長河壩水電站礫石土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

張　丹，　何 順 賓，　伍 小 玉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站礫石土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

張丹，何 順 賓，伍 小 玉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高240 m，壩基覆蓋層最深約53 m，工程場地地震基本烈度為Ⅷ度。針對(duì)大壩“壩高高、地震烈度高、工程等別高及壩基覆蓋層深厚”的特點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)行了大量的專門研究工作，在壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩基處理設(shè)計(jì)、筑壩材料設(shè)計(jì)及抗震設(shè)計(jì)中采取了一系列有針對(duì)性的措施，保證了大壩安全可靠。

關(guān)鍵詞：長河壩水電站；礫石土心墻堆石壩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1工程概述

長河壩水電站工程的主要任務(wù)為發(fā)電，樞紐建筑物主要由礫石土直心墻堆石壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)、右岸2條開敞式進(jìn)口溢洪洞、1條深孔泄洪洞及1條放空洞組成。礫石土直心墻堆石壩建造于深厚覆蓋層地基上，最大壩高240 m，壩基覆蓋層最深約53 m。

2壩址區(qū)工程地質(zhì)條件

長河壩水電站區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，場址地震基本烈度為Ⅷ度。大壩抗震設(shè)防類別為甲類，按Ⅸ度抗震設(shè)防。根據(jù)地震安評(píng)成果，大壩的設(shè)計(jì)地震取基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率P100為0.02的基巖峰值加速度為0.359 g，校核地震取基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率P100為0.01的基巖峰值加速度為0.43 g。

壩址處大渡河流向由南東轉(zhuǎn)為南西，形成一個(gè)90°的河灣。壩軸線附近河谷相對(duì)開闊，呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右，左岸1 590 m高程以下坡角一般為60°～65°，1 590 m高程以上坡角一般為40°～45 °；右岸1 660 m高程以下坡角一般為60°～65°，1 660 m高程以上坡角一般為35°～40 °；枯水期河水面寬110～120 m，水深3～5 m。正常蓄水位1 690 m高程對(duì)應(yīng)谷寬459 m，岸坡中沖溝較發(fā)育。

壩址區(qū)巖體為晉寧期-澄江期的侵入巖，其巖性以花崗巖(γ2(4))、石英閃長巖(δ02(3))為主。壩址區(qū)河谷深切，谷坡陡峻，天然地應(yīng)力較高，河谷強(qiáng)烈下切導(dǎo)致谷坡向臨空方向產(chǎn)生較強(qiáng)烈的卸荷。已有探洞揭示強(qiáng)卸荷水平深度多達(dá)30 m以上，局部可達(dá)65 m。

壩基河床覆蓋層厚度為60～70 m，局部達(dá)79.3 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，自下至上由老至新分為3層：第①層：漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②層：含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布在河床覆蓋層中部及一級(jí)階地上，②層中上部廣泛分布②-C砂層，厚度為0.75～12.5 m，頂板埋藏深度3.3～25.7 m，為飽水的少粘性砂土；第③層：漂(塊)卵礫石層(alQ42)，厚度為4～25.8 m。

3大壩設(shè)計(jì)

3.1壩體斷面分區(qū)設(shè)計(jì)

礫石土心墻堆石壩壩軸線走向?yàn)镹82°W，壩頂高程1 697 m，壩底高程1 457 m,最大壩高240 m，壩頂長502.85 m，上下游壩坡均為1∶2，壩頂寬度為16 m。

心墻頂高程1 696.4 m，頂寬6 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，底高程1 457 m，底寬125.7 m，約為水頭的二分之一。心墻在左右岸從高程

1 457～1 696.4 m順河流向上下游各加寬10～0 m，各高程垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收縮。為了防止靠兩岸側(cè)心墻因大變形而開裂，在心墻與兩岸基巖混凝土蓋板之間鋪設(shè)了高塑性粘土，左岸1 597 m、右岸1 610 m高程以上水平厚度為3 m，以下水平厚度為4 m。

