概論高混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)新理念

馮 俊

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 5550002)

概論高混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)新理念

馮 俊

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 5550002)

文章闡述了我國高混凝土面板堆石壩安全布置、趾板、混凝土面板以及壩基的處理，在分析了高混凝土面板堆石壩工作性狀及其影響因素的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步論述了高混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)理念。其主要體現(xiàn)在要保證大壩變形安全，在壩體分區(qū)設(shè)計(jì)、筑壩材料選擇、開挖料利用、壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)和形象建設(shè)、面板填筑與壩體填筑兩者在時(shí)間與空間上的關(guān)系等,設(shè)計(jì)施工理念中變形協(xié)調(diào)原則極為重要。

高混凝土面板堆；石壩布置；趾板；壩基；變形安全

1 壩的布置和壩體分區(qū)

1.1 壩的布置

壩軸線應(yīng)根據(jù)壩址的地形地質(zhì)條件，按有利于趾板及樞紐中其他建筑物布置、方便施工的原則，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。壩軸線宜布置成直線。允許堆石壩體建在密實(shí)的河床沖積層上。當(dāng)沖積層內(nèi)有粉細(xì)砂層、黏性土層時(shí)，應(yīng)結(jié)合壩體穩(wěn)定和變形分析，論證其安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。在壩肩布置溢洪道時(shí)，應(yīng)作好面板和溢洪道邊墻或?qū)Φ倪B接設(shè)計(jì)。在樞紐布置中，在確定建筑物形式和尺寸時(shí)，宜結(jié)合建筑物巖石開挖量和壩體填筑量的平衡進(jìn)行綜合比較[1]。

1.2 壩體分區(qū)

壩體應(yīng)根據(jù)料源及對(duì)壩料的強(qiáng)度、滲透性、壓縮性、施工方便和經(jīng)濟(jì)合理等要求進(jìn)行分區(qū)。用硬巖堆石料填筑的壩體可按圖1分區(qū)，從上游向下游依次可分為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)及下游堆石區(qū)。在周邊縫下應(yīng)設(shè)特殊墊層區(qū)。100m以上的壩面板上游面下部應(yīng)設(shè)上游鋪蓋區(qū)及蓋重區(qū)。各區(qū)壩料的透水性宜按水力過渡要求從上游向下游增加。下游堆石區(qū)下游水位以上的壩料不受此限制。堆石壩體上游部分應(yīng)具有低壓縮性。必要時(shí)，可在壩體下游壩址水下設(shè)硬巖拋石體，此拋石區(qū)可為下游圍堰的組成部分。結(jié)合建筑物開挖石料和近壩區(qū)可用的料源，壩體可增加其他分區(qū)。巖基上硬巖堆石壩體分區(qū)示意圖見圖1。

圖1 巖基上硬巖堆石壩體分區(qū)示意圖

圖1中，1A為上游鋪蓋區(qū)；1B為蓋重區(qū)；2A為墊層區(qū)；2B為特殊墊層區(qū)；3A為過渡區(qū)；3B為主堆石區(qū)；3C為下游堆石區(qū)；3E為拋石區(qū)；P為塊石堆砌；Q為按壩料特性及壩高而定；F為面板。

2 趾 板

2.1 趾板定線和布置

趾板宜置于堅(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的弱風(fēng)化至新鮮基巖上。對(duì)置于強(qiáng)風(fēng)化或有地質(zhì)缺陷的基巖上的趾板，應(yīng)采取專門的處理措施。中低壩的趾板可置于砂礫石地基上，高壩應(yīng)經(jīng)專門論證。巖石地基上趾板布置應(yīng)依據(jù)地形和地質(zhì)條件選定，宜采用平趾板的布置形式；當(dāng)岸坡很陡時(shí)，可采用其他的布置形式；當(dāng)受到地形或地質(zhì)條件限制時(shí)，可采用增加連接板或回填混凝土等措施彌補(bǔ)[2]。

2.2 趾板尺寸

趾板的寬度可根據(jù)趾板下基巖的允許水力梯度和地基處理措施確定，其最小寬度宜為3m。趾版下基巖的允許水力梯度見表1，允許的水力梯度宜符合表1的規(guī)定。

表1 趾板下基巖的允許水力梯度

趾板寬度在滿足灌漿孔布置后，可以通過在趾板下游設(shè)置防滲板(鋼筋混凝土板或鋼筋網(wǎng)噴混凝土板)延長滲徑滿足水力梯度要求，并用反濾料覆蓋在防滲板的上面及其下游部分巖面上[3]。趾板的厚度<相連接的面板的厚度，但≥0.3m。采用防滲墻防滲的砂礫石地基上趾板宜分成上、下游兩段施工。上游段趾板應(yīng)在防滲墻竣工后并于水庫第一次蓄水前施工。趾板下游面應(yīng)垂直于面板，面板底面以下的趾板高度應(yīng)≥0.9m，兩岸壩高較低部位，可放寬要求。高壩趾板宜按高程分段采用不同寬度和厚度。

