抽水蓄能電站高瀝青混凝土面板堆石壩設(shè)計

王櫻畯 趙琳 雷顯陽 孫檀堅(jiān)

摘要：江蘇省句容抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板堆石壩最大壩高182.3 m，目前在抽水蓄能電站中還沒有該類壩型壩高超過100 m的設(shè)計與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有必要遵循高堆石壩的設(shè)計理念，從壩坡穩(wěn)定、滲流控制、變形控制、面板及連接板設(shè)計等多方面進(jìn)行研究，從而確定技術(shù)方案。由于壩體利用庫盆開挖的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖巖脈混合料分區(qū)填筑，因而提出了滿足變形控制的壩料填筑孔隙率及級配要求。在面板及連接板以下設(shè)置了滿足反濾準(zhǔn)則的反濾料、過渡料。選用了更適應(yīng)抽蓄運(yùn)行工況、受力條件好的瀝青混凝土面板為防滲體，連接板結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了防滲體之間的可靠連接。研究成果可為壩高100 m以上的瀝青混凝土面板堆石壩工程建設(shè)提供參考和借鑒。

關(guān) 鍵 詞：瀝青混凝土面板堆石壩; 滲流控制; 變形控制; 面板防裂; 連接板; 抽水蓄能水電站

中圖法分類號： TV641 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.023

0 引 言

近年來隨著中國200 m級混凝土面板壩的建設(shè)，已積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時也開展了相關(guān)試驗(yàn)、理論研究，取得了寶貴的技術(shù)成果[1-4]。與混凝土面板堆石壩相比，瀝青混凝土面板堆石壩具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、無接縫滲漏量小、面板應(yīng)力分布均勻、施工快捷、缺陷修補(bǔ)方便等特點(diǎn)。目前，在中國已建、在建的60余座抽水蓄能電站中，瀝青混凝土面板堆石壩已廣泛應(yīng)用于天荒坪、寶泉、張河灣、西龍池、呼和浩特等諸多蓄能工程，其中西龍池下水庫大壩最大壩高97.4 m，為世界上已建最高的瀝青混凝土面板堆石壩[5-8]。隨著這些工程的建成，中國已經(jīng)掌握了現(xiàn)代瀝青混凝土面板堆石壩的設(shè)計和施工技術(shù)。但是，現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)僅限于100 m以下壩高的工程，隨著壩高增加，堆石體應(yīng)力、變形隨之增大，而且變形與壩高平方成正比，比應(yīng)力影響更明顯[9]。因此，為滿足中國100 m以上壩高的瀝青混凝土面板堆石壩工程設(shè)計與建設(shè)的需求，有必要開展深入研究和論證工作。

本文全面闡述了在建的江蘇省句容抽水蓄能電站的上水庫高瀝青混凝土面板堆石壩（主壩）結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，總結(jié)了設(shè)計特點(diǎn)。該工程壩高182.3 m，填筑料源復(fù)雜，大壩變形控制難度大，防滲結(jié)構(gòu)要求高，設(shè)計中以變形控制、變形協(xié)調(diào)為核心，從堆石材料選擇、壩體分區(qū)、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及級配、滲流控制、防滲面板類型比選及連接板變形等多方面進(jìn)行設(shè)計研究[10-12]，提出確保大壩安全的技術(shù)方案。相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)可為壩高在100 m以上的瀝青混凝土面板堆石壩設(shè)計提供借鑒與參考。

1 上水庫工程布置

1.1 工程地質(zhì)概況

上水庫位于侖山主峰西南側(cè)大哨溝的溝源坳地，東、北、西三面由高程288.30～400.40 m山脊及埡口組成，東南側(cè)為沖溝，溝底高程90.00～150.00 m。邊坡整體呈上陡下緩，北庫岸山脊坡度5°～15°，西庫岸和東庫岸山脊坡度20°～30°。高程200.00～260.00 m以上庫岸弱-微風(fēng)化白云巖大片出露，覆蓋層主要分布在庫盆中下部，溝底厚5～18 m。閃長玢巖脈呈NNW向密集侵入，巖體風(fēng)化深。

主壩位于大哨溝溝口，為“V”形谷，兩岸地形不對稱，巖性為硅質(zhì)白云巖，右岸閃長玢巖脈大量侵入。壩址區(qū)斷層發(fā)育，分布有F7、F8、F9等大小斷層11條，走向多為NNW向，中陡傾角。

