陳 強,閆 勇

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

官地水電站樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔和中孔、消力池、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，碾壓混凝土重力壩最大壩高168m。大壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為：按500年一遇洪水設(shè)計，相應(yīng)流量為14 000m3/s；按5000年一遇洪水校核，相應(yīng)流量為15 900m3/s。

樞紐區(qū)屬高山峽谷地形，河谷呈基本對稱的“V”型，臨江坡高大于700m，谷坡較陡峻，左岸地形坡度40°～50°，局部段35°～40°；右岸35°～40°，局部段達(dá)50°～60°。

根據(jù)“5·12”地震的研究成果，本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，設(shè)計基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g。

2 樞紐布置設(shè)計

樞紐區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，壩址河谷狹窄，巖體風(fēng)化卸荷較深，泄洪流量大、泄洪水頭高。樞紐布置較困難，泄洪消能設(shè)施自身結(jié)構(gòu)安全問題突出；大壩下游兩岸邊坡分布覆蓋層邊坡，泄洪霧化對下游邊坡安全影響較大。

為解決上述困難，樞紐布置設(shè)計時充分考慮了現(xiàn)場實際條件。采用全地下廠房方案和岸塔式進(jìn)水口，大壩與引水發(fā)電系統(tǒng)獨立布置，施工時互不干擾。充分利用下游天然水深相對較深、河床基巖條件較好等特點，采用底流泄洪消能形式，盡量減少泄洪霧化對下游兩岸邊坡穩(wěn)定的影響，減少了邊坡處理工程量。采用混凝土重力壩方案，充分利用一部分卸荷巖體作為建基面，減少了壩基及壩肩邊坡的開挖規(guī)模。采用大壩中部5個表孔+2個中孔集中泄洪的方式，泄洪設(shè)施集中，有利減少泄洪消能系統(tǒng)對碾壓施工的干擾，便于運行管理；同時有利于下泄水流歸槽。在大壩上設(shè)置了左、右兩個中孔，后期導(dǎo)流時利用中孔泄洪，避免了單獨設(shè)置泄洪洞，減少了投資，降低了導(dǎo)流洞的封堵難度。在后期導(dǎo)流期間，利用中孔還可以泄放生態(tài)流量。

樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩擋水、右岸首部地下廠房、壩體5個表孔+2個中孔泄洪(壩身承擔(dān)全部泄洪流量)、底流消能的樞紐布置方案。引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸地下。樞紐總布置見圖1。

3 碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

大壩碾壓混凝土量約占總混凝土方量的85%。為充分發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點，官地碾壓混凝土重力壩為全斷面碾壓形式。碾壓混凝土重力壩在體型上力求簡單和方便施工，同時還應(yīng)使壩體能滿足結(jié)構(gòu)布置、功能等要求。

3.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

官地碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 334.00m，最大壩高168.00m，壩頂長度516.00m，最大壩底寬度153.2m。共24個壩段(見圖1)，從左至右由左岸擋水壩1～9號壩段、左中孔10號壩段、溢流壩11～14號壩段、右中孔15號壩段和右岸擋水壩16～24號壩段組成。大壩收縮縫間距一般在20～22m之間，大壩收縮縫采用切縫形成，可以使多個壩段組合形成一個整體碾壓單元。大壩不設(shè)縱縫。

壩體基本斷面為：壩上游折坡點高程1 240.00m，以上為直立面，以下坡度為1∶0.3；下游折坡點高程為1 315.33m，折坡點至壩頂為直立坡，折坡點以下為1∶0.75。通過綜合穩(wěn)定應(yīng)力計算分析，最終確定大壩體形。

3.2 壩體混凝土主要分區(qū)設(shè)計

典型溢流壩段壩體混凝土分區(qū)見圖2，典型擋水壩段混凝土分區(qū)見圖3。

圖1 官地水電站樞紐布置示意

大壩采用了“前堵后排”的防滲思路，上游以變態(tài)混凝土和二級配碾壓混凝土防滲為主，緊靠防滲區(qū)設(shè)壩體排水孔。通過三維滲流分析，上游迎水面采用C9025富膠二級配碾壓混凝土防滲，厚度4～7m；上游迎水面表面采用同標(biāo)號變態(tài)混凝土，厚度0.5m。壩體防滲主要采用上游迎水面0.5m厚變態(tài)混凝土與二級配碾壓防滲混凝土組合，并在壩體上游表面涂刷防滲涂層輔助防滲。上游變態(tài)混凝土和二級配碾壓混凝土施工質(zhì)量好壞對防滲效果影響較大，需加強溫控防裂措施，碾壓混凝土施工過程中嚴(yán)禁將該區(qū)域作為施工通道(避免防滲區(qū)被反復(fù)碾壓)。