2.3 趾板混凝土及其配筋

趾板混凝土的要求和面板混凝土的要求相同。趾板混凝土防裂措施和面板混凝土相同。趾板宜采用單層雙向鋼筋，每向配筋率可采用0.3%～0.4%。巖基上趾板鋼筋的保護(hù)層厚度為10～15cm；非巖基上趾板，鋼筋宜布置在趾板截面的中部。趾板應(yīng)用錨筋與基巖連接，錨筋參數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)確定。趾板建基面附近存在緩傾角結(jié)構(gòu)面時(shí)，錨筋參數(shù)應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定性要求或抵抗灌漿壓力確定。

3 混凝土面板

3.1 面板尺寸和分縫

面板的厚度應(yīng)使面板承受的水力梯度不超過200。高壩面板頂部厚度宜取0.3m，并向底部逐漸增加，可按下式確定：

t=0.3+(0.002～0.0035)H

(1)

式中：t為面板的厚度，m；H為計(jì)算斷面至面板頂部的高度，m。

中低壩可采用0.3～0.4m厚的等厚面板。

應(yīng)根據(jù)壩體變形及施工條件進(jìn)行面板分縫，垂直縫的間距可為12～18m。分期澆筑的面板，其頂高程宜低于澆筑平臺(tái)的填筑高程5m左右，其水平縫按施工縫處理。

3.2 面板混凝土設(shè)計(jì)及配筋

面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)≥C25，抗?jié)B等級(jí)≥W 8，抗凍等級(jí)應(yīng)按照DL/T5082的規(guī)定確定。面板混凝土宜采用525#硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。當(dāng)采用其他水泥品種和標(biāo)號(hào)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)確定。面板混凝土中宜摻粉煤灰或其他優(yōu)質(zhì)摻合料。粉煤灰質(zhì)量等級(jí)不宜低于Ⅱ級(jí)，摻量一般為15%～30%。嚴(yán)寒地區(qū)取較低值，溫和地區(qū)取較高值。砂料較粗時(shí)宜采用粉煤灰超量取代水泥措施，改善混凝土性能。粉煤灰的質(zhì)量應(yīng)符合DL/T5055的要求。面板混凝土應(yīng)摻用引氣劑和減水劑，根據(jù)需要，也可摻用調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間的其他種類外加劑。采用的外加劑和摻合料的種類及摻量應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

面板混凝土應(yīng)采用二級(jí)配骨料。用于面板的砂料吸水率應(yīng)≤3%，含泥量應(yīng)≤2%，細(xì)度模數(shù)宜在2.4～2.8之間。石料的吸水率應(yīng)≤2%，含泥量應(yīng)≤1%。面板混凝土的水灰比，溫和地區(qū)應(yīng)≤0.50，寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)≤0.45。溜槽入口處的坍落度宜控制在3～7cm，混凝土的含氣量應(yīng)控制在4%～6%。面板宜采用單層雙向鋼筋。鋼筋宜置于面板截面中部，每向配筋率為0.3%～0.4%，水平向配筋率可低于豎向配筋率。在高壩周邊縫及臨近周邊縫的垂直縫兩側(cè)宜配置抵抗擠壓的構(gòu)造鋼筋。經(jīng)論證，面板局部可采用雙層配筋。

3.3 面板防裂措施

面板混凝土應(yīng)進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用優(yōu)質(zhì)外加劑和摻合料，降低水泥用量，減少水化熱溫升和收縮變形。根據(jù)工程實(shí)際條件，選用熱膨脹系數(shù)較小的骨料配制面板混凝土。面板的基礎(chǔ)表面整體應(yīng)平順，不應(yīng)存在大起伏差，局部不應(yīng)形成深坑或尖包。側(cè)模應(yīng)平直。

面板基礎(chǔ)可采用抗壓強(qiáng)度為5MPa的碾壓砂漿或噴乳化瀝青。當(dāng)采用噴混凝土?xí)r，其28d抗壓強(qiáng)度應(yīng)控制在5MPa左右，噴混凝土中可摻不低于Ⅲ級(jí)的粉煤灰。面板混凝土宜在低溫季節(jié)澆筑，混凝土入倉溫度應(yīng)加以控制， 必要時(shí)應(yīng)采取措施降低入倉溫度。面板混凝土出模后應(yīng)及時(shí)覆蓋保溫保濕，進(jìn)行不間斷的潮濕養(yǎng)護(hù)，防曝曬、防大風(fēng)、防寒潮襲擊，防養(yǎng)護(hù)水冷擊，直到水庫蓄水為止或至少90d。寒冷地區(qū)面板混凝土還應(yīng)進(jìn)行有效的表面保溫，直到水庫蓄水為止。面板裂縫寬度>0.2mm或判定為貫穿性裂縫時(shí)，應(yīng)采取專門措施進(jìn)行處理；嚴(yán)寒地區(qū)和抽水蓄能電站的混凝土面板堆石壩，面板裂縫處理的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從嚴(yán)確定。

