猴子巖水電站面板堆石壩趾板設(shè)計(jì)

索慧敏，竇向賢，何 蘭

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

1 工程概況

猴子巖水電站為大渡河干流水電規(guī)劃22級(jí)開發(fā)方案的第9個(gè)梯級(jí)電站，位于丹巴縣城下游約47 km處。電站開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。電站裝機(jī)容量1 700 MW，水庫(kù)總庫(kù)容7.06億m3，具有季調(diào)節(jié)性能。電站采用堤壩式開發(fā)，攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 848.50 m，壩頂寬14 m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡考慮之字形公路后綜合坡度約1∶1.7，最大壩高223.50 m，壩頂長(zhǎng)278.35 m。

猴子巖水電站混凝土面板堆石壩地處狹窄河谷，兩岸地形不對(duì)稱，河谷寬高比約1.25，最大壩高223.5 m，為目前世界第二高混凝土面板堆石壩，趾板結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定難度。

2 趾板基礎(chǔ)地質(zhì)條件簡(jiǎn)述

左岸趾板區(qū)地形從上游到下游地形坡度由緩變陡，自然坡度由35°～45°變?yōu)?5°～65°。建基巖體為厚層～巨厚層狀，局部薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，夾含絹云母變質(zhì)灰?guī)r等，巖石較堅(jiān)硬完整，巖溶發(fā)育輕微，以溶孔、溶隙為主。趾板未發(fā)現(xiàn)大的斷層及層間擠壓破碎帶，巖體中可見隨機(jī)分布小的斷層及順層擠壓破碎帶。左岸低高程巖體風(fēng)化卸荷較淺，強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段，弱卸荷、弱風(fēng)化下段水平深度分別為 0～19.5 m， 39～51 m；中高程巖體強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段水平深度13 m，弱卸荷水平深度56 m、弱風(fēng)化下段水平深度65 m；高高程強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段，弱風(fēng)化下段水平深度分別為8～30 m，39～65 m。

河床趾板部位建基巖體為薄層～中厚層～巨厚層狀白云變質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，局部含絹云母變質(zhì)灰?guī)r等，巖石較堅(jiān)硬完整，巖溶不發(fā)育。巖體中隨機(jī)分布小的斷層及順層擠壓破碎帶。趾板基座回填混凝土大部分建于弱風(fēng)化下段巖體上，部分為微新巖體。

右岸趾板部位地形坡度60°～65°，局部達(dá)72°。建基巖體為厚層～巨厚層狀，局部薄層狀白云變質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，局部含絹云母變質(zhì)灰?guī)r等，巖石較堅(jiān)硬，巖溶不發(fā)育。趾板未發(fā)現(xiàn)大的斷層及層間擠壓破碎帶，巖體中有隨機(jī)分布小斷層及順層擠壓破碎帶。右岸低高程巖體風(fēng)化卸荷較淺，強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段，弱卸荷、弱風(fēng)化下段水平深度分別為2 m和 55～65 m；高高程強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段，弱卸荷、弱風(fēng)化下段水平深度分別為51～65 m和 110 m。

3 趾板設(shè)計(jì)

3.1 趾板布置

本工程趾板布置的基本原則為：趾板基礎(chǔ)原則上座落在堅(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的弱風(fēng)化至新鮮基巖上，對(duì)于強(qiáng)卸荷巖體需加強(qiáng)固結(jié)灌漿處理；趾板線布置盡可能平順；為避免開挖工程量過大，可適當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)折點(diǎn)；趾板線盡可能避開斷裂發(fā)育和風(fēng)化強(qiáng)烈等不利地質(zhì)條件地基，減少趾板基礎(chǔ)的開挖和處理工作量。依據(jù)上述原則，并結(jié)合地質(zhì)條件和大壩布置要求，趾板線擬定中，趾板基本沿地形布置，為了減少開挖量，采用等寬窄趾板+防滲板的布置形式。趾板建基面大部分置于弱風(fēng)化上段強(qiáng)卸荷巖體上，河床段趾板建基面為弱風(fēng)化～新鮮巖體。趾板采用結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單的平趾板，施工方便，并且易于固結(jié)灌漿和帷幕灌漿作業(yè)。

3.2 趾板定線

通常趾板以“X”線(即面板底面與趾板底面的交線)作為趾板的基準(zhǔn)線，但對(duì)于高陡狹窄河谷面板堆石壩，由于其兩岸趾板線與河流夾角較小，常出現(xiàn)“X”線超出趾板區(qū)域情況，增加了趾板施工放線難度，同時(shí)拐點(diǎn)處接頭趾板設(shè)計(jì)和施工難度亦較大。該工程壩址區(qū)河谷狹窄，趾板以拐點(diǎn)和厚度變化處為界，共有8段，其中，5段“X”線位于趾板區(qū)域之外，1段垂直于壩軸線，結(jié)合“V”形河谷特點(diǎn)，最終選擇“Z”線(即面板底面與趾板下游表面的交線)作為趾板設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)線，這樣不僅拐點(diǎn)數(shù)量較少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于接頭段設(shè)計(jì)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工放線更便捷、簡(jiǎn)單，從目前現(xiàn)場(chǎng)施工情況看效果較好。所以，對(duì)于狹窄河谷的趾板定線，建議采用“Z”線。

