抽水蓄能电站高沥青混凝土面板堆石坝设计

2022-04-01王樱畯赵琳雷显阳孙檀坚

人民长江 2022年1期

王樱畯赵琳雷显阳孙檀坚

摘要：江苏省句容抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板堆石坝最大坝高182.3 m，目前在抽水蓄能电站中还没有该类坝型坝高超过100 m的设计与实践经验，有必要遵循高堆石坝的设计理念，从坝坡稳定、渗流控制、变形控制、面板及连接板设计等多方面进行研究，从而确定技术方案。由于坝体利用库盆开挖的全、强风化玢岩岩脉混合料分区填筑，因而提出了满足变形控制的坝料填筑孔隙率及级配要求。在面板及连接板以下设置了满足反滤准则的反滤料、过渡料。选用了更适应抽蓄运行工况、受力条件好的沥青混凝土面板为防渗体，连接板结构设计保证了防渗体之间的可靠连接。研究成果可为坝高100 m以上的沥青混凝土面板堆石坝工程建设提供参考和借鉴。

关键词：沥青混凝土面板堆石坝; 渗流控制; 变形控制; 面板防裂; 连接板; 抽水蓄能水电站

中图法分类号： TV641 文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.023

0 引言

近年来随着中国200 m级混凝土面板坝的建设，已积累了一定的实践经验，同时也开展了相关试验、理论研究，取得了宝贵的技术成果[1-4]。与混凝土面板堆石坝相比，沥青混凝土面板堆石坝具有适应变形能力强、无接缝渗漏量小、面板应力分布均匀、施工快捷、缺陷修补方便等特点。目前，在中国已建、在建的60余座抽水蓄能电站中，沥青混凝土面板堆石坝已广泛应用于天荒坪、宝泉、张河湾、西龙池、呼和浩特等诸多蓄能工程，其中西龙池下水库大坝最大坝高97.4 m，为世界上已建最高的沥青混凝土面板堆石坝[5-8]。随着这些工程的建成，中国已经掌握了现代沥青混凝土面板堆石坝的设计和施工技术。但是，现有的成功经验仅限于100 m以下坝高的工程，随着坝高增加，堆石体应力、变形随之增大，而且变形与坝高平方成正比，比应力影响更明显[9]。因此，为满足中国100 m以上坝高的沥青混凝土面板堆石坝工程设计与建设的需求，有必要开展深入研究和论证工作。

本文全面阐述了在建的江苏省句容抽水蓄能电站的上水库高沥青混凝土面板堆石坝（主坝）结构设计方案，总结了设计特点。该工程坝高182.3 m，填筑料源复杂，大坝变形控制难度大，防渗结构要求高，设计中以变形控制、变形协调为核心，从堆石材料选择、坝体分区、压实标准及级配、渗流控制、防渗面板类型比选及连接板变形等多方面进行设计研究[10-12]，提出确保大坝安全的技术方案。相关设计经验可为坝高在100 m以上的沥青混凝土面板堆石坝设计提供借鉴与参考。

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90.00～150.00 m。边坡整体呈上陡下缓，北库岸山脊坡度5°～15°，西库岸和东库岸山脊坡度20°～30°。高程200.00～260.00 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，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，走向多为NNW向，中陡倾角。

1.2 上水库总体布置

上水库由主坝、副坝和库周山岭围成，采用库岸沥青混凝土面板+库底土工膜防渗方案。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10.0 m;副坝最大坝高36.60 m，坝顶长度194.00 m，坝顶宽度8.5 m。库盆由一库底大平台及库周1∶1.7坡比的开挖坡形成，库底平台由半挖半填而成，平台高程为236.50～237.00 m。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，总库容1 748万m3（相应于校核洪水位），有效库容1 577万m3。

上水库平面布置以及库盆石料场A、B及C区分布如图1所示。其中，A、C区石料场开挖料主要为弱、微风化白云岩，用于填筑大坝上游堆石区及过渡料区;B区石料场玢岩岩脉发育，开采的弱、微风化白云岩与玢岩混合料用于下游堆石及库盆填筑。上水库主坝和库盆填筑总量近2 800万m3。