1.2 上水庫總體布置

上水庫由主壩、副壩和庫周山嶺圍成，采用庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜防滲方案。主、副壩壩型均為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.40 m，主壩最大壩高182.30 m，壩頂長度811.45 m，壩頂寬度10.0 m;副壩最大壩高36.60 m，壩頂長度194.00 m，壩頂寬度8.5 m。庫盆由一庫底大平臺及庫周1∶1.7坡比的開挖坡形成，庫底平臺由半挖半填而成，平臺高程為236.50～237.00 m。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫容1 748萬m3（相應(yīng)于校核洪水位），有效庫容1 577萬m3。

上水庫平面布置以及庫盆石料場A、B及C區(qū)分布如圖1所示。其中，A、C區(qū)石料場開挖料主要為弱、微風(fēng)化白云巖，用于填筑大壩上游堆石區(qū)及過渡料區(qū);B區(qū)石料場玢巖巖脈發(fā)育，開采的弱、微風(fēng)化白云巖與玢巖混合料用于下游堆石及庫盆填筑。上水庫主壩和庫盆填筑總量近2 800萬m3。

2 上水庫主壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

上水庫主壩壩體典型斷面如圖2所示。壩體上游面坡比1∶1.7，采用瀝青混凝土面板防滲;下游面240 m高程以上坡比1∶1.9，以下坡比1∶1.8，每隔35 m設(shè)一級寬3 m的馬道，下游壩坡均采用“混凝土框格梁+混凝土預(yù)制塊+黏土植草”護(hù)坡。壩后設(shè)2個棄渣場（見圖1），渣場頂高程分別為175 m和180 m。

2.1 壩體分區(qū)

壩體分區(qū)原則為：從上游向下游的滲透性依次遞增（下游堆石區(qū)除外）;堆石區(qū)變形小，對面板形成支撐;壩體各區(qū)滿足變形協(xié)調(diào)要求;最大限度利用工程開挖料，料區(qū)劃分盡可能簡單[13-16]。瀝青混凝土面板下的壩體填筑材料分為墊層區(qū)、過渡區(qū)、增模區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)等。增模區(qū)設(shè)置于大壩壩頂以下20 m范圍內(nèi)（壩頂以下約1/6壩高范圍），采用弱、微風(fēng)化級配堆石料，孔隙率要求小于16%。墊層區(qū)及過渡區(qū)水平寬度分別為3.0，4.0 m。上、下游堆石區(qū)之間分界坡比為1∶0.4（傾向下游）。瀝青混凝土面板與庫底土工膜之間采用混凝土連接板銜接，連接板頂高程為237.00 m。連接板以下的壩體斷面分區(qū)為：反濾區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)。反濾區(qū)、過渡區(qū)的水平寬度分別為2.0，3.0 m，反濾區(qū)上游為庫盆回填的土石混合料。

2.2 壩體排水

為保證壩體排水，在下游堆石料下部設(shè)置堆石排水層，岸坡部位排水層厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m，河床寬約150 m。壩體及岸坡滲水向河床部位匯集后流向下游。主壩壩后棄渣場溝底設(shè)置排水箱涵，1.8 m（寬）×1.8 m（高）。此外，為保證大壩滲漏量觀測的準(zhǔn)確性，在大壩下游坡腳的排水箱涵之前設(shè)置量水堰擋墻及混凝土集水箱涵，集水箱涵內(nèi)的壩體滲水最終通過預(yù)埋鋼管引至排水箱涵內(nèi)。

2.3 筑壩材料

上水庫主壩填筑量為1 642萬m3，庫盆填筑量為1 124萬m3。根據(jù)土石方挖填平衡規(guī)劃，上水庫壩體及庫盆填筑料主要為上水庫庫盆、進(jìn)/出水口、調(diào)壓井井口及下水庫庫盆等開挖料，各種石料應(yīng)保證筑壩材料的質(zhì)量和良好的級配要求。為減少棄料，下游堆石料采用B區(qū)石料場開挖的弱、微風(fēng)化白云巖與蝕變閃長玢巖的混合料填筑。上水庫填筑料技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

2.4 穩(wěn)定分析

根據(jù)主壩的結(jié)構(gòu)與分區(qū)進(jìn)行壩坡靜動力穩(wěn)定分析。計算中的材料物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)壩料試驗(yàn)成果并結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)選取，采用簡化畢肖普法計算，成果匯總見表2。主壩的上、下游壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