4 壩基處理

4.1 基礎(chǔ)開挖

趾板基礎(chǔ)開挖面應(yīng)平順，避免陡坎和反坡。當(dāng)有妨礙墊層料碾壓的反坡和陡坎，應(yīng)作削坡或回填混凝土處理，或重新調(diào)整趾板位置。趾板高程以上的上游邊坡應(yīng)按永久邊坡設(shè)計(jì)。趾板區(qū)下游接上坡開挖時(shí)，其坡度應(yīng)比面板的坡度緩；接下坡開挖時(shí)，坡度應(yīng)不陡于1∶0.5。堆石壩體可置于風(fēng)化巖基上，變形模量應(yīng)≥堆石壩體的變形模量。趾板下游約0.3～0.5倍壩高范圍內(nèi)的堆石體地基宜具備低壓縮性，開挖后，不允許有妨礙堆石碾壓的反坡和陡于1∶0.25的陡坎；其余部分對(duì)地基壓縮性可放寬要求，開挖后只需滿足開挖坡的穩(wěn)定要求。河谷岸坡很陡時(shí)，在壩軸線上游的兩岸開挖坡度應(yīng)和在堆石體內(nèi)設(shè)置低壓縮區(qū)一并專門論證。壩基砂礫石層的開挖，應(yīng)經(jīng)詳細(xì)勘察、試驗(yàn)和論證后確定。

4.2 壩基處理

趾板范圍內(nèi)的基巖如有斷層、破碎帶和軟弱夾層等不良地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)根據(jù)它們的產(chǎn)狀、規(guī)模和組成物質(zhì)，研究其滲透、滲透變形和溶蝕后對(duì)壩基的影響，確定趾板下基巖允許的水力梯度、防滲處理和滲流控制措施(如混凝土塞、截水墻、擴(kuò)大趾板寬度或設(shè)下游防滲板，并在其上和下游用反濾料保護(hù)等)。

應(yīng)做好趾板下基巖的固結(jié)灌漿和帷幕灌漿設(shè)計(jì)。固結(jié)灌漿孔宜布置為2～4排，深度應(yīng)≥5m。帷幕宜布置在趾板中部，帷幕灌漿孔的布置一般為1排，1、2級(jí)壩及高壩的帷幕深度可按深入巖體透水率為3～5Lu區(qū)域內(nèi)5m，其他的壩為5～10Lu區(qū)域內(nèi)5m，或按(1/3～1/2)壩高確定，并作好兩岸壩肩的滲流控制。在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，或相對(duì)不透水層埋藏較深時(shí)，防滲帷幕應(yīng)結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)。灌漿設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)定專門措施提高灌漿帷幕的耐久性和對(duì)表層基巖的灌漿壓力，并經(jīng)灌漿試驗(yàn)驗(yàn)證。

趾板建在河床砂礫石層上時(shí)，可采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻底部應(yīng)嵌入弱風(fēng)化基巖。應(yīng)作好滲流出逸區(qū)的反濾保護(hù)及趾板和防滲墻之間的連接設(shè)計(jì)。當(dāng)趾板建在巖溶地基上時(shí)，其防滲處理方法和巖溶地區(qū)壩基處理方法相同，可在趾板上設(shè)置灌漿廊道。

5 結(jié) 語

堆石壩體變形是影響高混凝土面板堆石壩的主要因素，因此高混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)理念之一是要保證大壩變形安全，在壩體分區(qū)設(shè)計(jì)、筑壩材料選擇、開挖料利用、壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)和形象進(jìn)度、面板澆筑與壩體填筑兩者在時(shí)間與空間上的關(guān)系等設(shè)計(jì)施工理念中變形協(xié)調(diào)原則極為重要。

[1]吳利平.九甸峽水利樞紐工程筑壩材料特性研究[J].甘肅水利水電技術(shù)，2010，40(03)：26-28.

[2]司洪洋，朱鐵.小干溝混凝土面板堆石壩利用砂礫石料的研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，1990(03)：89-96.

[3]梅錦煜.高混凝土面板堆石壩堆石體施工期變形研究[J].水利水電技術(shù)，2006(07)：20-23.

BriefDiscussiononNewDesignConceptionforHighConcreteFace-plateRockfillDam

FENG Jun

(Guizhou Province Water Conservancy & Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China)

The high concrete face rockfill dam layout，toe slab，concrete face-plate，and foundation treatment are elaborated in our country.On the basis of the analysis of the influence f actors and working behavior for high concrete face rockfill dam，the new design conception of high concrete face rockfill dam is further expounded.It mainly manifests in ensuring the safety of dam deformation，dam zoning design，construction material，and excavated material utilization，dam filling needle and image building，face-plate filling and dam filling，the relationship in time and space，etc.The deformation coordination is an important principle in the design and construction philosophy.

high concrete face-plate rockfill dam；rockfill dam layout；toe board；dam foundation

1007-7596(2014)03-0045-03

2013-12-12

馮俊(1965-)，女，貴州貴陽人，高級(jí)工程師，從事水工建筑物的設(shè)計(jì)工作。

TV641.43

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