布西碾壓混凝土拱壩設(shè)計(jì)

□楊均芳(貴州省水利投資有限責(zé)任公司黔中水利樞紐工程公司水源建管部)

1.概況

1.1 工程概況

布西水電站工程位于四川省涼山彝族自治州木里藏族自治縣境內(nèi)，是雅礱江右岸一級(jí)小支流—鴨嘴河的“龍頭”電站。電站為ⅠⅠ等大（2）型工程，攔河大壩壩高161m，為1級(jí)建筑物，水庫(kù)總庫(kù)容為2.18億m3，電站裝機(jī)容量2.0萬(wàn)kW，水庫(kù)正常蓄水位為3300.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為3300.47 m，校核洪水位3301.13 m。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，非常運(yùn)用的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，地震基本烈度7°，大壩設(shè)防烈度8°。樞紐主要由碾壓混凝土拱壩及右岸引水發(fā)電洞和廠房等建筑物組成。

1.2 壩址地形地質(zhì)條件

布西水電站壩址河谷呈基本對(duì)稱的“U”型峽谷，鴨嘴河在該壩址段基本呈東西向，河道較順直，比降約10‰，谷底寬度25～35 m，高程3161～3170 m，兩岸山體雄厚，地形陡峭，山頂與河床相對(duì)高差達(dá)300～350m。左岸邊坡上緩下陡，局部近直立；右岸上陡下緩，局部為倒坡。壩址處河床基底寬約50～55 m，上游較寬闊，下游狹窄，河床基巖面高程3155～3160m。

壩址處河床上部覆蓋層為砂卵石層和崩塌的塊石層，覆蓋層厚度為6～16m，巖性成分較雜，為強(qiáng)透水層?；鶐r為大理巖和變粉細(xì)砂巖。大理巖呈堅(jiān)硬巖，整體～塊狀結(jié)構(gòu)，完整性較好，無(wú)斷層通過(guò)；變粉細(xì)砂巖為層狀結(jié)構(gòu)，斷層不發(fā)育，裂隙較發(fā)育。大理巖和變粉細(xì)砂巖巖石強(qiáng)度均較高，為堅(jiān)硬巖石。

2.樞紐布置

布西壩址處河谷深切，兩岸基巖裸露，河谷形狀呈“U”型，基本對(duì)稱，河谷寬高比1:4，適合修建拱壩。依據(jù)工程規(guī)模和壩址處的地形地質(zhì)條件，并結(jié)合考慮工程施工條件及建筑材料等具體情況，布西壩址樞紐由碾壓混凝土拱壩和引水發(fā)電系統(tǒng)組成。樞紐布置見(jiàn)圖1。

碾壓混凝土拱壩采用三圓心雙曲中厚拱壩，壩頂高程3302.00 m，壩高161m。壩頂中間部位設(shè)泄流表孔，徑向布置，基本順應(yīng)河道主流方向。表孔溢流采用單孔，孔寬8m，堰頂高程3295.00 m設(shè)計(jì)洪水下泄流量193 m3/s，校核洪水下泄流量228m3/s。為保證壩的安全，在遇到壩體出現(xiàn)險(xiǎn)情的情況下，以便放空水庫(kù)，對(duì)大壩進(jìn)行加固處理，在壩體下部設(shè)置放空底。放空底孔緊靠泄流表孔的左側(cè)徑向布置，進(jìn)、出口高程3190.00m，孔底水平，進(jìn)口尺寸2.5m×3.0m。正常蓄水位時(shí)最大泄流量245 m3/s，可在2周內(nèi)放空水庫(kù)。

圖1 布西壩址樞紐布置圖

3.壩體設(shè)計(jì)

3.1 體型設(shè)計(jì)

布西碾壓混凝土拱壩采用三圓心雙曲中厚拱壩。壩頂高程3302.0m，壩基最低點(diǎn)高程為3141.00 m，最大壩高161.00m，壩頂寬6 m，壩底寬33 m，壩體厚高比0.228，壩頂長(zhǎng)度262 m，弧高比1.63。壩體3157.00m高程以下至大壩基礎(chǔ)3141.0m為16 m厚的混凝土墊座，墊座順河向長(zhǎng)度48m。

