某抽水蓄能电站高面板堆石坝坝体分区优化

王樱畯，赵 琳，雷显阳

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江省抽水蓄能工程技术研究中心,浙江 杭州 311122)

沥青混凝土面板防渗性能良好，渗透系数小于10-8cm/s，且具有较强的适应基础变形和温度变形能力[1]。近年来沥青混凝土面板堆石坝在抽水蓄能电站中得到广泛应用。目前我国已建、在建抽水蓄能电站已超过60座。从早期的天荒坪、张河湾、西龙池抽水蓄能电站工程，到后来的宝泉、呼和浩特等工程，上(下)水库大坝均采用沥青混凝土面板堆石坝坝型，其中西龙池下水库大坝坝高 97.4 m，坝基建于深厚覆盖层上，为该类工程已建最高大坝。随着这些工程的建成，我国已全面掌握了现代沥青混凝土面板堆石坝设计和施工技术，建设地域也从气候温和地区(天荒坪)、寒冷地区(张河湾、 宝泉)发展到严寒地区(西龙池、呼和浩特)[2-4]。但是，以往的成功经验仅适用于坝高100 m以下的水库大坝，随着坝高增大，堆石体的应力水平增高、变形增大。高面板堆石坝的设计应以变形控制、变形协调为核心，考虑土石方挖填平衡因素，应从堆石材料选择、坝体分区、压实标准及级配等多角度出发，研究确保大坝安全的技术方案[5-6]。目前我国100 m坝高以上的沥青混凝土面板堆石坝，工程建设经验不多，需结合具体工程开展深入研究和论证。

本文阐述了某抽水蓄能电站高达182.3 m的上水库主坝沥青混凝土面板堆石坝坝体分区优化设计。在工程实施阶段，通过进一步优化上、下游堆石区分界坡比，坝顶以下设置增模区，两岸岸坡铺设过渡料，优化防渗体连接板及其基础垫层，调整坝基排水带，下游护坡增设封闭层等一系列技术措施，成功解决了该工程面临的上水库土石料料源紧张，坝基地质条件复杂，岸坡起伏差大，大坝变形及防渗结构可靠性要求高等问题。

1 上水库工程布置

1.1 工程地质概况

上水库位于仑山主峰西南侧大哨沟的沟源坳地，东、北、西三面由高程288.30～400.40 m山脊及垭口组成，东南侧为冲沟，沟底高程约为90～150 m。边坡整体上陡下缓，北库岸山脊坡度5°～15°，西库岸和东库岸山脊坡度20°～30°。高程200～260 m以上库岸弱～微风化白云岩大片出露，覆盖层主要分布在库盆中下部，沟底厚5～18 m；闪长玢岩岩脉呈NNW向密集侵入，岩体风化深。

主坝位于大哨沟沟口，为“V”形谷，两岸地形不对称，岩性为硅质白云岩、硅质条带白云岩，右岸闪长玢岩脉大量侵入。坝址区断层发育，分布有F7、F8、F9等大小断层11条，多为NNW向，中陡倾角。溶洞、溶沟发育，两岸地下水位及相对隔水层顶板埋藏深，存在坝基及绕坝渗漏问题。

1.2 总体布置

上水库流域面积约为0.63 km2，由主坝、副坝和库周山岭围成。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，总库容1 748万m3，有效库容1 577万m3。主、副坝坝型均为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程272.40 m，主坝最大坝高182.30 m，坝顶长度811.45 m，坝顶宽度10.00 m。库盆由一库底大平台及库周1∶1.7坡比的开挖坡围成，库底平台高程236.50～237.00 m。上水库采用“库岸沥青混凝土面板+库底土工膜”防渗方案。沿库周设库岸公路，路面宽8.50 m，总长约为3.0 km。

上水库平面布置、石料场A区、B区及C区分布见图1。大坝及库底填筑需要的石料，从库盆石料场开采，其中B区石料场全、强风化玢岩岩脉发育，所开采混合料用于下游堆石区及库底填筑。主、副坝和库盆填筑量近3 000万m3。2018年10月，主体工程正式开工，2021年4月，上水库主坝已填筑至193.00 m高程。

图1 上水库平面布置及料场分区(单位：m)

