墙间的水平缝设顶部和底部两道止水。

4.3 坝坡设计和坝体填筑分区

4.3.1 坝坡设计

本工程筑坝材料为花岗闪长岩属坚硬岩主要用于主堆石区，板岩属中硬岩主要用于下游堆石区，坝坡拟定参照国内类似已建工程实例及坝坡稳定计算分析，结合工程设防烈度Ⅷ度，拟定上游坡比1∶1.4，下游坝坡布置宽10 m的“之”字形上坝道路，道路之间坝坡坡比也为1∶1.4，综合坡比为1∶1.87。经坝坡抗滑稳定分析，上、下坝坡各计算工况抗滑稳定均满足规范要求。下游堆石区和上游盖重区可利用部分开挖渣料。坡面用大块石砌筑，厚度不小于1 m，以提高坝体抗震性能。

4.3.2 坝体填筑分区

坝体填筑分区自上游至下游分为：上游盖重区（1B）、上游铺盖区（1A）、混凝土面板（F）、垫层料区（2A）、特殊垫层区（2B）、过渡料区（3A）、主堆石区（3B）、下游堆石区（3C）和下游坝基排水区（3F）。

为减少弃渣，同时保证安全性，下游堆石区按照填筑料的不同分为两个区域：利用开挖料填筑的3C1和利用料场花岗岩填筑的3C2。3C1区位于下游干燥区，顶高程1 779 m，底高程1 685 m，上游坡比1∶0.6，下游坡比1∶1.6。该区域受水荷载影响较小，但对主堆石区具有重要支撑作用，变形模量可适当降低，要求具有强透水性，接近下游坝坡的坝体抗剪强度直接影响下游坝坡的稳定，要求具有较高的抗剪强度。下游堆石区可利用溢洪道、电站、导流泄洪放空洞和坝基的弱风化及微新开挖料。3C2区位于3C1下游，采用料场花岗岩填筑，填筑标准与3B区一致。

4.4 坝基开挖和基础处理

4.4.1 趾板基础开挖

河床部位趾板基础开挖至弱风化中下部或微风化岩体顶部，两岸趾板基础开挖至弱风化岩体上部，坝肩附近高高程趾板基础可开挖至强风化底部岩体。

4.4.2 堆石体基础开挖

代古寺面板堆石坝最大坝高151 m，高程1 778 m以下部位覆盖层厚度最大仅占到坝高的5%左右，覆盖层厚度相对坝高较薄，渗透性较强，与坝体填筑压实要求比相对密度略低，如利用作为坝基处理较复杂，稳妥起见，清除覆盖层，堆石区坐落于强风化岩体上。

4.4.3 固结灌浆

灌浆控制标准，灌后岩体透水率不大于5 Lu。趾板、高趾墙基础固结灌浆深度为：高程1 770 m以上至坝顶固结灌浆深度为5 m，间排距均为3 m；高程1 770 m至高程1 700 m固结灌浆深度为10 m，间排距均为3 m；高程1 700 m以下固结灌浆深度为15 m，间排距均为3 m。以上固结孔均采用梅花形布置。

4.4.4 帷幕灌浆

根据水文地质条件，结合规范规定并参考国内外已建、在建工程经验，代古寺面板坝帷幕灌浆控制标准按不大于3 Lu控制，灌浆孔深入弱透水带（q=3 Lu）下限以下5 m。

在左右岸坝顶高程1 809 m各设1条帷幕灌浆平洞，左岸伸入山体160 m，右岸深入山体220 m。根据趾板轴线工程地质剖面，坝址两岸防渗帷幕基本可以实现全封闭。

4.5 大坝抗震措施

根据有关地震作用下的监测资料和面板坝的动力分析成果，认为面板坝在地震荷载作用下的破坏形态呈现为坝顶沉降坍塌，坝体下部侧向膨胀，表面石料被震松而沿坡面下滑，坝坡有变缓的趋势。坝体抗震安全性能评价的重点在于分析坝体在地震荷载作用下的永久变形，确定该变形是否会导致混凝土面板开裂或止水破坏，从而导致防渗系统的破坏或过大的渗漏量。参考类似工程，对混凝土面板堆石坝采用如下抗震措施：

（1）坝顶高程。考虑足够的地震涌浪高度和地震附加沉陷。按规范要求，地震涌浪高度一般采用0.5～1.5 m，本工程按地震烈度大小和坝高取1.4 m（坝高0.9%）。地震附加沉陷本工程取1.80 m（坝高1.2%），在确定坝顶高程时，计算值为1 808.46 m，最终将坝顶高程定为1 809.00 m，增加了0.54 m，可作为地震沉陷预留值。

（2）坝顶宽度和防浪墙高度。适当加宽坝顶，降低坝顶地震力作用，并防止因坝顶堆石体塌滑而造成上游面板破坏，类比国内外强震区高坝工程实例，坝顶宽度采用15 m。防浪墙处于坝顶，降低上游防浪墙高度也有利抗震，本工程防浪墙高度仅为5 m，是已建高面板坝中较低的。