3.2 筑壩材料

布西壩址天然混凝土骨料區(qū)有鴨嘴河料場(chǎng)和布西橋料場(chǎng)，天然混凝土骨料質(zhì)量較差。人工骨料選于布西壩址下游兩岸壩頂高程以上的大理巖，人工骨料各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，可作為碾壓混凝土拱壩筑壩材料。

碾壓混凝土拱壩粉煤灰和水泥用量大，工程所在地距離水泥供應(yīng)地—西昌市較遠(yuǎn)，運(yùn)送難度相對(duì)不大；距離粉煤灰供應(yīng)地—西昌市（或攀鋼）較遠(yuǎn)，運(yùn)送難度相對(duì)較大。但整體來(lái)講，修建碾壓混凝土拱壩是可行的，是經(jīng)濟(jì)的。

根據(jù)國(guó)內(nèi)工程成功經(jīng)驗(yàn)，拱壩碾壓混凝土壩體材料采用R90C20三級(jí)配碾壓混凝土；壩體上游防滲層采用R90C20二級(jí)配富膠凝碾壓混凝土，在靠近上游壩面0.5m寬度范圍內(nèi)采用變態(tài)混凝土；壩體基礎(chǔ)墊座和大壩與兩岸坡巖體連接處墊座采用C20常態(tài)混凝土；泄流表孔、放空底孔、壩頂防浪墻及上部結(jié)構(gòu)采用C25常態(tài)混凝土。

3.3 溫度控制

碾壓混凝土拱壩控制混凝土澆筑溫度不高于18℃。布西壩址區(qū)月平均氣溫最低月為1月（-2.2℃），月平均氣溫最高月為7月（13.6℃），因此碾壓混凝土可全年澆筑。當(dāng)日平均氣溫高于25℃時(shí)，可采取地垅取料，倉(cāng)面噴霧，混凝土運(yùn)輸車加蓋防曬棚等綜合措施來(lái)保證其澆筑溫度不超過(guò)澆筑溫度；當(dāng)日平均氣溫低于3℃時(shí)，應(yīng)采取延長(zhǎng)拆模時(shí)間，表面鋪蓋保溫材料等措施。

4.基礎(chǔ)處理

4.1 壩基處理

大壩基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化～微風(fēng)化上部的基巖上，即挖除全部的河床覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖石和大部分弱風(fēng)化巖體。考慮到開(kāi)挖可能使壩基巖石松動(dòng)，為了保證大壩基礎(chǔ)的整體完整性和承載能力，對(duì)壩基巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，灌漿孔深8.0 m，孔距3.0 m，梅花形布置。

為改善拱壩壩體應(yīng)力，合理利用地形條件，減輕河床深槽下部開(kāi)挖和施工難度，在河床底部中間設(shè)置常態(tài)混凝土墊座，墊座厚度16m，底高程3141.0m。為保證拱壩壩肩與兩岸巖體連接的可靠性，并考慮到壩肩固結(jié)灌漿的需要，在壩肩與兩岸巖體之間設(shè)置1.0m厚的常態(tài)混凝土墊座。

對(duì)于拱壩兩壩肩范圍內(nèi)的不利結(jié)構(gòu)面，尤其是軟弱結(jié)構(gòu)面做混凝土換填處理，并進(jìn)行接觸灌漿。為提高壩基接觸面強(qiáng)度，防止沿基礎(chǔ)接觸面滲漏，并增強(qiáng)表層固結(jié)灌漿效果，須進(jìn)行接觸灌漿。由于拱壩兩岸壩坡較陡，接觸灌漿在混凝土和巖體接觸面及基巖中開(kāi)挖置換混凝土的接觸面上進(jìn)行。

4.2 壩肩處理

拱壩兩拱肩巖體三組裂隙將巖體切割為楔形體，形成不利的結(jié)構(gòu)面組合，對(duì)拱肩穩(wěn)定不利。經(jīng)計(jì)算分析，需對(duì)兩岸坡進(jìn)行錨固處理，兩岸坡各設(shè)100 t級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索50根，9 m長(zhǎng)φ32錨桿100根。

