小乌江水库堆石混凝土重力坝设计

2021-11-23王志强张文毅邹建锋

山西建筑 2021年23期

王志强，张文毅，邹建锋

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

1 工程概述

堆石混凝土[1-3]是一种新型混凝土材料，是利用自密实混凝土的高流动、抗分离性能好以及自流动的特点，在粒径较大的堆石内随机充填自密实混凝土而形成的混凝土堆石体。自2005年以来，堆石混凝土筑坝技术开始逐步应用于工程，现已在多个省市区建设了超过60座堆石混凝土重力坝[4]。小乌江水库工程位于余庆县龙溪镇红军村境内的麻溪河上，总库容为434万m3，工程规模为Ⅳ等小(1)型工程。大坝枢纽建筑物由堆石混凝土重力坝、坝身泄洪、放空兼生态放水管及取水塔等组成。

2 地质条件

坝址所处位置河谷基本呈对称“V”形，坝区河谷蜿蜒，河湾较大，河谷宽10 m～25 m，河床纵比降16.5‰。坝址右岸、坝基及左岸下部出露地层主要为寒武系金顶山组(∈1j1)，岩性为灰黑色、深灰色中厚层夹薄层细砂岩夹鲕状灰岩及少量泥页岩；左岸上部出露地层为金顶山组(∈1j2)，岩性为灰色、灰黄色泥岩夹薄层灰岩、砂岩及页岩。岩层总体倾左岸偏下游，产状为N10°W～N10°E，NE/SE∠25～30。地质参数表见表1。

表1 地质参数表

3 工程布置与设计

3.1 基本布置情况

大坝坝顶高程822.20 m，坝顶宽5.00 m，坝轴线长195.00 m。大坝基础置于弱风化基岩中上部，建基面高程775.00 m，最大坝高47.20 m。大坝共分7个坝段，最大坝段长35 m，5号坝段为溢流坝段，6号坝段为取水兼放空坝段，1号～5号坝段坝踵设齿槽，4号～5号坝段齿槽深度为2 m，1号～3号坝段齿槽深度从0 m渐变到5.9 m。

泄水建筑物由3个坝身溢流表孔构成，单个溢流表孔净宽6.0 m，总宽18 m，中间闸墩间隔，闸墩厚1 m，泄槽宽20 m。溢流面与下游消力池底板用圆弧连接，圆弧半径17.50 m。消力池长20 m，池深1.5 m，底板高程782.00 m，底板混凝土厚度1.0 m。

放空兼生态放水建筑物布置于左岸，主要由闸门井、启闭排架、启闭机室、坝身埋管及出口闸室等组成。进口为喇叭口，孔口尺寸1.5 m×1.5 m，进口设拦污网和平面检修闸门，闸门启闭机室置于闸门井顶部。平面检修门后设通气兼检修孔，其后通过方变圆接坝内埋管，埋管为DN1 000 mm钢管，钢管壁厚为12 mm。在下游闸阀室处埋管上分接1根DN200 mm生态放水管。放空钢管在闸阀室内设DN1 000 mm偏心半球阀作为工作阀；生态放水管上设置检修和工作闸阀各一个，库水经放空管或生态流量管下放至消力池下游河道内。

泵站包括取水排架、泵房及水泵机组等。泵站位于大坝左坝段，紧靠放空兼生态放水建筑物布置，泵房位于取水排架顶部，泵房内设置单梁式吊车梁，额定起重荷载为10 t，用于泵房内水泵分层取水的起吊及水泵机组、扬水管检修吊装；取水排架采用钢筋混凝土桩基础承重，桩底置于弱风化基岩上，桩身截面尺寸为1.6 m×1.6 m，取水排架迎水面设置0.3 m厚C25钢筋混凝土墙面，分别在3个不同高程处设置两个1.0 m×0.8 m(长×高)分层取水口。水泵机组布置于泵房内，共布置3台，两用一备，按“一”字形摆放安装，水泵后接DN250 mm扬水管，库内取水后经控制闸阀和DN300 mm出水管汇入输水管线至水厂。

工程防渗包括坝址区防渗帷幕和库区防渗帷幕，坝址区防渗帷幕线总长约333 m，面积0.94×104m2，单排灌浆孔，孔距2 m，灌浆按3序施工。库区防渗帷幕分两期进行：一期沿帷幕线正常钻孔、灌浆施工，单排帷幕，孔距2.0 m，根据现场帷幕钻孔掉钻情况、地下水位观测、压水情况、灌浆耗浆量等探明岩溶管道具体位置，分布高程、规模和尺寸；二期根据一期帷幕施工探明的岩溶管道具体情况，对岩溶管道进行封堵设计及施工；库区防渗帷幕线总长约593 m，面积3.65×104m2，岩溶管道封堵采用C15W6高自密实性能混凝土。

大坝上游立面图见图1。

3.2 坝体典型断面设计及抗滑稳定计算

大坝基本断面呈直角三角形，坝顶宽度5.00 m，坝顶高程822.20 m，建基面高程775 m，最大坝高47.2 m，最大坝底厚度38.77 m；坝体上游面795.00 m高程以下坡比1∶0.2，795.00 m高程以上为铅直面，下游坝坡1∶0.75，起坡点高程为814.96 m。根据大坝建基面地质情况，大坝左岸岸坡坝段及河床坝段建基面与岩层层面斜交，大坝右岸岸坡坝段建基面与岩层层面平行；左岸坝段7号坝段位于∈1j2薄层泥灰岩夹少量泥质粉砂岩、页岩上，岩体质量相对较差。大坝建基面抗滑稳定及深层抗滑稳定需根据不同地质条件分坝段进行研究计算：