2 可行性研究阶段上水库主坝坝体分区

2.1 坝体结构

上水库主坝坝体上游面坡比1∶1.7，采用沥青混凝土面板进行防渗，下游面240 m高程以上坡比1∶1.9，以下1∶1.8，每隔35 m设宽3.0 m的马道。下游坝坡采用“混凝土框格梁+干砌石”护坡。坝后设2个弃渣场，顶高程分别为175.00 m和180.00 m。上水库主坝坝体典型断面见图2。

图2 上水库主坝典型断面(单位：m)

2.2 坝体分区

坝体分区原则如下：从上游向下游各料区渗透性依次递增(下游堆石区除外)；在水压力作用下坝体变形小；各区变形模量相近、变形协调；最大程度利用工程开挖料，料区划分尽可能简单[7-10]。根据上述原则，主坝坝体分成垫层区、过渡区、上游堆石区、下游堆石区等。大坝沥青混凝土面板与库底土工膜之间采用连接板衔接，顶高程237.00 m，其下设垫层区及过渡区。连接板以下坝体设置水平宽度2.0 m的反滤区和3.0 m的过渡区，以及上、下游堆石区。连接板以上大坝垫层区及过渡区坡比1∶1.7，水平宽度3.0 m、5.0 m。上、下游堆石区分界坡比1∶0.5(倾向下游)，两者之间设水平宽5.0 m的过渡区。在下游堆石区下部设置透水堆石排水层，岸坡部位厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m。在大坝下游坡脚，设置量水堰挡墙收集坝体渗水并进行量测。

3 施工图阶段上水库主坝坝体分区优化

施工图阶段上水库主坝坝体分区优化主要包括上、下游堆石区分界坡比优化，坝顶以下设置增模区，布置连接板及调整基础垫层，调整坝基排水带，优化坝体和两岸坡坝基过渡区以及下游护坡等。主坝坝体断面优化典型断面见图3。

图3 上水库主坝坝体断面优化典型断面(单位：m)

3.1 上、下游堆石区分界坡比

高面板堆石坝上、下游堆石区分界坡比采用倾向下游1∶0.5的设计，这是国内坝工界公认的坡比。萨尔瓦欣纳面板堆石坝最大坝高约为148 m，采用此坡比，下游堆石压缩模量仅为上游的1/5，没有出现上游面的受拉现象[11-12]。

可行性研究阶段试验表明，该工程下游堆石料采用的白云岩与全、强风化玢岩混合料质量较差，其压缩模量仅为上游堆石的1/3～1/4。因此，上、下游堆石区分界倾向下游1∶0.5或接近1∶0.5是合适的。施工图阶段，经土石方挖填平衡分析，堆石区分界倾向下游1∶0.4方案比1∶0.5方案节省上游堆石料约70万m3。考虑到上游堆石料料源偏紧，最终采用倾向下游1∶0.4方案。虽然上游面坡比为1∶1.7，但连接板以下的上游堆石坡比只有1∶1.0，大坝上游综合坡比约为1∶1.3，因此上、下游堆石分界线坡比仍应按照高面板堆石坝的分区原则确定。

3.2 坝顶以下增模区

面板堆石坝震害观察和振动台动力模型试验表明，坝顶附近动力放大效应，导致坝顶以下一定范围的震损较严重。该工程上水库主坝属高堆石坝，抗震设防烈度为8度，在坝顶以下1/5～1/6坝高范围内提高堆石密度，可减小地震作用下堆石料剪缩，从而减小震后坝体变形及面板震损程度[13]。

计算结果表明，该工程蓄水20 a产生的最大流变沉降45.1 cm，占坝高的0.24%，最大流变水平位移18.4 cm。流变沉降主要发生在坝体下游堆石区和库底回填区，流变水平变形发生在坝顶附近。坝体内部主应力有所增加。从整体来看，流变作用对于坝体应力影响不大，但对位移有一定影响。多个工程研究发现，对于高堆石坝，考虑堆石流变后的坝体变形较为明显[14-15]。同时，抽水蓄能电站水库水位频繁变化，对运行期变形影响不可忽视。监测资料表明，某蓄能电站大坝初始运行期的变形速率甚至大于初期蓄水期[16]。为减小堆石流变及蓄能电站消落带水荷载影响，在坝顶以下一定范围提高堆石密实度是必要的。

