海南瓊中抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)探析

葉祥飛，周 剛，李品君，王小平

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；2.海南蓄能發(fā)電有限公司， 海南?？?70100)

瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內(nèi)，電站主要以承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等為開發(fā)任務(wù)，總裝機(jī)容量600 MW。樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及下水庫(kù)等4部分組成。上水庫(kù)地處瓊中縣黎母山林場(chǎng)原大豐水庫(kù)，集雨面積5.41 km2，多年平均徑流量797.9萬m3，正常蓄水位567.00 m，死水位560.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容499.9萬m3，總庫(kù)容為933.3萬m3。上水庫(kù)主、副壩均采用瀝青混凝土心墻土石壩，其擋水、泄水建筑物按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核[1]。

1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上水庫(kù)在黎母山林場(chǎng)原大豐水庫(kù)位置分別修建主壩及兩座副壩圍洼而成。主、副壩均采用瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程570.00 m，壩頂寬度10.0 m。壩頂上游設(shè)防浪墻，下游設(shè)L形擋墻。主壩最大壩高32.00 m，壩軸線長(zhǎng)332.00 m；副壩1最大壩高24.00 m，壩軸線長(zhǎng)220.00 m；副壩2最大壩高14.00 m，壩軸線長(zhǎng)370.00 m，副壩2通過庫(kù)岸公路分別與主壩、副壩1相連接。

2.1 壩體分區(qū)

土石壩上、下游壩坡的穩(wěn)定性與壩高、建筑物等級(jí)、壩體填筑材料、壩基地質(zhì)條件、施工碾壓質(zhì)量、承受的荷載及坡面坡度等因素均有關(guān)[2]。該工程大壩筑壩材料主要為全強(qiáng)風(fēng)化料，上下游壩坡主要結(jié)合壩基強(qiáng)度、主要地質(zhì)構(gòu)造、壩料物理力學(xué)性質(zhì)及壩體排水方式，并根據(jù)壩坡穩(wěn)定分析與工程類比進(jìn)行擬定。

主、副壩采用瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂高程570.00 m，壩頂寬10.0 m。壩頂上下游均設(shè)花槽，最大壩高32.00 m，壩軸線長(zhǎng)332.00 m，上下游壩坡分別為1∶3與1∶2.7， 555.00 m高程處設(shè)一級(jí)馬道，寬4 m，下游綜合坡比1∶2.83。

壩體填筑料分區(qū)從上游至下游依次為干砌塊石護(hù)坡、碎石墊層、上游全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)、上游過渡區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡區(qū)、下游全強(qiáng)風(fēng)化料區(qū)和下游壩面草皮護(hù)坡，心墻上下游過渡層水平寬度均為2.0 m；另外，下游壩基清坡后設(shè)0.5 m厚的中砂反濾層，反濾層與全強(qiáng)風(fēng)化料間設(shè)2.0 m厚過渡層，作為下游壩體排水層。

2.2 筑壩材料

壩體上游設(shè)一級(jí)坡，坡比為1∶3.0，采用干砌塊石護(hù)坡，層厚0.5 m，石料粒徑均值30～50 cm，其底部設(shè)0.5 m厚碎石墊層兼反濾層，石料粒徑0.5～7 cm，護(hù)坡所需石料均從石料場(chǎng)取料，為新鮮花崗巖，其中碎石料由人工扎制而成。

大壩主體填筑料主要采用工程區(qū)開挖的全強(qiáng)風(fēng)化料，除液限ωL大于47%，塑性指數(shù)IP大于23.7，小于0.075 mm的顆粒含量大于45%的花崗巖全風(fēng)化表土層不能上壩外，其余土石料均可作為筑壩材料，碾壓后強(qiáng)度指標(biāo)要求干密度不小于1.80 g/cm3，壓實(shí)度98%，飽和密度不小于2.0 g/cm3，摩擦角一般狀態(tài)不小于25°。

瀝青混凝土心墻兩側(cè)各設(shè)2 m寬過渡料，為心墻提供均勻支撐，滿足心墻與全風(fēng)化料之間的變形過渡要求，過渡料應(yīng)且具有良好的排水性與滲透穩(wěn)定性，并滿足施工所需的承載力要求。過渡料由新鮮花崗巖人工扎制而成，最大粒徑80 mm，小于5 mm 粒徑含量為25%～40%，小于0.075 mm粒徑含量不超過5%，級(jí)配連續(xù)，碾壓后干密度不小于2.23 g/cm3。

