猴子巖面板堆石壩的設計理念與技術創(chuàng)新

朱永國，嚴 軍

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

猴子巖水電站是大渡河干流水電梯級開發(fā)規(guī)劃的第9個梯級電站，電站裝機容量1 700 MW。水庫正常蓄水位1 842 m，相應庫容6.62億m3。擋水建筑物為世界第二高混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m，壩頂長278.35 m，相應地河谷寬高比為1.25，為國內外已建成面板堆石壩中最狹窄河谷。兩岸地形陡峻，屬典型的“V”形河谷，臨河坡高大于800 m，左岸邊坡60°～65°，右岸邊坡55°～60°。壩址河床覆蓋層最深達75 m，自下而上分為4層，其中第②層為粘質粉土，連續(xù)分布，一般厚13～20 m，微透水，承載力低，抗變形能力弱，為可能液化土層，對壩坡穩(wěn)定和大壩的應力變形影響較大，必須挖除。因此，壩軸線下游保留河床覆蓋層第①層，河床第②層及其上部覆蓋層全部挖除。壩軸線上游大部分開挖至基巖，通過現場試驗檢測研究，僅右側保留少量第①層兼作施工道路。猴子巖面板壩壩址區(qū)地震烈度相對較高，屬于強地震區(qū)。地震基本烈度為Ⅶ度，大壩抗震設計烈度為Ⅷ度。

猴子巖面板堆石壩的典型剖面如圖1所示。壩頂寬13.2 m，壩頂采用整體式“U”形鋼筋混凝土結構，將上游側防浪墻與下游側擋墻連為一體。壩體上游壩坡1∶1.4，下游壩坡考慮壩后“之”字形道路的綜合坡比1∶1.6。壩體自上游面至下游面大致分為：輔助防滲鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、堆石料區(qū)、大塊石護坡、壩腳壓重區(qū)。壩體填筑方量約963萬m3(其中，上游鋪蓋填筑量約67萬m3)。壩體斷面分區(qū)壩料主要設計參數見表1。

圖1 猴子巖面板堆石壩典型設計剖面

壩體分區(qū)粒徑參數最大粒徑/mm<5 mm顆粒含量/%小于0.075 mm顆粒含量/%不均勻系數Cu孔隙率/%滲透系數/cm·s-1壓實參數上游鋪蓋料100≤50>15≤1×10-4壓實度大于90%墊層料8035～504～8≤171×10-3～10-4干密度≥2.34 g/cm3,相對密度Dr≥0.9特殊墊層料4046～62.55～10≤16.51×10-3～10-4干密度≥2.35 g/cm3,相對密度Dr≥0.9過渡料30010～30≤5≤18i×10-2干密度≥2.31 g/cm3,相對密度Dr≥0.9堆石料區(qū)灰?guī)r料流紋巖料800≤20<5>5≤19i×10-1～ i×100干密度≥2.28 g/cm3干密度≥2.18 g/cm3

2 設計理念

2.1 “變形控制+變形協(xié)調”的設計理念

猴子巖面板堆石壩在設計過程中，系統(tǒng)分析并借鑒了國內外混凝土面板堆石壩建設與設計過程中積累的經驗，特別是2000年以后建成的洪家渡、水布埡兩座高面板堆石壩的成功經驗。針對河谷特別狹窄、河床覆蓋層深厚、抗震設防烈度高等工程特點，為有效解決狹窄河谷高面板堆石壩填筑碾壓過程中的“拱效應”問題，避免大壩運行期發(fā)生較大變形而危及壩體安全，猴子巖面板堆石壩的設計遵循“變形控制+變形協(xié)調”的設計理念?！白冃慰刂啤本褪遣捎幂^高的碾壓密實度設計指標，讓堆石體的變形盡量發(fā)生在填筑施工期，控制堆石壩體的后期變形量；“變形協(xié)調”就是面板與面板接縫可承受變形的設計指標要與堆石體變形相協(xié)調，確保面板與面板接縫不會因堆石體的變形而破壞、失效。

關于“變形控制+變形協(xié)調”的設計理念，“變形控制”是第一位的、是前提條件，“變形協(xié)調”是以“變形控制”為基礎的保障性措施，是第二位的。在猴子巖面板堆石壩的設計中，壩體結構分區(qū)取消次堆石區(qū)，整個堆石料區(qū)均采用主堆石區(qū)的設計標準；壩體堆石各分區(qū)(包括墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、堆石料區(qū))均采用相對較高的碾壓密實度設計指標等，都屬于“變形控制”的設計措施。設置面板永久水平縫、改進周邊縫與垂直縫結構、河床趾板基礎面抬高等，均屬于“變形協(xié)調”的措施，則是為了增加面板與面板接縫適應堆石壩體變形的能力。

