云镇水库碾压混凝土坝排水设计特点

王锦峰,杨鑫平

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概况

云镇水库位于陕西省商洛市镇安县境内，坝址位于镇安县西北云盖寺镇上游的县河峡谷段，距镇安县城20 km，距西安市130 km，水库的主要任务是城镇供水和农业灌溉，年供水量1075万m3。水库正常蓄水位903.00 m，总库容959万m3，调节库容747万m3，拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝高74 m，坝顶高程906.00 m，坝基高程832.00 m，坝顶宽7.0 m。泄洪坝段位于河床段中部，布置1孔泄洪底孔和1孔泄洪表孔，泄洪底孔为压力泄水孔，断面为3 m×3 m(宽×高)的矩形，水平布置，进口底板高程852.00 m，出口设弧形工作闸门，采用挑流方式消能；泄洪表孔宽10 m，孔口设10 m×6.7 m(宽×高)弧形工作闸门，堰顶高程898.00 m，堰面采用WES曲线，下接1∶0.7的陡坡，尾部为反弧段，采用挑流方式消能。放水孔布置在泄洪坝段右侧的挡水坝段，采用坝体内埋设钢管的布置型式，钢管内径1.0 m，管中心高程为857.25 m，大坝下游设调流调压阀控制流量。

2 地质情况

坝址为“V”型河谷，两岸斜坡陡峻，自然边坡坡度40°～65°，谷底宽约32。坝址岩层为泥盆系上古道岭组(D2g2)绿泥绢云母千枚岩。两岸覆盖层厚度1.5～4.0 m，河床覆盖层厚度3.0～5.5 m。坝址位于单斜构造的横向谷区，岩层产状20°～40°∠60°～80°，总体倾向上游偏左岸。坝址区存在一条断层和两组构造裂隙，f1断层规模较小，产状15°∠59°，属逆断层，破碎带宽度0.25～0.55 m，断面弯曲粗糙，充填物为角砾岩及泥质，两盘岩体较完整。两组裂隙均为高倾角裂隙:① 组倾向20～40°，倾角69°～70°，间距5～40 cm，延伸长度大于5 m;② 组倾向290°～310°，倾角70°，间距50～100 cm，延伸长度大5 m。坝址区岸坡相对高差大于100 m，卸荷裂隙发育，岩体风化强烈，卸荷深度大，主要卸荷裂隙产状与坡面产状基本一致，卸荷带岩体呈碎裂或散体结构。

坝址区千枚岩片理发育，易于风化，具有明显的片状风化的特点，风化深度大，左岸强风化厚度10～35 m，弱风化厚度31～34 m；河床强风化厚度3～5 m，弱风化厚度18～21 m；右岸强风化厚度8～14 m，弱风化厚度33～39 m。强风化岩体呈片状、碎块状，透水率大于10 Lu，岩体纵波速2 306～3 676 m/s，饱和抗压强度平均值为22.1 MP。弱风化岩体裂隙发育，岩体为块状～碎裂结构，透水率4.65～21.1 Lu，岩体纵波速3 588～4 565 m/s，饱和抗压强度平均值为33.7 MPa，软化系数平均值0.6。微风化岩体裂隙不发育，呈整体块状结构，透水率q<5 Lu，岩体纵波速3 976～4 921 m/s，饱和抗压强度平均值为39.7 MPa，软化系数平均值0.67。

坝址区地下水主要为第四系松散层孔隙潜水及基岩裂隙水两种类型，左岸地下水埋深35～52 m，右岸地下水埋深26～49 m。第四系松散层孔隙潜水含水层为冲积砂卵石层、坡洪积砂壤土层等。基岩裂隙水含水层主要为泥盆系岩层，主要接受大气降水补给，多以泉或渗流形式排泄于沟谷或河流中，因受地形切割、断裂以及裂隙发育的不均一性影响，水量一般比较贫乏，呈季节性变化规律，坝区两岸地下水补给河水。