下游壩基為條帶式水平與垂直排水系統(tǒng)，排水體采用扎制的人工碎石料，為弱風(fēng)化～新鮮石料，最大粒徑4 cm，碾壓后干密度2.18 g/cm3，孔隙率≤20%，灑水量5%，下游壩基部分設(shè)0.5 m厚的中砂作反濾層，中砂采用弱風(fēng)化～新鮮石料，人工扎制料，最大粒徑為5 mm，干密度2.21 g/cm3，灑水量3%。大壩各分區(qū)材料主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 筑壩材料主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 瀝青混凝土心墻

2.3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與要求

(1) 瀝青混凝土心墻應(yīng)具有良好的塑性性能，以適應(yīng)大壩的位移和筑壩時(shí)的震動(dòng)，不致產(chǎn)生裂縫。

(2)瀝青混凝土心墻與基礎(chǔ)的連接是防滲體的薄弱部分，應(yīng)確保連接部位的安全。

(3) 心墻滲透系數(shù)應(yīng)小于10-7cm/s，并具有水穩(wěn)定性，在長(zhǎng)期水的作用下，其力學(xué)強(qiáng)度應(yīng)保持在原有強(qiáng)度的85%以上。

(4)粗骨料宜采用堿性巖石(石灰?guī)r、白云巖等)破碎的碎石，當(dāng)采用酸性碎石時(shí)，應(yīng)采取增強(qiáng)骨料與瀝青黏附性的措施[3- 4]。

2.3.2 心墻布置

瀝青混凝土心墻沿主壩壩軸線全強(qiáng)風(fēng)化較薄部位，采用混凝土基座連接，基礎(chǔ)開挖至弱風(fēng)化基巖；兩副壩壩基全風(fēng)化層較厚，采用混凝土防滲墻連接。

考慮到瀝青混凝土心墻頂部與防浪墻相接，同時(shí)，為改善大壩受力條件，心墻軸線布置于壩頂中心線略偏上游位置；根據(jù)壩高，并結(jié)合施工碾壓要求，心墻采用0.5 m等厚度設(shè)計(jì)，考慮到瀝青混凝土具有粘彈塑性，在長(zhǎng)期水壓力作用下，心墻比基巖和混凝土構(gòu)件更容易變形，水壓力會(huì)使瀝青混凝土心墻產(chǎn)生一定的水平位移，因此，瀝青混凝土心墻同周邊的連接是防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，為增強(qiáng)防滲效果，心墻澆筑在混凝土基座或防滲墻上，并將連接部位的瀝青混凝土心墻厚度增加1～2倍。瀝青混凝土心墻與混凝土基座或防滲墻的接觸面采用平面連接。在心墻底部1 m高范圍內(nèi)做放大腳與混凝土結(jié)構(gòu)連接，底端厚0.8 m，心墻與混凝土結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一道銅止水，接觸面設(shè)2 cm厚砂質(zhì)瀝青瑪蹄脂，以增大粘結(jié)力并適應(yīng)心墻水平變形。

3 壩坡穩(wěn)定及滲流計(jì)算

根據(jù)筑壩材料的室內(nèi)三軸試驗(yàn)資料，整理鄧肯模型的力學(xué)參數(shù)，用GeoStudio 2007軟件對(duì)瀝青混凝土心墻土石壩進(jìn)行了二維非線性彈性E-B模型的有限元計(jì)算，主要計(jì)算分析內(nèi)容如下：①大壩在施工期、穩(wěn)定滲流期、上游水庫(kù)水位降落期和地震情況下的上、下游壩坡安全系數(shù)，滲透穩(wěn)定性；②大壩變形量和分布規(guī)律；③瀝青混凝土心墻的應(yīng)力分布，與混凝土基座和防滲墻之間的變形；④混凝土基座和防滲墻的變形及應(yīng)力分布；⑤瀝青混凝土和壩體及兩側(cè)過渡料的變形協(xié)調(diào)性。

3.3.1 壩坡穩(wěn)定與應(yīng)力變形

壩坡穩(wěn)定計(jì)算利用G-SLOPE/W進(jìn)行，計(jì)算選取主壩壩右0+160作為典型計(jì)算斷面，各工況下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果(主壩壩右0+160)