2.2 全生命周期設計理念

猴子巖水電站是修建在大江大河上的高壩大庫，面板堆石壩河床趾板頂部高程1 636 m，正常蓄水位、極限死水位對應的壩前水深分別達206、166 m，一旦大壩面板和周邊縫、垂直縫發(fā)生破壞，修復處理將非常困難，修復處理的成本極高。若不能及時修復，則會嚴重威脅大壩自身穩(wěn)定和下游沿岸的安全。為此，猴子巖面板堆石壩在設計過程中堅持“全生命周期設計”的理念，主要體現在三個方面：一是針對堆石體沉降、面板裂縫、接縫失效等可以預見的缺陷，合理提高設計標準，力求在施工期間予以消除，盡量避免運行期出現缺陷；二是設置放空建筑物，以滿足極端情況下能夠基本放空水庫、便于缺陷修復的目標要求；三是在壩前1 735 m高程以下、運行期完全不具備缺陷修復條件的部位，設置輔助防滲鋪蓋，一旦面板或面板接縫出現裂縫等缺陷，礫石土、石粉、粉煤灰等材料可以淤堵裂縫，增強面板(趾板)的自愈、防滲效果。

3 工程設計中的技術創(chuàng)新

3.1 河床趾板設置基座混凝土結構

以往的面板堆石壩河床趾板基礎，均為河床基巖開挖后形成的基巖建基面。猴子巖面板堆石壩可研設計階段，也是將河床趾板直接置于基巖建基面上，設計建基面高程1 625 m。由于河床底部狹窄，河床水平趾板長度不到30 m。

技施設計階段，河床趾板部位覆蓋層開挖后實際揭示的基巖新鮮完整，高程約1 629～1 632 m。經設計深入研究并組織專家咨詢，決定取消河床趾板基礎基巖開挖，設置基座混凝土結構、將河床趾板建基面高程抬高至1 635 m，河床趾板增長至57 m?；炷两Y構的最大深度為5.64 m，頂部順水流方向長20 m， 1 632.00 m高程以下部位順水流方向長40 m。河床段趾板長度延長、河槽部位面板長度減小的創(chuàng)新方案，首先在一定程度上改善了面板的受力條件；其次減小了狹窄河床的開挖量與開挖施工難度，改善了河床基坑的施工條件；再次有利于施工期深基坑抽排水的布置與安全風險控制。

3.2 取消壩體次堆石區(qū)

傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩設計，壩體堆石區(qū)一般分為主、次堆石區(qū)，且次堆石區(qū)的力學性能、級配與壓實度設計指標低于主堆石區(qū)。猴子巖面板堆石壩在壩體斷面分區(qū)設計中，取消次堆石區(qū)，壩體堆石區(qū)全部采用主堆石區(qū)的設計指標。雖然采用兩種料源，上游側為變質灰?guī)r料、下游側為流紋巖料，但孔隙率設計指標均不大于19%，壩料粒徑、級配、滲透系數等設計參數要求相同(見表1)。主要是考慮到猴子巖壩址河谷特別狹窄、岸坡陡峻，整體提高堆石區(qū)壓實密度和變形模量，以有效控制壩體后期變形。

3.3 面板設置永久水平縫

根據大壩面板靜動力計算分析成果，為了減小面板拉應力和面板裂縫，猴子巖面板堆石壩在二期面板頂部1 810.00 m高程結合施工縫設置了一條永久水平縫。水平永久縫止水結構與面板壓性縫相同，即底部設一道復合止水銅片、縫間加設15 mm膨脹橡膠復合瀝青浸漬樺木板、頂部設表面止水，面板鋼筋穿過縫面。計算結果表明，永久水平縫的設置，可顯著降低靜動力作用下高高程區(qū)域面板的拉應力。施工及運行期情況表明，設置永久水平縫也明顯減少三期面板裂縫。

3.4 面板接縫止水結構的改進

根據大壩靜動力三維應力應變計算成果，并借鑒水布埡、三板溪等200 m級高面板壩的設計經驗，猴子巖面板堆石壩面板接縫允許位移值如表2所示。

表2 面板接縫位移設計允許值 mm

壩高233 m的水布埡面板堆石壩面板接縫止水結構是中國水利水電科學研究院(以下簡稱“水科院”)“九五”期間的科技攻關成果，室內試驗與工程實際運行證明是可靠的。猴子巖面板堆石壩面板接縫止水大體上采用水布埡的止水結構，但是考慮到猴子巖壩址河谷特別狹窄、周邊縫剪切位移大、受壓區(qū)垂直縫的壓應力較大等特點，專門委托水科院進行研究后，做出了兩方面改進：一是各類接縫底部“W形復合銅止水”的鼻子高度13 cm，高于水布埡的10.5 cm；二是為防止面板之間擠壓破壞，針對受壓區(qū)的垂直縫，縫面增設15 mm厚膨脹橡膠復合瀝青浸漬樺木板。