基礎(chǔ)墊層采用2.0m厚的C9025常態(tài)混凝土。基礎(chǔ)墊層混凝土在實際施工過程中，需開展溫控防裂設(shè)計，必要時可采取分塊澆筑后并縫等措施。墊層混凝土經(jīng)研究也可以減薄。

壩體內(nèi)部碾壓混凝土按高程分區(qū)，從下到上為C9025碾壓混凝土、C9020碾壓混凝土、C9015碾壓混凝土。

溢流面采用厚0.5m的抗沖耐磨C50常態(tài)混凝土；抗沖耐磨混凝土下設(shè)置一層平均3.0m厚的C25常態(tài)混凝土。抗沖耐磨混凝土以及下部的常態(tài)混凝土宜整體澆筑，并與下方的碾壓混凝土可靠連接，必要時也可加插筋加強連接。

圖2 典型溢流壩段分區(qū) 圖3 典型擋水壩段混凝土分區(qū)

壩體內(nèi)廊道周邊1.0m范圍內(nèi)采用所在部位同標(biāo)號變態(tài)混凝土，有利于減少混凝土入倉種類，方便碾壓施工。廊道周邊鋼筋較多，應(yīng)特別注意該區(qū)域變態(tài)混凝土的施工質(zhì)量。

3.3 壩體排水

大壩壩體上游側(cè)在不同高程布置4排縱向排水廊道，廊道之間設(shè)有壩體排水孔，排水孔直徑15cm，間距3.0m，排水孔布置在上游二級配防滲碾壓混凝土的下游側(cè)。壩體中下游設(shè)兩排基礎(chǔ)輔助縱向排水廊道，廊道上部布置壩體排水孔，排除壩內(nèi)入滲水流。壩體排水孔可通過預(yù)埋盲溝管等方式形成，也可通過后期壩體內(nèi)鉆孔形成。

3.4 壩體廊道布置

重力壩內(nèi)設(shè)置廊道和直井將削弱壩體斷面，在其周圍易引起應(yīng)力集中，同時也給壩體碾壓等施工帶來不便，特別是斜坡廊道對作業(yè)面影響更大。因此，在滿足施工和運行要求的前提下，壩內(nèi)廊道的設(shè)置遵循盡可能減少廊道數(shù)量和尺寸，盡量以豎井替代斜井。高程相近的廊道，可盡可能考慮布置在同一高程上(比如基礎(chǔ)排水廊道)，這樣可以減少對碾壓混凝土的施工干擾。

帷幕灌漿廊道為方便灌漿施工，不同高程之間以斜坡廊道連接，其余壩體廊道不同高程之間基本以豎井相連。實際運行看，帷幕關(guān)鍵廊道宜盡量減少斜坡廊道，更多的采用豎井相連，這樣可減少對碾壓混凝土的施工干擾。

4 抗震防震研究設(shè)計

本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度；大壩地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計地震基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g，校核地震基巖水平峰值加速度取100年超越概率1%的值為0.415g。

在工程設(shè)計時，主要存在的問題有：當(dāng)前Ⅷ度地震烈度區(qū)高碾壓混凝土重力壩抗震防震措施尚沒有成功的實例可參考；大壩混凝土采用玄武巖骨料，混凝土彈性模量較大，大壩動力響應(yīng)較大，增大了抗震設(shè)防難度；此外，校核地震下大壩的抗震安全性評價標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)無規(guī)范可依據(jù)。

針對上述問題開展了專項研究，采用材料力學(xué)、線彈性和非線性動力有限元法進(jìn)行大壩抗震仿真研究，同時研究了地基變形模量、混凝土變形模量等對壩體抗震性能的影響，分析了壩體在超過設(shè)計地震烈度條件下的變形、破壞過程；開展了抗震措施研究。

大壩沿建基面及碾壓混凝土層間整體抗震穩(wěn)定采用材料力學(xué)法進(jìn)行計算，應(yīng)滿足剛體極限平衡法的安全性要求。采用線彈性和非線性動力有限元抗震分析，研究地震條件下動應(yīng)力分布范圍、材料破壞區(qū)域、破壞形式，極限抗震能力、鋼筋的限裂效果等。其抗震鋼筋布置的原則是，在設(shè)計地震條件下，按鋼筋混凝土塑性損傷本構(gòu)模型計算，控制損傷區(qū)域在較小的范圍。