大坝混凝土骨料选用库区右岸大凤沟石灰岩，人工骨料料场距坝址3 km，开采层为泥盆系中统上古道岭组(D2g2)石灰岩。

3 大坝结构设计

由于坝址下伏基岩片理发育，风化深度大，坝基根据大坝不同部位以及相应的应力条件进行开挖设计，河床段坝基开挖至弱风化中部，左右两岸坝肩大多开挖至弱风化中上部，左坝肩上部由于风化深度过大，上部20 m坝高的坝基仍坐落于强风化岩层。加之千枚岩软化系数偏低，抗剪强度低，为了保证坝基的抗滑稳定，在大坝的结构设计中主要考虑以下几个方面：

(1) 坝基固结灌浆

大坝建基面除河床段坝基置于弱风化中部，岸坡段坝基开挖相对较浅，因此对坝基固结灌浆进行加强，整个坝基范围内固结灌浆孔排距为2.5 m，孔深6 m，对坝基存在断层和裂隙带，进行固结灌浆加密、加深、加压处理，孔排距1～1.5 m，孔深10～15 m，灌浆压力增加至1.2～1.5 MPa。

(2) 放缓上下游坝坡

上游坝坡在865.00 m高程以上为铅直面，865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡，下游面897.00 m高程以上为铅直面，897.00 m高程以下坝坡1∶0.70。大坝标准剖面设计见图2。

(3) 设置抗滑齿槽

河床段坝基抗滑齿槽深2 m，宽10 m，岸坡段抗滑齿槽深2 m，宽5 m。

(4) 增大岸坡坝基接触面积

在大坝与岸坡接触部位设置贴脚进行放大，贴脚最小厚度4 m，使坝基宽度至少增加8 m以上。

(5) 提高防渗标准

帷幕灌浆防渗标准为3 Lu，坝基上游侧设置一排帷幕灌浆，孔距2 m，灌浆深度30～50 m。左右坝肩在坝顶在906.00 m高程和871.50 m高程设有水平灌浆洞，灌浆洞长度30～40 m。在断层带、裂隙发育地段以及岸坡较陡的部位增加一排帷幕灌浆。

(6) 加强坝基和坝体排水

降低渗透压力，在坝基帷幕灌浆下游设置坝基排水孔，入岩深度不小于15 m，孔距2 m，河床段坝基渗水集中流入河床段的集水坑，再由水泵抽向下游，岸坡段坝基渗水由各层顺河向交通廊道排出坝外。

(7) 坝体横缝灌浆

由于坝肩开挖坡度陡，在坝肩基础产生的渗透压力及重力的联合作用下，存在侧向滑动问题，因此对大坝横缝进行接缝灌浆，将各坝段连接为整体。

4 排水系统设计

4.1 排水系统设计原则

混凝土重力坝一般采用上游帷幕灌浆、帷幕下游布置排水孔的方式降低坝基渗透压力，是保证坝基抗滑稳定的重要措施。排水孔孔深应根据帷幕和固结灌浆的深度及基础的工程地质、水文地质条件确定，主排水孔深为帷幕深的0.4～0.6 倍，高、中坝的坝基主排水孔深不小于10 m。

碾压混凝土坝施工过程中的碾压层厚度一般为30 cm，层间接合缝为平面接触，上、下两层混凝土结合部位不能达到插入式振捣的泛浆混合胶结效果。碾压混凝土一仓厚度一般为3～6 m，上、下两仓混凝土之间的结合往往按施工缝处理，碾压前铺洒一层水泥砂浆，碾压混凝土摊铺前砂浆超前展开面积过大，覆盖碾压混凝土前砂浆已经初步凝固，在振动碾压时，因激振力作用使得上下两层混凝土间铺设的砂浆胶结力破坏，碾压分层间的砂浆呈疏松状态。由于以上原因，碾压混凝土坝存在的层间渗漏问题成为坝体常见的病害缺陷，由上游面及坝肩渗入坝体的水会使层间渗透压力加大。坝体排水系统的作用在于，防渗结构出现局部缺陷后，排水孔能够有效降低层面渗透压力，避免坝体渗透压力急剧上升，降低坝体浸润线。因此，做好坝体排水是保障大坝安全运行的必要条件。