3.3 趾板寬度、厚度確定

為防止趾板基礎(chǔ)發(fā)生滲透破壞，趾板寬度必須滿足水力梯度要求。按照規(guī)范要求及參考類似工程，本工程趾板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)允許水力比降按15左右控制，可研階段依此初定河床段趾板寬10 m，兩岸趾板寬度根據(jù)水頭采用8 m和6 m；技施階段，考慮到本工程兩岸山體陡峻，采用較寬趾板，不僅趾板斷面不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)開挖量較大并增加了邊坡開挖高度及支護(hù)量，且工期相對(duì)較長(zhǎng)，為此，對(duì)趾板寬度和防滲形式進(jìn)行了適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終采用“等寬窄趾板+防滲板”的形式，其中，河床趾板寬10.0 m，兩岸趾板等寬均為6.0 m，根據(jù)水力梯度要求，河床段趾板后防滲板寬約10.0 m，1 740 m 高程以下兩岸趾板后防滲板寬8.0 m，為安全起見，兩岸趾板下游的基巖面20 m范圍內(nèi)進(jìn)行噴混凝土以延長(zhǎng)滲徑。防滲板與趾板間設(shè)銅片止水，防滲板和噴混凝土不僅有防滲作用，同時(shí)兼顧趾板基礎(chǔ)固結(jié)、帷幕灌漿蓋重作用。

趾板厚度確定應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：①滿足趾板本身穩(wěn)定要求并考慮與相鄰面板厚度相適應(yīng)；②趾板能起到灌漿平臺(tái)的作用；③避免因溫度應(yīng)力引起的趾板裂縫；④滿足施工要求，面板底面以下的趾板高度應(yīng)滿足規(guī)范要求。趾板設(shè)計(jì)特征見表1。

表1 猴子巖面板堆石壩趾板設(shè)計(jì)特征

注：由于河谷狹窄和面板底面以下趾板高度要求等因素，兩岸趾板厚度大部分超過表中值。

3.4 趾板混凝土、分縫及配筋

趾板作為面板與防滲帷幕之間的連接結(jié)構(gòu)，要求混凝土具有良好的抗?jié)B性和耐久性。由于趾板厚度較薄，受施工條件、地質(zhì)條件和基礎(chǔ)約束影響很大，故要求趾板混凝土無論在施工期還是運(yùn)行期均須具有良好抗裂性能。鑒于耐久性和抗裂抗?jié)B要求，趾板混凝土采用C30W12F100混凝土，混凝土中添加聚乙烯醇纖維。

趾板鋼筋布置在頂部，為單層雙向鋼筋，每向配筋率為0.4%。在周邊縫側(cè)的趾板混凝土中還增設(shè)抗擠壓鋼筋。

為加強(qiáng)趾板與基礎(chǔ)的連接，保證趾板在灌漿壓力及其他外力作用下的穩(wěn)定，趾板設(shè)置φ28和φ32的錨筋，錨筋采用梅花型布置，錨筋間、排距為 1.2 m，頂端用90°彎鉤與趾板鋼筋連接。

趾板采取連續(xù)、不設(shè)永久縫的布置方式，為防止連續(xù)趾板在施工期出現(xiàn)收縮裂縫，采用分序跳塊澆筑的施工方法，每12～16 m留一個(gè)1 m寬的后澆帶，澆筑間距時(shí)間大于90 d，后澆塊具有微膨脹性。對(duì)于施工縫，要求清除縫面疏松物并鑿毛，在澆筑混凝土前涂水泥漿處理并嵌填“GBW”遇水膨脹止水條，鋼筋穿過施工縫。

表2 回填基礎(chǔ)穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算成果

3.5 河床趾板回填基礎(chǔ)(趾墻)設(shè)計(jì)

猴子巖壩址地形狹窄，基坑深達(dá)70 m，基底最窄處約為7 m，為減小基坑涌水對(duì)河床段趾板施工的影響和改善河床基坑施工條件，考慮河床深槽部位設(shè)置基礎(chǔ)回填混凝土。招標(biāo)階段河床深槽回填混凝土擬定的斷面較大，頂部順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)80 m，最大高度14 m，回填C20碾壓混凝土，技施階段為進(jìn)一步減少回填混凝土量、方便施工，根據(jù)計(jì)算分析，將河床深槽由回填碾壓混凝土調(diào)整為回填常態(tài)混凝土，高度降低為6.5 m，頂部順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度減小為40 m。