2 上水库主坝结构设计

上水库主坝坝体典型断面如图2所示。坝体上游面坡比1∶1.7，采用沥青混凝土面板防渗;下游面240 m高程以上坡比1∶1.9，以下坡比1∶1.8，每隔35 m设一级宽3 m的马道，下游坝坡均采用“混凝土框格梁+混凝土预制块+黏土植草”护坡。坝后设2个弃渣场（见图1），渣场顶高程分别为175 m和180 m。

2.1 坝体分区

坝体分区原则为：从上游向下游的渗透性依次递增（下游堆石区除外）;堆石区变形小，对面板形成支撑;坝体各区满足变形协调要求;最大限度利用工程开挖料，料区划分尽可能简单[13-16]。沥青混凝土面板下的坝体填筑材料分为垫层区、过渡区、增模区、上游堆石区、下游堆石区等。增模区设置于大坝坝顶以下20 m范围内（坝顶以下约1/6坝高范围），采用弱、微风化级配堆石料，孔隙率要求小于16%。垫层区及过渡区水平宽度分别为3.0，4.0 m。上、下游堆石区之间分界坡比为1∶0.4（倾向下游）。沥青混凝土面板与库底土工膜之间采用混凝土连接板衔接，连接板顶高程为237.00 m。连接板以下的坝体断面分区为：反滤区、过渡区、上游堆石區。反滤区、过渡区的水平宽度分别为2.0，3.0 m，反滤区上游为库盆回填的土石混合料。

2.2 坝体排水

为保证坝体排水，在下游堆石料下部设置堆石排水层，岸坡部位排水层厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m，河床宽约150 m。坝体及岸坡渗水向河床部位汇集后流向下游。主坝坝后弃渣场沟底设置排水箱涵，1.8 m（宽）×1.8 m（高）。此外，为保证大坝渗漏量观测的准确性，在大坝下游坡脚的排水箱涵之前设置量水堰挡墙及混凝土集水箱涵，集水箱涵内的坝体渗水最终通过预埋钢管引至排水箱涵内。

2.3 筑坝材料

上水库主坝填筑量为1 642万m3，库盆填筑量为1 124万m3。根据土石方挖填平衡规划，上水库坝体及库盆填筑料主要为上水库库盆、进/出水口、调压井井口及下水库库盆等开挖料，各种石料应保证筑坝材料的质量和良好的级配要求。为减少弃料，下游堆石料采用B区石料场开挖的弱、微风化白云岩与蚀变闪长玢岩的混合料填筑。上水库填筑料技术指标如表1所列。

2.4 稳定分析

根据主坝的结构与分区进行坝坡静动力稳定分析。计算中的材料物理力学指标根据坝料试验成果并结合已建工程经验选取，采用简化毕肖普法计算，成果汇总见表2。主坝的上、下游坝坡稳定均满足规范要求。

3 上水库主坝渗流控制

依据DL/T 5411-2009《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》，该工程垫层料要求级配连续，最大粒径80 mm，小于5 mm颗粒含量在25%～40%，其渗透性属半透水性，运行期水荷载约30 m水头。与承受高水头的高堆石坝有所不同，垫层料可以起第二道防渗线的作用，提高渗流稳定性。连接板237.00 m以下设置满足反滤准则的反滤料、过渡料，保护库盆填筑的土石混合料细颗粒不被水力作用带出。上水库主坝垫层、反滤料及过渡料级配曲线如图3所示。

4 上水库主坝变形控制

4.1 堆石区分界坡比

试验表明，上水库主坝下游堆石料采用的弱、微风化白云岩与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坡比应达到或接近1∶0.5，以保证变形协调。经土石方挖填平衡分析，考虑到该工程石料较为紧张，上、下游堆石区分界采用倾向下游1∶0.4方案。