3 上水庫主壩滲流控制

依據(jù)DL/T 5411-2009《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》，該工程墊層料要求級配連續(xù)，最大粒徑80 mm，小于5 mm顆粒含量在25%～40%，其滲透性屬半透水性，運(yùn)行期水荷載約30 m水頭。與承受高水頭的高堆石壩有所不同，墊層料可以起第二道防滲線的作用，提高滲流穩(wěn)定性。連接板237.00 m以下設(shè)置滿足反濾準(zhǔn)則的反濾料、過渡料，保護(hù)庫盆填筑的土石混合料細(xì)顆粒不被水力作用帶出。上水庫主壩墊層、反濾料及過渡料級配曲線如圖3所示。

4 上水庫主壩變形控制

4.1 堆石區(qū)分界坡比

試驗(yàn)表明，上水庫主壩下游堆石料采用的弱、微風(fēng)化白云巖與玢巖混合料質(zhì)量較差，其壓縮模量僅為上游堆石的1/3～1/4。因此，上、下游堆石區(qū)分界傾向下游坡比應(yīng)達(dá)到或接近1∶0.5，以保證變形協(xié)調(diào)。經(jīng)土石方挖填平衡分析，考慮到該工程石料較為緊張，上、下游堆石區(qū)分界采用傾向下游1∶0.4方案。

4.2 壩體填筑料

4.2.1 碾壓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)成果，對該工程大壩填筑料提出了壓實(shí)要求，見表1。適當(dāng)提高下游堆石料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（下游堆石區(qū)中全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖含量不超過33%），使壩體各區(qū)的壓縮模量相近，達(dá)到壩體變形協(xié)調(diào)的目的。墊層、過渡料、上游堆石、下游堆石分別要求孔隙率小于17%，18%，18%，17.6%，現(xiàn)場對上下游堆石料采用32 t大型振動碾碾壓8遍，加水10%，墊層料、過渡料采用26 t振動碾，碾壓8遍，孔隙率均可以滿足設(shè)計要求。通過上述措施，可控制上、下游堆石料的壓縮模量比不小于0.5。

4.2.2 上游堆石料級配要求

對于高堆石壩而言，合理的級配控制要求可以更有效地控制堆石體的填筑質(zhì)量，達(dá)到高壩變形控制與變形協(xié)調(diào)的設(shè)計目標(biāo)[17]。如表3所列[18]，3個碾壓參數(shù)基本相同的工程，孔隙率卻差別很大，可見堆石的不均勻系數(shù)Cu對堆石的孔隙率有重大影響。上游堆石料對大壩變形影響很大，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，要求上游堆石料Cu值大于14，曲率系數(shù)Cc值為1～3。

該工程提出的上游堆石料級配曲線及施工檢測成果如圖4～5所示。

4.3 壩頂以下設(shè)置增模區(qū)

該工程主壩抗震設(shè)防烈度為8度，在壩頂以下1/5～1/6壩高范圍內(nèi)，通過提高堆石密度，減小堆石孔隙率，可以有效地減小震后壩體變形及面板震損程度[19-21]。結(jié)合本工程上水庫弱、微風(fēng)化白云巖料源富裕量較少的實(shí)際情況，在壩頂以下20 m范圍內(nèi)設(shè)置增模區(qū)，要求孔隙率小于16%，碾壓層厚不超過60 cm。

此外，增模區(qū)還可以控制壩頂附近區(qū)域的流變變形、減少抽蓄電站運(yùn)行過程中泄蓄循環(huán)對壩體變形的影響。

4.4 壩體兩岸坡區(qū)域填筑料

主壩壩址區(qū)壩基巖性為白云巖，挖除覆蓋層后，兩岸石筍、石芽遍布，經(jīng)基礎(chǔ)處理后，仍有一定起伏差，直接填筑上游堆石料（最大粒徑70 cm）存在局部架空、難以壓實(shí)現(xiàn)象。為此在上、下游堆石區(qū)范圍的兩岸岸坡部位設(shè)置水平寬2.5 m的過渡料（最大粒徑30 cm），以保證壓實(shí)效果。