结合该工程白云岩料源较紧张的情况，坝体分区进行如下优化：坝顶以下20 m(约1/6坝高)范围内设置增模区，采用弱、微风化白云岩级配堆石料；孔隙率小于16%；最大粒径500 mm；小于5 mm颗粒的质量分数不大于20%；碾压层厚60 cm，洒水10%，大型振动碾碾压10～12遍。

3.3 连接板及基础垫层

a.连接板。计算分析表明，正常蓄水位时连接板与大坝面板底部位移分布规律相同，最大位移矢量和为0.23 m。由于沥青混凝土柔性好，连接板与面板变形较协调，但连接板与土工膜锚固处存在不均匀变形问题，需通过基础垫层局部适应性措施予以解决。

从受力方面分析，连接板存在两侧向中央挤压的变形趋势，在大坝中部附近存在较大的压应力，大主应力最大为5.0 MPa左右，小于混凝土允许抗压强度。在平面反弧段，在水压力作用下，连接板向两侧张拉，此处的小主拉应力为4.2 MPa左右，已超过一般混凝土的抗拉强度。施工图阶段，对连接板平面布置进行了调整：往库内方向平移约10 m，同时减小了平面反弧段连接板曲率。调整后连接板转弯处的小主拉应力仅为1.5 MPa左右。通过平面布置优化、加强配筋等措施，解决了连接板局部拉应力过大的问题。

b.基础垫层。由于连接板下部为垫层、过渡层及上游堆石区，而土工膜下部为库盆回填料，两者的软硬程度不同，蓄水后在土工膜锚固部位会产生较大的变形梯度[17]。通过采用子模型法[18]进行精细化模拟计算得出，土工膜锚固处拉应变达3.75%。PE土工膜的应变极限值为12%，考虑3.0的安全系数，土工膜承受的拉应变与设计允许值4%较为接近。研究表明，连接板基础垫层料向库盆方向延伸约10 m，并在靠近连接板部位设置宽度1 m、高度0.24 m的鼓包后，土工膜局部拉应变显著减小至0.67%，见图4。为此，进行基础垫层设计优化。

图4 土工膜与连接板锚固处应变分布

连接板是大坝面板和库底土工膜的连接体，是易产生渗漏的薄弱环节。基础垫层渗透系数低，可起到限漏作用，相当于大坝防渗体第二道防线[5,19]。为此，将连接板基础垫层调整为厚度1.6 m的特殊垫层料，以及厚度2 m的过渡料。特殊垫层料为连续级配料，最大粒径为40 mm，小于5 mm颗粒质量分数占40%～50%。

3.4 坝基排水层

现场碾压试验表明，下游堆石料中的玢岩含量较高，碾压后小于5 mm颗粒质量分数一般在20%～30%之间，典型级配曲线见图5。施工过程中，因少量混合料的摊铺不能保证非常均匀，局部细颗粒会更加集中。为保护下游堆石区中的细颗粒，将大坝下游堆石区与坝基排水带之间原设置160 cm厚的过渡料，调整为40 cm厚反滤料和120 m厚过渡料。为便于大坝填筑料分层碾压施工，将40 cm厚反滤料和120 m厚过渡料设置成4个大平台，见图3。

图5 主坝下游堆石区碾压试验典型级配曲线

3.5 坝体及岸坡坝基过渡区

上、下游堆石区之间设水平宽5 m的过渡区，采用上、下游堆石料互层填筑的方式建成，施工过程较复杂。计算表明面板挠度仅为14.2 cm，上游堆石区足够支撑面板，设置过渡区意义不大。为方便施工，取消坝体过渡区。

主坝坝址区坝基岩性为白云岩，挖除覆盖层后，两岸石笋、石芽遍布，经基础处理后，仍有一定起伏差，直接填筑上游堆石料(最大粒径70 cm)存在局部架空、难以压实现象，为保证岸坡部位堆石料压实质量，实现岸坡堆石区与河床堆石区的变形协调[20]，在岸坡部位设置水平宽2.5 m的过渡料，最大粒径30 cm。

3.6 下游护坡优化

下游堆石区填筑易崩解风化的玢岩，只要减少其与空气的接触，就可大幅减缓其崩解速率。因此，将坝后护坡方案优化为“混凝土框格梁+混凝土预制块+黏土植草”方案，以隔绝下游堆石料与空气接触，同时有利于提升坝后坡的抗震性能。