（3）底孔放空设施。枢纽布置有泄水放空设施，在遭遇震害防渗结构受到破坏影响大坝等极端情况下，库水可降至死水位以下高程1 745 m左右，以达到检修大坝的作用。

（4）适当放缓下游坝坡。上游坝坡坡比1∶1.4，下游“之”字形道路之间坡比1∶1.4，道路宽10 m，综合坝坡为1∶1.87。

（5）适当提高坝壳料的填筑标准，要求砂砾料的相对密度Dr≥0.9，堆石料填筑孔隙率n≤19%。

（6）加强混凝土面板、趾板及坝体各分区间及其与坝基和岸坡的连接，防止地震情况下造成破坏。

（7）增加面板厚度，面板厚度按t＝0.4＋0.003 5H计算，确定面板顶部厚度为0.4 m，面板底部厚度为0.96 m。面板采用单层双向配筋，并在局部配加强筋。

（8）加强坝体顶部和下游坝坡防护。在高程1 779 m以上的下游坝坡设置0.3 m厚的钢筋混凝土板护坡，钢筋混凝土板采用长20 m的Φ25锚筋（做防锈处理），层距3 m，间距3 m，向内深入坝体堆石，并与边长2 m的混凝土锚墩连接，向外与下游坝面混凝土板连接，以提高上部坝体的抗震性能。

5 坝体渗流及边坡稳定计算

5.1 渗流计算

5.1.1 计算参数

坝体计算渗透参数取值见表2。

5.1.2 计算结果

正常蓄水位工况坝体典型断面（最大坝高断面）计算的坝体和地基总的单宽渗流量为0.122 L/（s·m），下游溢出点计算最大渗透比降为0.025 1、防渗帷幕计算最大渗透比降为1.333；校核洪水位工况坝体典型断面（最大坝高断面）计算的坝体和地基总的单宽渗流量为0.126 L/（s·m），下游溢出点计算最大渗透比降为0.025 9、防渗帷幕计算最大渗透比降为1.361；坝体、坝基的渗流量在正常范围内，对该水库的运行影响不大。

5.2 坝体边坡稳定计算

5.2.1 计算条件

上游正常蓄水位1 804 m，设计洪水位1 805.14 m，校核洪水位1 806.71 m。地震设防烈度Ⅷ度。

5.2.2 计算工况

以坝体最大断面为计算断面，分别计算上、下游坝坡正常运行工况、完建工况、水库水位非常降落工况、校核洪水位工况和地震工况的抗滑稳定安全系数。

5.2.3 计算参数

混凝土面板堆石坝主要由主堆石区、下游堆石区、垫层、过渡层组成。根据工程类比及本工程具体情况初定计算采用的材料力学指标，见表3。

表3 筑坝材料的力学性能表

5.2.4 计算方法

应用刚体极限平衡理论的简化的毕肖普法计算计条块间作用力时边坡最小安全系数，应用瑞典圆弧法计算不计条块间作用力时边坡最小安全系数。

5.2.5 计算结果

坝坡抗滑稳定安全系数计算结果见表4和表5。

表4 坝坡抗滑稳定安全系数计算表（计条块间作用力）

表5 坝坡抗滑稳定安全系数计算表（不计条块间作用力）

计算表明：各工况上下游的最小安全系数均大于允许值。

6 坝体及面板应力变形分析

计算中坝体填筑荷载的施加步骤与施工设计的填筑步骤相一致（分31级筑坝施工），混凝土面板一次浇筑完成。混凝土材料采用线弹性模型，堆石的应力应变关系采用非线性弹性模型（邓肯双曲线模型E-B模式）。采用接触面模拟坝体与混凝土面板接触面及面板接缝的力学特性。

坝体有限元网格剖分如图1所示。

图1 二维应力变形计算分析的网格剖分图

6.1 计算参数

参考国内外高面板堆石坝邓肯张E-B计算参数，经筛选分析后，拟选用计算参数见表6。

表6 筑坝材料计算参数表

6.2 计算成果

坝体堆石区各工况顺河向上游位移、顺河向下游位移和竖向位移结果见表7，混凝土面板挠度最大值及对应高程计算结果见表8。

表7 E-B模型计算各工况坝体堆石区最大位移表 cm

表8 E-B模型计算正常蓄水位工况混凝土面板表

坝体堆石区在各个工况的小主应力、大主应力、顺河向正应力、铅垂向正应力计算结果见表9，混凝土面板在各工况的第1主应力、第3主应力、沿面板向正应力、垂直面板向正应力计算结果见表10。

表9 E-B模型各计算工况坝体典型位置应力表 kPa

表10 E-B模型正常蓄水位工况混凝土面板计算应力表 kPa

6.3 主要结论

非地震工况中，坝体堆石区竖向沉降的最大变形发生在校核洪水位工况，竖向沉降位移为77.48 cm，沉降率0.51%；正常蓄水位遇地震工况中，坝体堆石区竖竖向沉降最大位移为89.32 cm，沉降率0.59%，均小于1%。混凝土面板拉应力最大值超出C30混凝土允许最大拉应力，可以通过配顺坡向钢筋解决拉应力超出C30混凝土允许最大拉应力问题。

7 结 语

本文对代古寺面板堆石坝的设计要点进行了介绍，着重列举了抗震方面的工程措施，并进行了数值计算，结果表明，综合采用多项抗震措施后，坝体能够在高强度的地震荷载作用下保持稳定。在下一阶段，将进行坝体分区优化的工作，以材料试验成果为依据，进行三维数值计算，扩大下游堆石区，更充分地利用板岩等开挖料筑坝，减少弃渣，进一步降低对环境的影响。