1)4号～7号坝段建基面滑动主要为剪断岩体的滑动模式；4号～7号坝段深层滑动主要以岩层层面为底滑面，侧向以剪断岩体为侧面滑动面，以裂隙面为剪出面组成楔形块体往下游滑动的滑动模式。2)1号～3号坝段滑动主要以岩层层面为底滑面，以裂隙面为剪出面组成楔形块体往下游滑动的滑动模式。大坝危险滑面示意图(上游下视)见图2。

经过初步核算(坝基未设齿槽的情况下)，大坝5号～7号坝段建基面滑动和深层滑动稳定问题不突出，基本能满足规范要求；大坝1号～4号坝段浅层滑动问题较为突出，其中3号坝段计算安全系数最低(1.32)，小于规范要求值(3)；故针对1号～4号坝段，在坝踵位置增设齿槽(5号坝段部分设齿槽)，4号～5号坝段齿槽深度为2 m，1号～3号坝段齿槽深度从0 m渐变到5.9 m，经验算后，其抗滑稳定计算安全系数均大于3，3号坝段计算安全系数为3.25/3.07/3.00(正常蓄水位工况/设计洪水位工况/校核洪水位工况)。

3.3 坝体材料分析设计

根据相关规范[5-6]及类似工程经验[7-9]，坝体上游面设0.5 m厚C9015自密实混凝土防渗层，防渗层抗渗等级要求为W6，抗冻等级要求为F50，自密实混凝土与大坝堆石混凝土一起浇筑，最终形成整体结构，C9015自密实混凝土实施过程中水泥用量单方混凝土为159 kg，并大量掺粉煤灰，粉煤灰比例在66%以上。基础设1 m厚C20常态混凝土垫层，垫层混凝土抗渗等级要求为W6，抗冻等级要求为F50，与坝体上游面防渗层相结合形成封闭的防渗结构。坝体内部为C9015堆石混凝土，堆石混凝土抗渗等级要求为W4，抗冻等级要求为F50，堆石率按55%设计，堆石料应采用弱风化和新鲜灰岩，应新鲜、完整、质地坚硬、没有剥落层和裂纹，不宜为片状岩石。堆石料粒径应不小于300 mm，最大粒径不应超过结构断面最小边长的1/4，且不超过1.0 m，堆石料不允许含泥块。本工程实际堆石率在58%左右。坝顶设0.6 m厚C20常态混凝土。大坝典型断面图见图3。

3.4 坝体分缝、止水及排水设计

大坝设6条横缝，分7个坝段，分缝最大宽度为35 m；在每个坝段上游面对C9015致密性防渗层进行分缝，各分一条缝。在大坝横缝上游面、防渗层和下游面最高水位以下分缝布置止水设施。上游坝面横缝内设置一道“W”型铜片止水，下游最高水位以下缝面设置一道“W”型铜片止水，止水距上、下游面0.4 m，止水片埋入基岩0.25 m。

坝内设一道基础灌浆及排水廊道，廊道断面尺寸3.0 m×3.5 m(宽×高)，底部高程为786.00 m，左右岸均至高程800.00 m，廊道采用C25二级配常态混凝土。为降低坝基扬压力，在坝基防渗帷幕下游侧附近布置一排排水孔，排水孔间距为3.0 m，孔径110 mm，排水孔深度为上游防渗帷幕深度的0.4倍～0.6倍，坝基排水孔在坝体灌浆排水廊道内施工；在坝体上游防渗层靠近下游侧设置铅直排水管系，排水管采用多孔无砂混凝土管，内径为150 mm，孔距为3.0 m；河床坝段排水管下部通至纵向排水廊道，两岸坝肩坝段排水管施工应在混凝土施工前在坝肩预埋DN300钢管，排水管嵌入预埋钢管内，最终通过预埋钢管汇入灌浆廊道排至坝体下游外。

4 施工过程及效果

大坝堆石采用自卸汽车运输至工作面后，利用反铲进行堆放，坝体上游面堆石距离模板预留至少0.5 m的空间，用于防渗层的浇筑，每层堆石厚度按2.0 m控制，粒径较大的堆石料优先置于大坝的上游侧和堆石体的中下部，C9015自密实混凝土从堆石体表面进行浇筑，浇筑完毕后具备一定数量的堆石露出仓面。C9015自密实混凝土采用布料机在仓面进行供料，共布置一台布料机，采用DN100 mm泵管泵送至布料机。堆石混凝土高峰月浇筑强度达到1万m3，月平均上升高度为4 m。

2019年7月大坝封顶，根据现场裂缝检查统计，在坝体内部及大坝上游防渗层均未发现裂缝现象，通过坝体内部分高层埋设温度计监测统计结果，坝体温度在11.1 ℃～34.7 ℃之间，测点温度最大变幅20.8 ℃，堆石混凝土浇筑过程水化热产生的绝对温升在7.1 ℃～11.6 ℃之间，大坝温控防裂整体效果良好。根据大坝堆石混凝土取芯结果，芯样层间结合面抗剪断强度指标较高，抗压强度较高，f值为1.27～1.40，c值为1.66 MPa～2.35 MPa，抗压强度为21.0 MPa～30.4 MPa。