另外，由于布西壩址處兩岸坡陡峻，為了減小拱壩兩壩肩的開(kāi)挖，避免形成高邊坡，在拱壩壩頂與兩岸坡相接處不進(jìn)行削坡處理，設(shè)計(jì)初步考慮在壩肩開(kāi)挖9 m×7 m馬蹄形隧洞，對(duì)隧洞進(jìn)行噴錨。右岸隧洞可與壩肩灌漿隧洞和上壩交通道路相連接。

5.防滲及排水

5.1 防滲

壩體防滲體采用二級(jí)防滲配碾壓混凝土，該種防滲方式施工方便，干擾少，施工質(zhì)量較易保證，是國(guó)家“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目最重要的研究成果之一。

壩體防滲體頂部高程為3302.0 m采用厚度2.0 m，向下逐步加寬，防滲體上游面鉛直為壩體上游面，下游面逐步加寬，在3157.00 m高程寬度為12 m。為了高壩的安全性，在死水位3235.00 m以下還采用LJP型合成高分子防水涂料作為壩體輔助防滲措施。

為壩基滲透穩(wěn)定，在拱壩基礎(chǔ)進(jìn)行帷幕灌漿。在拱壩基礎(chǔ)3240.0m高程以下高程防滲采用雙排孔灌漿帷幕，在河床中間段帷幕最大深度30 m，左岸岸坡段帷幕最大深度80 m，右岸岸坡段帷幕最大深度60m。帷幕灌漿孔排距1.5m，孔距2.0m。在拱壩基礎(chǔ)3240.0 m高程以上高程防滲采用單排孔灌漿帷幕，左、右岸岸坡段帷幕最大深度60m，灌漿孔孔距2.0 m。帷幕灌漿可通過(guò)布置在3150.0m，3195.0m，3240.0m和3280.0m高程4層的灌漿平洞和兩壩肩的灌漿平洞內(nèi)進(jìn)行。

5.2 排水

為及時(shí)降低壩體滲透壓力，排除滲透水流，在壩體內(nèi)設(shè)排水系統(tǒng)。壩體排水管設(shè)在二級(jí)防滲配碾壓混凝土后，設(shè)計(jì)采用無(wú)砂混凝土排水管。排水管將壩體排水匯集到基礎(chǔ)灌漿及排水廊道的集水井內(nèi)，用水泵將集水抽排到壩體外。

為減小壩基揚(yáng)壓力，提高壩基穩(wěn)定性，在灌漿帷幕后設(shè)置排水孔，排水孔孔距2.0m。在河床中間段排水孔最大孔深20 m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深50m，在左岸岸坡段排水孔最大孔深40m。

6.壩體結(jié)構(gòu)

根據(jù)灌漿、大壩觀測(cè)、排水及交通需要，按照簡(jiǎn)化壩體、集中布置的原則，分別在3150m，3195m，3240m和3280m高程布置4層多功能水平廊道，在壩內(nèi)設(shè)置2.0m×2.0m的方形交通豎井與各層水平廊道連同。

水平廊道設(shè)置在二級(jí)配防滲碾壓混凝土后，在壩體內(nèi)3195 m，3240 m和3280 m高程，其功能為觀測(cè)、排水及交通的洞段，其斷面為2.0m×2.5m，其與壩坡灌漿平洞相連接。3150m高程和兼顧灌漿功能的洞段，其斷面為3.0 m×3.5 m。由于壩體較高，考慮在交通豎井內(nèi)設(shè)電梯1部，以方便交通。

7.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)過(guò)程和嚴(yán)密的施工控制，該大壩最終體型定格為壩頂高程3302.00 m，壩頂上游側(cè)設(shè)1.0 m寬的人行道和1.2 m高的防浪墻，人行道高出壩頂20cm；壩頂下游側(cè)設(shè)1.05m高的鋼欄桿。符合相關(guān)規(guī)程規(guī)定和使用標(biāo)準(zhǔn)。