高趾墻結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，目前尚無規(guī)程規(guī)范提出專門要求，已建工程的穩(wěn)定分析大多參照重力壩的有關(guān)要求，趾墻穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算分析過程中，墻體自重、水壓力及揚(yáng)壓力均較準(zhǔn)確計(jì)算，其所受填土土壓力如何計(jì)算問題，尚有不同認(rèn)識(shí)。美國(guó)面板壩專家謝臘德認(rèn)為，高趾墻設(shè)計(jì)不能考慮堆石的支持作用，尤其不能考慮其被動(dòng)土壓力，以免發(fā)生不容許的位移，由于高趾墻近于重力壩的尺寸，這種設(shè)計(jì)好像是穩(wěn)定的，然而，仔細(xì)分析混凝土的重力與水壓力之間的關(guān)系對(duì)于這種高趾墻是與重力壩完全不同的，高趾墻需設(shè)計(jì)成大體積混凝土結(jié)構(gòu)，水壓力直接傳到地基，不要依靠堆石的穩(wěn)定作用。澳大利亞設(shè)計(jì)導(dǎo)則認(rèn)為，在趾板穩(wěn)定計(jì)算中可以考慮堆石在水壓力作用下產(chǎn)生的側(cè)向壓力(泊桑效應(yīng))，按實(shí)測(cè)資料，其側(cè)壓力系數(shù)約為0.25。國(guó)內(nèi)曹克明等專家認(rèn)為，更合理的設(shè)計(jì)是考慮堆石的靜止土壓力作用，只考慮主動(dòng)土壓力偏于保守。根據(jù)美國(guó)新國(guó)庫(kù)壩觀察資料分析，在施工期墻后堆石到達(dá)接觸面頂部高程時(shí)，堆石作用于趾墻上的土壓力達(dá)到最大，平均土壓力達(dá)到最大土壓力處的堆石自重的0.38，此后土壓力系數(shù)隨填筑高度高出墻頂后逐漸減小，在壩頂高出墻頂50 m時(shí)，其系數(shù)為0.31，到達(dá)壩頂高程時(shí)為0.26，水庫(kù)蓄水滿庫(kù)時(shí)堆石壓力增加約10%，增加量并不顯著。根據(jù)DL/T5016—2011《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，壩體堆石體可按主動(dòng)土壓力計(jì)算。

綜上，并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，該工程河床回填混凝土穩(wěn)定分析參照重力壩的有關(guān)要求采用材料力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，墻頂高程以上填土及水體通過面板傳遞的壓力按均布荷載作用于墻后填土及墻頂上。

由于面板以上土荷載及水荷載考慮按均布荷載全部傳遞到墻頂及墻后填土上，此部分荷載如何傳遞及傳遞量值多少目前尚無一致說法，基于此，按面板以上土荷載及水荷載的60%和40%通過面板作用于墻頂及墻后填土上進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算結(jié)果表明，此部分荷載的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。計(jì)算結(jié)果見表2。

上述穩(wěn)定分析中，由于回填基礎(chǔ)邊界條件復(fù)雜，其受力做了一定的的簡(jiǎn)化處理，尤其是面板上部水壓力及土重對(duì)深槽回填混凝土作用采用不同的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算成果相差較大。出于安全考慮，本工程回填基礎(chǔ)頂寬取40 m，筆者認(rèn)為，隨著計(jì)算模型的進(jìn)一步完善，回填基礎(chǔ)寬度是否還有優(yōu)化余地值得探討。

4 趾板基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

對(duì)于趾板區(qū)內(nèi)的斷層破碎帶、擠壓破碎帶及卸荷裂隙夾泥等地質(zhì)缺陷，要求全部或部分清除其充填物，然后用混凝土回填處理。挖槽寬度為破碎帶的最大寬度，深度為寬度的1～1.5倍，長(zhǎng)度為通過趾板基礎(chǔ)的長(zhǎng)度加上墊層料底部長(zhǎng)度，挖除后回填混凝土并在其表面布置限裂筋。

為防止趾板與基巖接觸面產(chǎn)生滲流接觸沖刷破壞，增強(qiáng)表層巖體的抗?jié)B性，提高趾板基礎(chǔ)巖體的整體性，改善巖體的力學(xué)性能和防滲性，對(duì)趾板部位進(jìn)行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理。固結(jié)灌漿沿趾板“Z”線布置，6 m寬趾板設(shè)置4排，10 m寬趾板設(shè)置6排。采用梅花型布置，孔距2 m。固結(jié)灌漿孔深結(jié)合基礎(chǔ)強(qiáng)卸荷深度為15～35 m，在斷層破碎帶和裂隙密集區(qū)等地質(zhì)缺陷部位適當(dāng)加密加深。

5 結(jié) 語(yǔ)

猴子巖面板堆石壩為目前世界第二高混凝土面板堆石壩，壩高達(dá)223.5 m，地處狹窄河谷，兩岸地形不對(duì)稱，趾板結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較大難度。本文著重概括和闡述了猴子巖混凝土面板堆石壩趾板的布置、定線、寬度、厚度、趾板混凝土、分縫、配筋、河床趾板回填基礎(chǔ)(趾墻)、趾板基礎(chǔ)處理等設(shè)計(jì)成果，可為類似工程提供參考。