排水系统的设计应满足在各种运行条件下，可将坝基和坝体的渗透压力控制在设计允许范围内。根据目前已建混凝土重力坝工程实测资料统计以及混凝土重力坝设计规范，对于设置帷幕及排水孔的实体重力坝，河床段坝基渗透压力折减系数为0.25，岸坡坝段为0.35。

4.2 廊道系统布置

大坝排水系统布置一般结合坝基帷幕灌浆、坝体廊道等各方面因素综合考虑。云镇水库大坝设置2层廊道，坝基帷幕和排水孔位置应尽量靠近上游，最大程度减小坝基渗透压力。

底层廊道断面为3.0 m×3.5 m(宽×高)的城门洞型，作用为灌浆、监测、排水，河床段底板高程834.00 m，在靠近两岸岸坡处向上爬升，左岸爬升至844.00 m高程，右岸爬升至848.00 m。左右两端各有通向下游的交通廊道，出口高程均高于下游最高水位。由于大坝上游865.00 m高程以下采用1∶0.2的斜坡，因此底层廊道在平面上为折线形布置。

上层廊道水平布置，底板高程871.50 m，中部断面尺寸为2.0 m×2.5 m(宽×高)的城门洞型，作用为监测、排水，两端与左右岸灌浆洞连接，灌浆洞断面为3.0 m×3.5 m(宽×高)，用于灌浆和排水。左右两端各有通向下游的交通廊道。

混凝土重力坝坝基排水孔出口一般位于大坝廊道内，廊道的布置受通行要求控制，其坡度一般小于1∶1，云镇水库坝址狭窄陡峭，左岸坡比1∶0.44～1∶0.66，右岸坡比1∶0.67～1∶0.75，如果按1∶1的坡度布置廊道，在廊道底部与坝基之间形成一个三角形区域，在该区域内，排水孔出口部位与坝基部位高差较大，排水孔内会形成较大的水压，排水效果差，导致该区域渗透压力过大，达不到设计要求，对大坝稳定不利。为了使排水孔出口尽可能靠近坝基面，并且便于坝肩帷幕灌浆和排水孔的施工，上下两层廊道之间采用斜井连接，斜井的坡度与坝基开挖面坡度基本一致。

斜井断面为3.0 m×3.0 m(宽×高)矩形，见图4，施工采用预制混凝土梁作内模，碾压混凝土施工完成后，形成带有阶梯的斜井，之后在斜井内安装栏杆及工字钢轨道，用于帷幕灌浆及排水孔施工。混凝土梁断面为40 cm×60 cm(宽×高)，为了减小预制构件重量以便于安装，一层预制混凝土梁由两根长梁和两根短梁组成，单根梁自重2吨左右，长梁长度3.8 m，埋设固定钢筋，短梁长3 m，支撑在固定钢筋上，防止混凝土碾压过程中移动，用装载机便可将预制混凝土梁安装到位，施工快速简单，容易操作。

4.3 坝基排水设计

由于坝址基岩风化深度大，坝基开挖设计相对于高坝的要求较为宽松，坝基岩石仍然较破碎，加之千枚岩软化系数偏低，抗剪强度低，对坝基抗滑不利，必须加强坝基排水设计。由于两层灌浆廊道用斜井连接，坝基帷幕灌浆孔布置在灌浆廊道或斜井的上游侧，所有的灌浆孔连续布置，且帷幕灌浆孔均为铅直孔，有利于施工控制。坝基排水孔则布置于灌浆廊道或斜井的下游侧，采用Ø150钻孔，孔距2 m，孔径和孔距均采用较高的设计标准。

871.50 m高程廊道以上至坝顶高程的岸坡坝基排水孔，由坝顶钻铅直孔穿过灌浆洞或廊道顶板，坝基渗水由排水沟汇入871.50 m高程顺河向交通廊道排向下游。

871.50 m高程廊道以下的岸坡坝基排水孔全部位于靠近岸坡的斜井内，钻孔方向倾向下游10°，入岩深度不小于15 m，坝基渗水沿斜井汇入其下部的顺河向交通廊道排向下游。

