阿根廷基什内尔混凝土面板砂砾石堆石坝设计

陈绍松 刘军伟

阿根廷基什内尔大坝工程位于阿根廷南部圣克鲁斯省的圣克鲁斯河上，离大西洋河口250 km。圣克鲁斯河发源于阿根廷湖东岸，自西向东穿过圣克鲁斯省注入大西洋，流域面积29 686 km2。基什内尔大坝工程的主要任务是发电，电站厂房为坝后式，安装5台立式混流机组，总装机容量为950 MW。

工程主要建筑物包括拦河大坝、左岸电站坝段及坝后式厂房、左岸溢洪道、生态基流放水管、鱼道、开关站、工程区永久交通道路及运行村等。

拦河主坝采用的是砂砾石填筑的混凝土面板堆石坝。大坝设计坝顶高程为186.0 m，相应的最大坝高为73.3 m（从天然河床算起）。坝顶全长为2 255 m，总填筑方量约11 000 000 m3。

项目招标前，由阿根廷设计公司完成了项目的基本设计。中阿联营体中标后成立了巴塔哥尼亚项目公司，并委托中水北方勘测设计研究有限责任公司对项目进行评估并提出优化设计建议。本文从大坝的基础处理、大坝剖面设计两个方面介绍大坝的设计修改情况。

1 坝基处理

1.1 坝基地质条件

基什内尔大坝位于上游峡谷到中游丘陵的过渡段，河谷宽阔。河床由砂砾石冲积层覆盖，厚度最大达45 m，卵砾石的最大粒径在150~200 mm。大部分河床冲积层中粉土和黏土颗粒较少，表现为强透水材料，渗透系数为10-1cm/s，甚至更大。局部区域存在粉细颗粒含量较高的情况，该区域的渗透系数在10-3cm/s左右。

冲积层下伏的是产状近水平的凝灰岩、粉细砂岩和泥岩。钻孔勘探结构表明岩体整体结构不发育，完整性较好，岩芯获得率在80%~100%之间。但是岩石本身密度小、强度低，属于软岩，暴露和遇水时易崩解。岩体存在表层风化和变质现象，风化深度在3 m左右，局部超过5 m。风化岩体基本呈弱透水到中等透水性。完好岩体为弱透水体。

进一步的钻探表明，深部基础岩层中含有软弱不连续面和弱胶结沙岩层，会形成集中渗漏通道。

1.2 坝基的防渗处理

根据坝基的地质条件，对于河床冲积层设计采用垂直混凝土连续墙进行防渗，防渗墙穿过风化岩层，深入完好岩层。

原基本设计报告中，建议防渗墙深入岩体10.0 m。中方专家在对基本设计进行评估和优化设计中，根据中国碾压式土石坝设计规范和工程经验建议防渗墙深入完好岩石1.0 m。业主的国际专家组岩土工程专家建议防渗墙深入完好岩体3.0~5.0 m。考虑到岩体本身的特点，综合各方意见，最终设计确定防渗墙深入岩体5.0 m。防渗墙设计厚度0.8 m，最深段为47.8 m，整个防渗面积为53 700 m2。

为了加强防渗墙和岩层的接触部位的防渗，并截住沿下覆岩层中软弱不连续和弱胶结砂岩层的集中渗漏，在防渗墙下进行水泥灌浆，形成防渗帷幕，灌浆孔间距为1.5 m，深为15.0 m。

冲积层部位的趾板位于人工填筑的砂砾石层上（称为浮式趾板），通过链式连接板与垂直连续墙连接。

为了保证固壁泥浆的液面高于地下水位1.5~2.0 m，防渗墙的顶高程不低于121.0 m。因此河床最低部位需要用质量满足要求的砂砾料填筑到指定高程，以形成防渗墙施工平台。

基本设计阶段采用的是钢筋混凝土防渗墙。中方承包人在设计评估和优化报告中建议采用塑性混凝土防渗墙方案。与心墙堆石坝下的混凝土防渗墙相比，位于趾板上游的混凝土防渗墙存在不同的受力状态，根据有限元分析得到的防渗墙内力计算结果，最终设计确定上1/3采用钢筋混凝土，下2/3采用塑性混凝土。

两岸部分的趾板布置在弱风化的岩体上，对趾板下的岩体进行固结灌浆。趾板下布置灌浆帷幕。

1.3 坝基的开挖

基本设计阶段对河床冲积层进行了物探测试，初步结果表明，上部2.0 m砂砾石层较为松散，密实度较差。为了保证大坝不出现过大的沉降，基本设计阶段建议大坝坝基普遍清基2.0 m。

最终设计阶段采用多频道频谱分析法——Mul⁃tichannel Spectral Analysis of Surface Wave测定剪切波速进而确定地基密实度的方法，较精确的确定大坝坝基的开挖深度。采用剪切波速是利用剪切波仅在固体介质中传播而对地下水位不敏感的特性。

为了能分析出沿每个测试剖面材料的密实度，需要将测试到的剪切波速vs转化成vs1。vs1是标准化的剪切波速，按下式计算：

式中σ′0——有效围压应力，

Pa——大气压强。

根据物探成果，大坝坝址处的表面覆盖层具有较高的密实度，相对密度可以达到0.75。如果用vs1大于200 m/s控制，预测大坝的沉降是可以接受的。根据这个标准，左岸的清基深度为1.0，局部为2.0 m；右岸普遍为1.0 m深。相对基本设计的方案，基础开挖和大坝填筑量都有所减少。

2 面板堆石坝剖面设计

2.1 基本设计阶段的坝体剖面设计

基本设计阶段，根据填筑材料的岩土力学特性以及南美地区同类坝型的设计经验，确定坝体上、下游边坡均为1∶1.5。

大坝上游面采用350 mm等厚的混凝土面板作为防渗层，其上部与钢筋混凝土防浪墙相连，其下部设趾板与基础防渗墙连接，形成防渗系统。

图1 基本设计阶段大坝典型剖面

2.2 最终设计阶段的大坝剖面设计

根据现代砂砾石填筑的面板坝的建设经验，参考了中方专家和业主的国际专家组的坝工专家的建议，最终设计阶段对坝体的剖面设计做出了如下修改：

（1）将原设计350 mm等厚的混凝土面板修改成顶部为300 mm、由上到下逐渐增加混凝土面板厚度，厚度t=0.3+0.002H（m），最大厚度为0.45 m。并建议在混凝土面板下增加挤压边墙。

图2 最终设计阶段大坝坝典型剖面图

表1 面板堆石坝分区材料及特性表

3 结语

（1）基什内尔大坝是建在深厚覆盖层上的混凝土面板防渗的砂砾石坝。综合中方坝工专家和国际专家组的意见，最终设计对大坝基础处理设计和大坝的剖面设计进行了修改和优化。既满足了大坝功能性和安全性的要求，也节约了投资，使设计更加合理。

（2）坝基冲积层防渗采用混凝土连续墙，墙体上1/3采用钢筋混凝土，下2/3采用塑性混凝土，防渗墙伸入岩体5.0。

（4）为了减少排水层的填筑量，水平排水采用了指形布置。经计算分析，指形排水可以满足大坝坝体的渗控要求。