APP下载

某抽水蓄能电站高面板堆石坝坝体分区优化

2021-10-20王樱畯雷显阳

水利水电科技进展 2021年5期
关键词:主坝堆石堆石坝

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。

猜你喜欢

主坝堆石堆石坝
堆石混凝土绝热温升影响因素分析
高堆石坝砂砾石料的细观参数反演及三轴试验模拟
高面板堆石坝变形控制技术分析
基于细观建模的堆石混凝土抗压试验的数值模拟*
天星坝水库混凝土面板堆石坝应力变形有限元分析
混凝土预制块模板在堆石混凝土坝中的应用
中国水利工程优质( 大禹) 奖获奖工程: 右江百色水利枢纽工程(主坝鸟瞰)
水利工程面板堆石坝填筑施工质量控制
某水库大坝工程中的难点分析及应对措施研究
充填式灌浆技术在水利工程主坝施工中的应用探究