4.2 坝体填筑料

4.2.1 碾压设计标准

结合现场碾压试验成果，对该工程大坝填筑料提出了压实要求，见表1。适当提高下游堆石料压实标准（下游堆石区中全、强风化玢岩含量不超过33%），使坝体各区的压缩模量相近，达到坝体变形协调的目的。垫层、过渡料、上游堆石、下游堆石分别要求孔隙率小于17%，18%，18%，17.6%，现场对上下游堆石料采用32 t大型振动碾碾压8遍，加水10%，垫层料、过渡料采用26 t振动碾，碾压8遍，孔隙率均可以满足设计要求。通过上述措施，可控制上、下游堆石料的压缩模量比不小于0.5。

4.2.2 上游堆石料级配要求

对于高堆石坝而言，合理的级配控制要求可以更有效地控制堆石体的填筑质量，达到高坝变形控制与变形协调的设计目标[17]。如表3所列[18]，3个碾压参数基本相同的工程，孔隙率却差别很大，可见堆石的不均匀系数Cu对堆石的孔隙率有重大影响。上游堆石料对大坝变形影响很大，结合类似工程经验，要求上游堆石料Cu值大于14，曲率系数Cc值为1～3。

该工程提出的上游堆石料级配曲线及施工检测成果如图4～5所示。

4.3 坝顶以下设置增模区

该工程主坝抗震设防烈度为8度，在坝顶以下1/5～1/6坝高范围内，通过提高堆石密度，减小堆石孔隙率，可以有效地减小震后坝体变形及面板震损程度[19-21]。结合本工程上水库弱、微风化白云岩料源富裕量较少的实际情况，在坝顶以下20 m范围内设置增模区，要求孔隙率小于16%，碾压层厚不超过60 cm。

此外，增模区还可以控制坝顶附近区域的流变变形、减少抽蓄电站运行过程中泄蓄循环对坝体变形的影响。

4.4 坝体两岸坡区域填筑料

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。为此在上、下游堆石區范围的两岸岸坡部位设置水平宽2.5 m的过渡料（最大粒径30 cm），以保证压实效果。

4.5 大坝预留沉降期

该工程要求沥青混凝土面板施工前预留6～8个月左右的沉降周期，当沉降速率连续3个月小于5 mm/月后方可铺筑面板。

5 面板及连接板设计

5.1 面板比选

5.1.1 面板的结构安全性

中国新近建成的高面板堆石坝的堆石性质如表4所列[22]。根据实测资料，高堆石坝压缩模量与岩石饱和抗压强度、孔隙率、级配等因素有关。岩石饱和抗压强度在60 MPa以上、孔隙率在18.0%左右的高堆石坝，其压缩模量一般在100 MPa以上，这样就可避免混凝土面板沿垂直缝的挤压破坏。该工程石料场石料为白云岩，岩石饱和抗压强度40～60 MPa，类比同类工程，其压缩模量在60 MPa左右，达不到高压缩模量值。同时，抽水蓄能电站的水库水位频繁变化，对运行期变形影响不可忽视。溧阳抽水蓄能电站监测资料表明（见图6），运行期上水库大坝初始运行期的变形速率甚至大于初期蓄水引起的变形速率，说明运行期变形不仅有堆石流变，还受消落带水荷载影响，甚至有抽水蓄能工程混凝土面板中下部位出现结构性拉裂。因此，采用混凝土面板存在一定的风险。

混凝土面板由于设置了周边缝、垂直缝等结构缝，在运行期存在明显的应力集中现象。三维有限元计算分析表明，设计地震工况下，静动应力叠加后，面板顺坡向最大拉应力达1.15 MPa，坝轴向最大拉应力1.03 MPa，面板拉应力分布区域大，受力条件差。而沥青混凝土面板则无接缝，受力条件好。计算表明，沥青混凝土面板大主应变基本为压应变，最大值为0.42%。在反弧段由于水压力作用方向呈弧形展开，面板产生向两侧的拉伸变形，小主应变为拉应变，最大值为0.27%，小于设计控制标准0.5%。面板应变分布如图7所示，面板应变状态总体良好。