在心墻上、下游側(cè)均設(shè)置了反濾層。上游設(shè)置的一層為反濾層3，厚度為8 m；下游設(shè)置兩層反濾層，分別為反濾層1和反濾層2，厚度均為6 m。心墻底部在壩基防滲墻下游亦設(shè)置了厚度各為1 m的兩層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接。在心墻下游過渡層及堆石與河床覆蓋層之間設(shè)置了反濾層4，厚度為1 m。上、下游反濾層與壩殼堆石間均設(shè)置過渡層，水平厚度均為20 m。在堆石與兩岸巖坡之間設(shè)置了厚3 m的水平岸邊過渡層。

上游壩坡高程1 530.5 m以上采用大塊石護(hù)坡，護(hù)坡厚度為1 m。下游壩坡采用干砌石護(hù)坡，護(hù)坡厚度為0.8 m。上游圍堰包含在上游壓重之中，上游壓重頂高程為1 530.5 m。在下游壩腳處填筑壓重，頂高程為1 545 m，頂寬30 m。

3.2壩基處理設(shè)計(jì)

壩址區(qū)河床覆蓋層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，3層覆蓋層均具有較高的承載力、低壓縮性、強(qiáng)透水性和抗剪強(qiáng)度。覆蓋層作為高礫石土心墻堆石壩地基主要存在以下問題：

(1)地基承載強(qiáng)度與變形穩(wěn)定。

該覆蓋層地基總體為漂(塊)卵礫石層，粗顆?；緲?gòu)成骨架，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，其承載強(qiáng)度和抗變形能力均較高，可以滿足基礎(chǔ)承載變形要求。但由于覆蓋層結(jié)構(gòu)不均一，其中有分布較廣的②-C砂層(含泥(礫)中～粉細(xì)砂)。該砂層對(duì)覆蓋層地基的強(qiáng)度和變形影響較大，存在不均勻變形問題。

(2)地基滲漏與滲透變形穩(wěn)定。

壩基覆蓋層漂(塊)卵礫石層滲透系數(shù)K=8×10-2～2×10-1cm/s，具強(qiáng)透水性；②-C砂層滲透系數(shù)K=6.86×10-3cm/s，具中等透水性。漂(塊)卵礫石顆粒大小懸殊，結(jié)構(gòu)不均一，允許滲透坡降J=0.1～0.15，局部存在架空部位J=0.07；砂層允許滲透坡降J=0.2～0.25，滲透坡降較低，抗?jié)B穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生管涌破壞；此外，河床覆蓋層具多層結(jié)構(gòu)且夾有砂層，由于其滲透性的差異，有產(chǎn)生接觸沖刷的可能性，存在滲漏和滲透變形問題。

(3)地基抗滑穩(wěn)定。

壩基覆蓋層結(jié)構(gòu)總體較密實(shí)，抗剪強(qiáng)度較高，φ=28°～32°，但河床覆蓋層中②-C砂土層抗剪強(qiáng)度較低，φ=21°～23°。在地震工況下，因砂土動(dòng)強(qiáng)度降低可能引起通過砂層弱面的失穩(wěn)，對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。

(4)砂層液化。

壩基覆蓋層中分布較廣的②-C砂層為第四紀(jì)全新世Q4地層，具有中等壓縮性及較弱的滲透性。砂層在天然狀況下初判為可能液化砂，經(jīng)過標(biāo)貫、相對(duì)密度、相對(duì)含水量和液性指數(shù)、振動(dòng)液化試驗(yàn)等復(fù)判，均認(rèn)為該砂層天然狀況下為可液化砂層。三維有限元法壩體壩基動(dòng)力分析認(rèn)為，建壩后在壩腳一定范圍內(nèi)該砂層仍發(fā)生液化，且在地震作用下砂層的強(qiáng)度有較大程度地衰減，采用砂層動(dòng)強(qiáng)度復(fù)核下游壩坡穩(wěn)定，其危險(xiǎn)滑弧通過砂層且抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，②-C砂層作為大壩地基需進(jìn)行工程處理。