4.5 大壩預(yù)留沉降期

該工程要求瀝青混凝土面板施工前預(yù)留6～8個月左右的沉降周期，當(dāng)沉降速率連續(xù)3個月小于5 mm/月后方可鋪筑面板。

5 面板及連接板設(shè)計

5.1 面板比選

5.1.1 面板的結(jié)構(gòu)安全性

中國新近建成的高面板堆石壩的堆石性質(zhì)如表4所列[22]。根據(jù)實(shí)測資料，高堆石壩壓縮模量與巖石飽和抗壓強(qiáng)度、孔隙率、級配等因素有關(guān)。巖石飽和抗壓強(qiáng)度在60 MPa以上、孔隙率在18.0%左右的高堆石壩，其壓縮模量一般在100 MPa以上，這樣就可避免混凝土面板沿垂直縫的擠壓破壞。該工程石料場石料為白云巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度40～60 MPa，類比同類工程，其壓縮模量在60 MPa左右，達(dá)不到高壓縮模量值。同時，抽水蓄能電站的水庫水位頻繁變化，對運(yùn)行期變形影響不可忽視。溧陽抽水蓄能電站監(jiān)測資料表明（見圖6），運(yùn)行期上水庫大壩初始運(yùn)行期的變形速率甚至大于初期蓄水引起的變形速率，說明運(yùn)行期變形不僅有堆石流變，還受消落帶水荷載影響，甚至有抽水蓄能工程混凝土面板中下部位出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性拉裂。因此，采用混凝土面板存在一定的風(fēng)險。

混凝土面板由于設(shè)置了周邊縫、垂直縫等結(jié)構(gòu)縫，在運(yùn)行期存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。三維有限元計算分析表明，設(shè)計地震工況下，靜動應(yīng)力疊加后，面板順坡向最大拉應(yīng)力達(dá)1.15 MPa，壩軸向最大拉應(yīng)力1.03 MPa，面板拉應(yīng)力分布區(qū)域大，受力條件差。而瀝青混凝土面板則無接縫，受力條件好。計算表明，瀝青混凝土面板大主應(yīng)變基本為壓應(yīng)變，最大值為0.42%。在反弧段由于水壓力作用方向呈弧形展開，面板產(chǎn)生向兩側(cè)的拉伸變形，小主應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，最大值為0.27%，小于設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)0.5%。面板應(yīng)變分布如圖7所示，面板應(yīng)變狀態(tài)總體良好。

5.1.2 防滲體的過渡與銜接

該工程上水庫采用全庫盆防滲，大壩與庫岸部位存在轉(zhuǎn)折連接。混凝土面板在轉(zhuǎn)折處受力條件差，而瀝青混凝土面板在平面轉(zhuǎn)彎處、斜坡與庫底連接處均采用弧面連接，可大大改善面板受力，同時便于攤鋪機(jī)施工。

5.1.3 滲漏量控制

該工程水資源寶貴，上水庫無徑流補(bǔ)充，采用瀝青混凝土面板防滲整體無接縫，滲漏量小。已建天荒坪、張河灣等工程水庫日滲漏量僅為總庫容的萬分之一。而混凝土面板防滲工程的滲漏量一般為總庫容的1/3 000左右，明顯偏大。

綜上所述，該工程主壩防滲體采用瀝青混凝土面板適宜可行。

5.2 混凝土連接板設(shè)計

連接板與瀝青混凝土面板、土工膜緊密連接，是易產(chǎn)生滲漏的薄弱環(huán)節(jié)。計算分析表明，正常蓄水位運(yùn)行時，連接板與瀝青混凝土具有較好的變形協(xié)調(diào)性，但連接板與土工膜錨固處存在不均勻變形問題，需通過局部適應(yīng)性措施予以解決。因此，將連接板基礎(chǔ)墊層向庫盆延伸約10 m，并在靠近連接板部位設(shè)置寬1 m、高度0.24 m的鼓包，此時土工膜局部拉伸應(yīng)變由3.75%顯著減小至0.67%。

連接板以下設(shè)置特殊墊層料、過渡料，滲透系數(shù)低，可起到限漏作用，滿足構(gòu)筑大壩防滲體第二道防線的要求[23]。特殊墊層料厚度1.6 m，為連續(xù)級配料，最大粒徑40 mm，小于5 mm顆粒含量40%～50%，其下部為厚度2 m的過渡料。

6 結(jié) 語

本文全面闡述了一壩高超180 m的抽水蓄能電站上水庫主壩的設(shè)計工作，其采用高瀝青混凝土面板堆石壩壩型。通過研究確定了合理可行的技術(shù)方案。壩體分區(qū)利用庫盆開挖的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖巖脈筑壩，達(dá)到了較好的土石方挖填平衡。通過控制填筑料級配，32 t大型振動碾碾壓8遍，滿足大壩滲流與變形控制的需要。結(jié)合工程特點(diǎn)，選擇適應(yīng)性較好的瀝青混凝土面板防滲，連接板結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了防滲體之間的可靠連接。

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（編輯：鄭 毅）