河床段坝基排水孔位于底层灌浆廊道内，排水孔方向倾向下游10°，入岩深度不小于15 m，坝基渗水汇入位于河床中部的集水坑，再由水泵抽向下游。

4.4 坝体排水

碾压混凝土坝的坝体排水常用的方法有钻孔、埋设透水管或拔管等方法。采用埋设透水管或拔管的方法，对碾压混凝土的施工会带来很大的干扰，且由于排水孔周围无法碾压，通常采用变态混凝土，加入水泥浆则又会导致排水孔周围的渗透性降低，影响排水效果，因此云镇水库坝体排水孔选用钻孔型式。上层廊道呈直线布置，底层廊道呈折线布置，因此上下两层廊道平面位置相差0～4.9 m，排水孔深度33 m，孔斜0～6°，每个钻孔的孔斜均不相同，孔斜难以控制，施工难度较大。在云镇水库大坝的排水设计中，采用水平排水体连接铅直钻孔与廊道的新思路，既解决了斜向钻孔精度的控制难题，又克服了排水孔周围混凝土透水性差的问题，同时最大程度上减小对碾压混凝土的干扰。大坝排水系统设计见图3。

水平排水体是在混凝土内部埋设大孔隙材料形成排水通道，材料可选用卵石、碎石、空心砖、空心板、土工排水网等，本工程利用人工骨料场筛余的超径骨料。水平排水体位于各层廊道顶部，考虑到钻孔深度和精度，水平排水体宽度取2 m，厚度30 cm，为防止混凝土碾压过程中水泥浆进入排水体，排水体外部用无纺土工布包裹。水平排水体连接D150钢管，将坝体渗水引入下层廊道。

底层廊道左右岸的斜坡段由于坡度较大，为了不影响碾压混凝土施工，不宜沿廊道顶部斜向布置排水体，而采用在廊道上平段顶部布置水平排水体，轴线与下层的水平排水体轴线重合，一端通入排水斜井，另一端与下层水平排水体重合4 m以上，保证至少2个排水孔同时穿过2层水平排水体，见图5。

871.50 m高程廊道以下的竖向排水孔，在廊道施工之前进行钻孔，并避开泄洪底孔和输水管道部位；871.50 m高程廊道以上的竖向排水孔，由坝顶碾压混凝土顶面钻孔，排水孔顶高程904.50 m，泄洪表孔部位则由堰顶常态混凝土下方的碾压混凝土面钻孔。

4.5 坝基抽排系统

河床坝段集水坑位于泄洪底孔下方，集水坑尺寸为3.0 m×3.0 m×3.0 m(长×宽×深)，底部放置WQ2210-408潜水泵，集水坑内安装水位计，自动控制水泵开启，通过坝体预埋的排水管将积水排向下游护坦。

4.6 排水设计特点

云镇水库碾压混凝土坝排水系统设计在遵循设计规范并借鉴已建工程的经验，为了加快施工，减小施工干扰，设置了岸坡排水斜井和水平排水体，使得大坝的排水系统布置和施工更加简单，重要特点如下：

(1)坝基排水孔布置在灌浆廊道或岸坡斜井内，帷幕灌浆完成后进行钻孔，施工空间大，排水通畅。

(2) 岸坡斜井施工快速灵活，施工干扰小。

(3) 水平排水体结构简单，施工快速方便。

(4) 坝体排水孔均采用铅直钻孔，施工干扰小，施工简单，孔斜容易控制。

所有廊道顶部坝体排水口通过廊道顶部预留的排水管将渗水导入廊道内的排水沟，管道布置整齐、美观。

5 结 语

碾压混凝土水化热低、施工速度快，近些年来碾压混凝土筑坝技术在中国得到迅速发展。碾压混凝土坝排水系统，无论是钻孔、埋设透水管还是拔管法，在施工过程中总是存在施工干扰或是孔斜难以控制等问题。云镇水库碾压混凝土坝在排水系统的设计中提出新的思路，引入岸坡斜井和水平排水体，使排水设计和施工更加简单，对碾压混凝土施工干扰小，透水性好，施工方便，可靠性高，造价低廉，实用性强，使碾压混凝土筑坝技术的优势得以更好的展现。