針對(duì)上述問題，采取了以下壩基處理措施：

為減小心墻的沉降和變形，增加大壩的抗震安全性，將心墻及反濾層底部的砂層予以全部挖除。該區(qū)域大部分②-C砂層底部高程為1 457 m，為減少不均勻沉降變形的產(chǎn)生，將河床部位心墻和反濾層底部覆蓋層開挖保持在同一高程(1 457 m)。上下游壩殼堆石體和過渡層在河床部位建于覆蓋層③層漂(塊)卵礫石(alQ42)與②層含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)上，粗顆?；緲?gòu)成骨架，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，其承載和抗變形能力均較高，可滿足基礎(chǔ)承載變形要求。對(duì)壩殼地基中分布的②-C砂層進(jìn)行挖除處理；在未分布砂層部位，對(duì)其覆蓋層表層的淤泥質(zhì)、松散堆積物、腐植土等進(jìn)行挖除，將陡坎、出露較大的孤石等挖除，以保證壩基平緩，避免出現(xiàn)較大地起伏。

兩岸壩肩巖體均為弱風(fēng)化強(qiáng)卸荷花崗巖，巖體堅(jiān)硬、可灌，可作為心墻基礎(chǔ)。心墻建基面開挖在保證坡度以及變坡時(shí)的變換角度滿足規(guī)范要求、順河向盡量平順的前提下，盡量考慮減少其開挖量。由于地形起伏大，左岸最大水平開挖深度約為35 m，右岸最大水平開挖深度約為40 m。堆石區(qū)基巖地基采取將1～2 m植物根系較多的表層巖石以及松動(dòng)、突出的巖塊和局部風(fēng)化嚴(yán)重的巖石予以清除、對(duì)突變和負(fù)坡部位進(jìn)行開挖整理平順的措施。過渡層基礎(chǔ)則由反濾層基礎(chǔ)與壩殼基礎(chǔ)通過1∶1的斜坡過渡連接。

為改善心墻沉降并增強(qiáng)覆蓋層的抗?jié)B性能，對(duì)心墻底部的覆蓋層壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿(深5 m)。為防止在心墻與壩基接觸部位產(chǎn)生接觸滲流和沖刷，在心墻基巖開挖面設(shè)置了一層厚度為0.5 m的鋼筋混凝土板，采用錨筋將混凝土板錨固在基巖上。由于巖體卸荷強(qiáng)烈且開挖爆破亦會(huì)破壞巖體表層的完整性，故對(duì)心墻部位兩岸強(qiáng)卸荷基巖采用固結(jié)灌漿處理以封閉較發(fā)育的節(jié)理、裂隙，提高基巖的完整性、降低其透水性，提高抗?jié)B性能。左岸固結(jié)灌漿深15 m，右岸深10 m。

河床部位心墻地基挖除②-C砂層后還余厚度約為53 m的覆蓋層，其具有強(qiáng)透水性，故采用兩道全封閉混凝土防滲墻進(jìn)行防滲，兩墻之間的凈距為14 m，形成一主一副的布置格局。主防滲墻厚1.4 m，布置于壩軸線平面內(nèi)，通過頂部設(shè)置的灌漿廊道與防滲心墻連接，防滲墻與廊道之間采用剛性連接。副防滲墻厚1.2 m，布置于壩軸線上游，與心墻間采用插入式連接，插入心墻內(nèi)的高度為9 m。

防滲墻底以下及兩岸強(qiáng)透水基巖的防滲均采用灌漿帷幕，以基巖透水率q≤3 Lu作為相對(duì)不透水層界限，灌漿帷幕深入相對(duì)不透水層的深度不少于5 m。為減小兩岸繞墻滲漏，提高副防滲墻承擔(dān)水頭的比例，對(duì)副防滲墻周邊的強(qiáng)卸荷巖體進(jìn)行了帷幕灌漿，并在副防滲墻帷幕和主防滲墻帷幕之間設(shè)置了連接帷幕。

3.3筑壩材料設(shè)計(jì)