由表2可知，大壩上、下游壩坡在各運(yùn)行工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，大壩整體是穩(wěn)定的。

大壩壩體應(yīng)力與變形計(jì)算成果見表3及圖1、2。

表3 主壩應(yīng)力變形計(jì)算成果(主壩壩右0+160)

注：①水平向位移以向下游為正；②水位驟降指庫(kù)水位從正常蓄水位567.00 m短時(shí)間內(nèi)(約6 h)降至死水位560.00 m；③應(yīng)力以壓為正，拉為負(fù)．

圖1 正常蓄水位工況水平向位移等值線(單位：m)

圖2 正常蓄水位工況最大主應(yīng)力等值線(單位：kPa)

根據(jù)計(jì)算成果，各計(jì)算剖面在竣工期整體位移規(guī)律一致，上游壩體上下游的水平向位移分別指向上下游方向，垂直沉降最大值均出現(xiàn)在壩體中部靠上部位。由于壩高和下覆巖層的區(qū)別，各個(gè)剖面沉降量有所不同，主壩壩右0+040.000剖面最大壩高28 m，竣工期最大沉降量為15.3 cm，約占最大壩高的0.55%；主壩壩右0+160.000剖面最大壩高16 m，竣工期最大沉降量為6.08 cm，約占最大壩高的0.38%；各運(yùn)行工況下的位移變化規(guī)律也基本一致，在蓄水后，壩體產(chǎn)生向下游側(cè)的位移，沉降變大，考慮地震情況趨勢(shì)更加明顯，而水位驟降工況壩體整體向上游側(cè)位移，沉降略有增加。

從各剖面應(yīng)力分布情況分析，瀝青混凝土心墻的力學(xué)性質(zhì)與過渡料比較接近，從沉降等值線分析，變形較均勻，在心墻內(nèi)部沒有產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中。主壩變形總體協(xié)調(diào)性良好，分布規(guī)律基本合理，瀝青混凝土心墻不會(huì)發(fā)生拉裂破壞，心墻與基座的接觸部位分布有少量拉應(yīng)力區(qū)，但數(shù)值很小，不會(huì)造成心墻破壞。

3.3.2 滲流計(jì)算

上水庫(kù)防滲標(biāo)準(zhǔn)按1 Lu控制，防滲帷幕的滲透系數(shù)一般取1×10-5cm/s，帷幕有效厚度按1 m計(jì)，實(shí)際計(jì)算中為避免墻與帷幕接觸部位滲透系數(shù)突變太大，滲流場(chǎng)過于收斂，帷幕線按0.1 m厚建模，相應(yīng)的滲透系數(shù)按1×10-6cm/s進(jìn)行計(jì)算處理。計(jì)算采用G-SEEP/W軟件進(jìn)行，主壩典型剖面校核洪水位工況下壩體壩基滲流場(chǎng)水頭等勢(shì)線圖見圖3。大壩單寬滲流量見表4。

各工況下主壩水頭等勢(shì)線均集中在心墻-防滲墻-防滲帷幕中，浸潤(rùn)線的分布規(guī)律基本一致，在上下游滲透系數(shù)較高區(qū)域，浸潤(rùn)線基本為水平直線，在滲透系數(shù)較低的心墻中，浸潤(rùn)線近似豎直。心墻底部最高作用水頭29m，巖體透水率水平總體不高，以微透水和弱偏微透水為主，根據(jù)上水庫(kù)防滲處理范圍及方式，主壩壩體和單薄分水嶺帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)按q≤1Lu控制進(jìn)行24h滲漏量計(jì)算，計(jì)算成果表明，主壩正常蓄水位工況下，總滲漏量為48.49m3/d，滲漏量較小，壩體壩基的滲流量控制較為理想。

圖3 正常蓄水位工況水平向位移等值線(單位：mm)

表4 主壩應(yīng)力變形計(jì)算成果 m3/(d·m)

4 結(jié) 語

瓊中上水庫(kù)瀝青混凝土心墻土石壩于2014年底動(dòng)工， 2017年6月下閘蓄水，目前大壩整體運(yùn)行良好，根據(jù)最新的大壩變形與滲漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，均在正常范圍之內(nèi)，通過工程類比與計(jì)算分析確定的材料分區(qū)、防滲心墻與排水布置方案合理，瓊中上水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計(jì)是成功的，可為同類工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。