3.7 三维有限元计算分析

针对优化后的坝体断面，进行三维有限元计算分析。沥青混凝土及堆石体静力计算模型采用邓肯模型，面板与垫层间采用薄层单元模拟接触面特性。坝料参数采用室内试验成果，如表1所示。采用逐级加载方案，按照135 m高程以下→135～170 m高程→170～205 m高程→205～240 m高程→240～272.40 m高程的施工工序进行填筑，最后浇筑面板。水荷载分10级模拟，每级水头3 m。坝体变形计算结果见图6至图8。

表1 上水库筑坝材料邓肯模型参数

图6 竣工期变形等值线(单位：cm)

图7 蓄水期变形等值线(单位：cm)

图8 蓄水期沥青混凝土面板顺坡向应变 (以压为正)

竣工期坝体最大沉降155 cm，最大沉降位于下游堆石区，蓄水期最大沉降169 cm；竣工期上、下游向水平位移最大值分别为11 cm和51 cm，蓄水后上游水平位移减小至9.8 cm，下游水平位移增大至59 cm。运行期上、下游水平位移分别为1.2 cm和8 cm。

竣工期坝体大、小主应力最大值为3.05 MPa和1.03 MPa，应力水平最大值为0.61，发生在上、下游堆石区分界面中部。蓄水后，应力等值线明显上抬，应力水平降低。在水压力作用下，面板最大挠度出现在中部附近，最大值为14.2 cm。库底及反弧区面板基本处于受拉状态，斜坡段面板受压，顶部面板受拉。面板与连接板接头部位最大拉应变为0.17%，小于设计控制值0.5%，面板的应变状态总体良好，见图8。总体上，计算成果符合高堆石坝的应力变形规律，两岸地形缓，未出现明显拱效应[10,21-22]。

4 上水库主坝坝体断面分区设计特点

a.上水库主坝最大坝高182.3 m，大坝基础地质条件及填筑料料源岩性复杂，因此，应按照高堆石坝设计理念做好大坝变形控制及变形协调，设置可靠防渗结构。上、下游堆石的分界线要保证面板挠度小、堆石上游面不产生拉应变[7]。结合工程经验及计算分析，该工程分区界线采用倾向下游1∶0.4坡比。同时，对坝体填筑料，提出设计孔隙率及级配要求，以保证施工过程中坝料压实。坝顶以下设置增模区，可控制震后、运行期坝体变形。

b.施工图阶段，结合坝料填筑参数、碾压试验成果复核邓肯模型参数，采用精细化单元网格进行坝体应力变形复核，进一步验证坝体断面分区方案的技术合理性。

c.连接板是大坝沥青混凝土面板和库底土工膜的连接体。上水库库底填渣高度约为120 m，为保证连接结构安全，施工图阶段开展深入研究，连接板平面布置往库内平移并减小转弯段曲率，改善了其受力状况，同时在连接板附近设置鼓包，显著减小了土工膜局部拉应变；将基础垫层优化为特殊垫层及过渡料，适当增加基础垫层的细颗粒含量，对于连接板部位的渗流控制来说，是至关重要的[4]。

d.上水库填筑工程量大，减少工程弃渣，做好土石方挖填平衡非常重要。主坝坝体断面分区充分考虑石料料源偏紧情况，利用B区石料场的全、强风化玢岩岩脉与白云岩混合料填筑于下游堆石区。

e.针对坝基工程地质条件及料源特性，因地制宜，采取合理可行的技术措施。主坝坝址区坝基两岸石笋、石芽遍布，在岸坡部位设置水平宽2.5 m的过渡料；坝后护坡方案调整为“混凝土框格梁+混凝土预制块+黏土植草”，减缓了玢岩崩解速率，同时兼顾抗震措施。

5 结 语

某抽水蓄能电站上水库主坝为高沥青混凝土面板堆石坝，工程规模大，技术要求高。坝体断面分区在施工图阶段进行了优化设计，遵循高面板堆石坝的设计原则，并充分考虑利用库盆开挖的全、强风化玢岩料筑坝，较好地实现了土石方挖填平衡。同时，深入开展三维有限元分析研究，进一步验证技术方案的合理性。随着设计理念的提升，施工技术的发展，以及数值分析手段的应用，在高面板堆石坝建设过程中，还需在大坝变形控制和防渗结构安全性等方面进行探索和创新。