礫石土心墻堆石壩壩體填筑總量約為3 400萬m3，其中：礫石土心墻料430萬m3，高塑性粘土20萬m3，反濾料167萬m3，過渡料246萬m3，堆石料2 318萬m3，壓重體料207萬m3。

3.3.1防滲礫石土料

鑒于該大壩壩高、壩基覆蓋層深厚，故要求大壩心墻料在具備較強(qiáng)防滲抗?jié)B性能的同時(shí)具有較高的強(qiáng)度，以控制大壩的變形量，為此，對(duì)心墻的細(xì)粒含量(特別是粘粒含量)、粒徑大于5 mm的顆粒含量(P5含量)及壓實(shí)參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

對(duì)于心墻防滲礫石土料，要求其最大粒徑不宜大于150 mm和鋪土厚度的2/3，粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜超過50%且不宜低于30%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不應(yīng)少于15%，粒徑小于0.005 mm的顆粒含量不少于8%，顆粒級(jí)配應(yīng)連續(xù)。心墻料鋪料厚度為30 cm，26 t振動(dòng)凸塊碾靜碾2遍后振碾12遍，碾后要求全料壓實(shí)度不小于97%，細(xì)料壓實(shí)度不小于100%，滲透系數(shù)應(yīng)不大于1×10-5cm/s，抗?jié)B透變形的破壞坡降應(yīng)大于5，其滲透破壞型式應(yīng)為流土。

防滲礫石土料開采自大壩上游湯壩土料場，湯壩土料場位于壩區(qū)上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距壩址22 km，開采條件較好。料場分布高程2 050～2 450 m，面積為72萬m2，有用料總儲(chǔ)量約為860萬m3，約有460萬m3土料剔除超徑石后可直接上壩填筑，其余土料則偏粗或偏細(xì)。經(jīng)多次摻配試驗(yàn)研究后，偏粗料和偏細(xì)料按一定比例摻配后可滿足上壩要求。

心墻與兩岸連接部位及副防滲墻插入段和廊道與心墻連接部位的高塑性粘土取自大壩下游瀘定縣城對(duì)岸的海子坪，距壩址約70 km。高塑性粘土最大粒徑宜小于5 mm，粘粒含量應(yīng)大于25%，塑性指數(shù)應(yīng)大于15。

3.3.2反濾料

心墻下游面和底部的反濾層1及反濾層2位于滲流出口處，對(duì)土石壩的安全起著關(guān)鍵作用。為確保防滲體不致于發(fā)生滲透破壞，設(shè)計(jì)時(shí)特別注意增強(qiáng)了該部位“關(guān)鍵性反濾”的可靠性。當(dāng)水位降落時(shí)，心墻流向上游的水力坡降一般較小，滲水量、流量與流速也很小，因此，適當(dāng)簡化了上游反濾層的設(shè)計(jì)以降低工程造價(jià)并便于施工，在滿足反濾準(zhǔn)則的前提下，在上游側(cè)設(shè)置了反濾層3。按照反濾準(zhǔn)則，初步設(shè)計(jì)反濾料級(jí)配，最終通過試驗(yàn)優(yōu)化確定反濾料級(jí)配。由于壩址附近的天然砂礫石料場規(guī)模小，分布零散，儲(chǔ)量不能滿足要求，故反濾料全部采用人工骨料。

按反濾準(zhǔn)則設(shè)計(jì)并經(jīng)試驗(yàn)論證后的設(shè)計(jì)反濾料1最大粒徑不大于20 mm，D15=0.15～0.5 mm，D85=2.8～7.8 mm，碾壓后滲透系數(shù)不小于1×10-3cm/s。反濾料2最大粒徑不大于80 mm，D15=1.4～5 mm，D85=15～46 mm，碾壓后滲透系數(shù)不小于1×10-2cm/s。反濾料3最大粒徑不大于40 mm，D15=0.25～0.75 mm，D85=8～19 mm，碾壓后滲透系數(shù)不小于2×10-3cm/s。反濾料鋪料厚度為30 cm，采用26 t自行式振動(dòng)平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后相對(duì)密度不小于0.85。