3.5 新型的監(jiān)測技術

為全面監(jiān)測分析大壩的變形、應力、滲流、滲壓等，猴子巖面板堆石壩在采用傳統(tǒng)監(jiān)測儀器、監(jiān)測技術的同時，還采用了光纖陀螺與磁慣導、光纖光柵測溫監(jiān)測滲漏兩項新型監(jiān)測技術：①采用光纖陀螺與磁慣導技術監(jiān)測面板撓度與壩體沉降，其中，光纖陀螺監(jiān)測面板撓度與壩體沉降在水布埡、東菁2座高面板壩中已有成功運用，磁慣導監(jiān)測面板撓度與壩體沉降是猴子巖面板壩創(chuàng)新應用。監(jiān)測成果表明，光纖陀螺與磁慣導技術監(jiān)測壩體沉降與傳統(tǒng)的水管式沉降儀測值較為一致，光纖陀螺與磁慣導技術監(jiān)測面板撓度較傳統(tǒng)的固定式測斜儀測值更符合實際。②采用光纖光柵傳感測溫技術監(jiān)測面板周邊縫和板間縫的滲流情況，其中光柵傳感測溫技術監(jiān)測面板周邊縫滲漏情況在水布埡面板堆石壩中已有成功應用，但分布式光纖測溫技術監(jiān)測面板板間縫滲漏情況，是猴子巖面板壩的首次創(chuàng)新應用。

3.6 施工期壩體反向排水的分級抽排方案

在面板堆石壩施工期間，兩岸山體地下水、降雨、堆石料碾壓灑水等均會進入壩體。如果壩體內水位太高，則會導致上游壩坡墊層料發(fā)生滲透破壞，甚至會造成面板失穩(wěn)破壞。因此，面板堆石壩施工期一般會設置壩體反向排水。猴子巖面板壩的河床基坑開挖深度達75 m，大壩下游結合量水堰布置有防滲墻，因此壩體反向排水的技術難度與危害壩坡的風險更大。對此，設計人員通過深入研究，創(chuàng)新制定了壩體反向排水的分級抽排方案。即在上游壩體內(樁號壩0-257.60)布置一級抽排豎井(鋼筋石籠結構，內徑2 m，井底高程1 630 m，井口高程1 665 m)，井底布置8根DN325 mm排水鋼管穿過壩體和河床段趾板，將壩體內積水排至壩前集水池。二級抽排豎井布置于壩后壓重體內(量水堰防滲墻上游)，井底高程1 652 m，井口高程1 690 m。一級抽排豎井負責底部排水鋼管封堵，壩前1 660 m高程以下輔助防滲鋪蓋填筑期間的壩體抽排水；二級抽排豎井負責一級抽排豎井封堵，1 660～1 690 m高程壩前輔助防滲鋪蓋填筑期間的壩體抽排水。實際運行情況表明，猴子巖面板壩壩體反向排水分級抽排系統(tǒng)設置是合理、成功的。

3.7 采用低熱水泥配置面板(趾板)混凝土

為提高面板(趾板)混凝土的抗裂能力，通過專項試驗研究，猴子巖面板堆石壩創(chuàng)新采用低熱水泥+Ⅰ級粉煤灰+PVA纖維+高性能減水劑配置面板(趾板)混凝土，取得較好效果。實測混凝土的自生體積變形大于130 με。試驗分析表明，一方面，低熱硅酸鹽水泥水化熱低，能明顯減小混凝土的初期水化熱溫升、減小溫度應力；另一方面，低熱硅酸鹽水泥含有適量的MgO，能產生一定的微膨脹量，可以減少或補償混凝土的收縮，增強混凝土的抗裂能力。

4 結 語

猴子巖面板堆石壩最大壩高223.5 m，是目前國內外已建或在建面板壩中第二高壩，同時又是世界上河谷最狹窄的面板堆石壩。為確保大壩建成后的安全運行，特別是面板和接縫止水不會因堆石壩體過大變形而破壞，猴子巖面板堆石壩堅持“變形控制+變形協(xié)調”、“全生命周期設計”的設計理念，并圍繞狹窄河谷超高面板堆石壩的“變形控制”和“變形協(xié)調”目標，結合工程自身的地形地質條件，開展了多項創(chuàng)新設計和止水結構改進。

猴子巖面板堆石壩于2015年12月完成壩體填筑，2016年11月下閘蓄水，2017年11月水庫蓄水至正常蓄水位1 842 m，2018年4月水庫水位消落至死水位1 802 m附近，2018年6月水庫水位又上升至汛期運行控制水位1 835 m附近。截至2018年7月底，壩體最大累計沉降量1 299.3 mm(約占壩高0.58%)；面板周邊縫最大沉降位移49.04 mm(設計允許值100 mm)、最大張開位移15.6 mm(設計允許值100 mm)、最大剪切位移25.15 mm(設計允許值65 mm)；面板垂直縫最大擠壓變形5.71 mm(設計允許值20 mm)，未出現擠壓破壞；壩體滲流滲壓監(jiān)測成果均無異常，說明猴子巖面板堆石壩在變形控制和變形協(xié)調方面的設計技術創(chuàng)新與結構改進措施是成功的，可供200 m級或更高面板堆石壩設計參考借鑒。