5.1.2 防渗体的过渡与衔接

該工程上水库采用全库盆防渗，大坝与库岸部位存在转折连接。混凝土面板在转折处受力条件差，而沥青混凝土面板在平面转弯处、斜坡与库底连接处均采用弧面连接，可大大改善面板受力，同时便于摊铺机施工。

5.1.3 渗漏量控制

该工程水资源宝贵，上水库无径流补充，采用沥青混凝土面板防渗整体无接缝，渗漏量小。已建天荒坪、张河湾等工程水库日渗漏量仅为总库容的万分之一。而混凝土面板防渗工程的渗漏量一般为总库容的1/3 000左右，明显偏大。

综上所述，该工程主坝防渗体采用沥青混凝土面板适宜可行。

5.2 混凝土连接板设计

连接板与沥青混凝土面板、土工膜紧密连接，是易产生渗漏的薄弱环节。计算分析表明，正常蓄水位运行时，连接板与沥青混凝土具有较好的变形协调性，但连接板与土工膜锚固处存在不均匀变形问题，需通过局部适应性措施予以解决。因此，将连接板基础垫层向库盆延伸约10 m，并在靠近连接板部位设置宽1 m、高度0.24 m的鼓包，此时土工膜局部拉伸应变由3.75%显著减小至0.67%。

连接板以下设置特殊垫层料、过渡料，渗透系数低，可起到限漏作用，满足构筑大坝防渗体第二道防线的要求[23]。特殊垫层料厚度1.6 m，为连续级配料，最大粒径40 mm，小于5 mm颗粒含量40%～50%，其下部为厚度2 m的过渡料。

6 结语

本文全面阐述了一坝高超180 m的抽水蓄能电站上水库主坝的设计工作，其采用高沥青混凝土面板堆石坝坝型。通过研究确定了合理可行的技术方案。坝体分区利用库盆开挖的全、强风化玢岩岩脉筑坝，达到了较好的土石方挖填平衡。通过控制填筑料级配，32 t大型振动碾碾压8遍，满足大坝渗流与变形控制的需要。结合工程特点，选择适应性较好的沥青混凝土面板防渗，连接板结构设计保证了防渗体之间的可靠连接。

参考文献：

[1] 曹克明，徐建军.超高面板堆石坝设计原则探讨[J].水力发电，2012，38（1）：4-10.

[2] 徐泽平.超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题[J].水力发电，2010，36（1）：51-53，59.

[3] 马洪琪，曹克明.超高面板坝的关键技术问题[J].中国工程科学，2007，9（11）：22-26.

[4] 张博，朱晟.“蓄水-泄水”循环荷载作用下高面板堆石坝的稳定性分析[J].水电能源科学，2018，36（11）：81-83，80.

[5] 吴关叶，黄维，王樱畯，等.抽水蓄能电站水库防渗技术[M].北京：中国水利水电出版社，2020.

[6] 张春生，张克钊.天荒坪抽水蓄能电站上水库沥青混凝土护面设计及裂缝处理[J].水力发电，2007，33（1）：37-39.

[7] 韩瑞，夏世法，杨明成.沥青混凝土面板防渗技术在呼蓄上库的应用[J].西北水电，2015（6）：28-31.

[8] 王樱畯，李金荣.天荒坪抽水蓄能电站上水库设计特点及技术发展[J].水电与抽水蓄能，2018，21（5）：20-25.

[9] 张岩，燕乔，吴长彬，等.超高面板堆石坝应力变形随高度变化规律探讨[J].西北水电，2010（3）：84-87.

[10] 冯俊.概论高混凝土面板堆石坝设计新理念[J].黑龙江水利科技，2014，42（3）：45-47.

[11] 王君利.混凝土面板堆石坝设计技术进步及安全理念展望[J].西北水电，2020（1）：11-18.