3.3.3過渡料與堆石料

經(jīng)料源規(guī)劃，將樞紐建筑物的洞挖料用于加工混凝土骨料，明挖料用于大壩上、下游壓重和圍堰堆石填筑。過渡料和堆石料均采用壩址上游響水溝料場開采的微、弱風(fēng)化或新鮮的花崗巖和壩址下游江咀料場開采的微、弱風(fēng)化或新鮮的石英閃長巖，兩個(gè)料場石料的飽和抗壓強(qiáng)度均大于60 MPa。

過渡料宜在變形及滲透性能上具有良好的過渡作用，即在反濾層到堆石料之間不至于產(chǎn)生突變。要求過渡料最大粒徑不大于400 mm，D15≤20 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不大于17%且不小于4%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不宜超過3%，級(jí)配連續(xù)良好。過渡料鋪料厚度50 cm，采用26 t自行式振動(dòng)平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于20%，滲透系數(shù)不小于5×10-2cm/s。

要求堆石料最大粒徑不大于900 mm，D15≤29 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不大于20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于3%，級(jí)配連續(xù)良好。堆石料鋪料厚度為100 cm，采用26 t自行式振動(dòng)平碾靜碾2遍后振碾8遍，碾后孔隙率不大于21%，滲透系數(shù)大于1×10-1cm/s。

3.4抗震設(shè)計(jì)

針對(duì)高設(shè)防烈度，該大壩主要考慮了以下抗震措施：

(1)壩型選擇了抗震性能較好的土質(zhì)直心墻堆石壩。壩頂超高考慮了若發(fā)生地震時(shí)壩體和壩基產(chǎn)生的附加沉陷和水庫地震涌浪。擴(kuò)大了心墻厚度，采用寬心墻，同時(shí)加厚了反濾層和過渡層的厚度。在上下游壩腳鋪設(shè)壓重，以增強(qiáng)大壩地震時(shí)的抗滑穩(wěn)定性。

(2)提高了壩料設(shè)計(jì)和填筑標(biāo)準(zhǔn)。

(3)在心墻與混凝土及岸坡基巖接觸部位填筑高塑性粘土并加大防滲體斷面。

(4)在壩體上部約1/5壩高范圍堆石內(nèi)布置了土工格柵加筋。在大壩上、下游坡面分別設(shè)置了大塊石護(hù)坡和干砌石護(hù)坡。

(5)設(shè)置了放空洞。

4結(jié)語

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩是防滲體位于深厚覆蓋層上的世界最高堆石壩，大壩具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1)工程等別高：電站為Ⅰ等大(1)型工程，礫石土心墻堆石壩為1級(jí)建筑物。

(2)工程地處高山峽谷地區(qū)，兩岸壩肩自然邊坡高陡。

(3)地震烈度高：工程場址基本地震烈度為Ⅷ度，大壩設(shè)防地震烈度為Ⅸ度。

(4)壩址區(qū)河床覆蓋層深厚，一般厚度為60～70 m、局部達(dá)79.3 m，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(5)壩高度大：最大壩高240 m，心墻建基面以下覆蓋層還余約53 m。

針對(duì)上述特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了大量、專門的研究工作，在壩體結(jié)構(gòu)、壩基處理、筑壩材料及抗震設(shè)計(jì)中采取了一系列針對(duì)性措施，以保證大壩安全可靠。大壩心墻于2013年7月開始填筑，目前大壩填筑高度約為163 m，工程進(jìn)展順利。

參考文獻(xiàn)：

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[3]顧淦臣,沈長松,岑威鈞.土石壩地震工程學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2009.

張丹(1979-)，女，四川眉山人，設(shè)計(jì)副總工程師，高級(jí)工程師，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作；

何順賓(1968-)，男，四川廣安人，副總工程師兼項(xiàng)目經(jīng)理、設(shè)計(jì)總工程師，教授級(jí)高級(jí)工程師，工程碩士，從事水電水利工程勘測設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理及科研工作；

伍小玉(1965-)，女，江西南康人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-04

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0011-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

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