研究表明，在靜力和動力荷載共同作用下，大壩壩踵位置、大壩中上部表面折坡處為地震響應(yīng)較大的區(qū)域，存在開裂的可能。

針對壩踵位置混凝土局部開裂問題，在滿足大壩強度、穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)將防滲帷幕往下游偏移。計算表明，壩踵的開裂范圍未超過防滲帷幕，即便遭遇地震破壞也可保證大壩安全工作條件。輔助措施為：在壩體上游壩踵處回填粘土，即便壩踵開裂，粘土可輔助防滲。

針對大壩中、上部的折坡處存在局部開裂問題，主要采取的措施為：在大壩表面布置鋼筋網(wǎng)限制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，提高大壩上部混凝土強度等級。輔助抗震措施為：減少壩體體型突變，將混凝土表面折坡改為圓弧過渡，減輕大壩上部重量。鋼筋布置在大壩表面變態(tài)混凝土內(nèi)，可減少對碾壓施工的干擾。

通過地震荷載敏感性分析，采取抗震措施后，大壩最大可承受1.5倍設(shè)計地震作用。在校核地震工況下，假設(shè)大壩遭遇極端不利條件：即防滲帷幕破壞、水位無法降低、連續(xù)發(fā)生100年超越概率1%的地震的情況下，大壩沿各種滑動面“抗力/作用效應(yīng)”的比值大于1，表面大壩是穩(wěn)定的，仍然滿足“不潰壩”的要求。

5 泄洪消能設(shè)計

泄洪消能設(shè)計時，主要存在如下問題需要解決：壩址河谷狹窄，岸坡地質(zhì)條件較復(fù)雜；校核洪水流量為15 900m3/s，泄洪流量大，消力池底以上水頭達(dá)142m，泄洪總能量較高；常規(guī)消力池入池流速達(dá)45m/s以上。具有大落差、高流速、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點。官地高壩泄洪底流消能防沖的規(guī)模和技術(shù)難度在國內(nèi)外當(dāng)屬前列，需深入研究水流運動形態(tài)、紊動特性。高速水流帶來的氣蝕破壞、脈動壓力等作用，泄洪消能設(shè)施自身結(jié)構(gòu)安全問題突出；泄洪消能設(shè)施還應(yīng)盡量減少對碾壓混凝土施工的干擾。

針對上述問題開展了大量水工模型試驗研究論證工作，模型試驗比尺有1∶45、1∶80等。

5.1 泄洪消能整體設(shè)計

在河床中部壩體上集中布置泄洪消能設(shè)施，采用“溢流表孔寬尾墩布置+連續(xù)跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式”。設(shè)5個開敞式溢流表孔、壩體中部設(shè)2個中孔，見圖1。

溢流壩段共布置有5個溢流表孔，孔口尺寸為15m×19m，溢流堰頂高程1 311.00m，溢流堰面采用WES曲線；溢流壩段下游接消力池，消力池底高程為1 188.00m，池長167.50m，寬95.00m。消能形式為底流消能。

泄洪中孔分別布置在10號、15號壩段，孔口尺寸為5m×8m，孔口底高程1 240.00m。

溢流壩段泄洪消能結(jié)構(gòu)見圖4，溢流路徑由溢流堰頂WES曲線、直線段、反弧段組成，下游接消力池，跌坎高度為6.5m。堰頂閘墩設(shè)尾部寬尾墩，溢流面設(shè)兩道摻氣坎(槽)，摻氣槽內(nèi)設(shè)通氣孔。

采用河床中部集中布置泄洪消能設(shè)施的方式，充分利用天然河道地形，使下泄水流盡快恢復(fù)天然流態(tài)。開敞式溢流表孔具有較強的超泄能力，可解決泄洪流量大的問題。大壩溢流面、消力池頂面采用C50抗沖耐磨混凝土作為主要抗沖磨結(jié)構(gòu)。

圖4 溢流壩、消力池結(jié)構(gòu)示意

5.2 主要研究成果

5.2.1 合理確定了消力池跌坎高度，降低了消力池臨底流速

跌坎高度對消力池臨底流速、池底壓強、池內(nèi)流態(tài)和尾坎出口的水流形態(tài)均有直接關(guān)系。通過模型試驗論證研究，研究了不設(shè)跌坎、多種跌坎高度的情況，最終確定跌坎高度為6.5m。不設(shè)跌坎的情況，消力池臨底流速可達(dá)45m/s以上，在設(shè)置6.5m跌坎后，消力池臨底流速降低至20m/s以下。

5.2.2 消力池采用了對稱斜邊墻方案

官地水電站大壩下游消能區(qū)范圍內(nèi)兩岸岸坡地形具有明顯的“左陡右緩”特點，尤其是右岸岸坡的坡度較緩，若采用斜邊墻布置形式，有利于減少工程量，同時也增大了消力池的消能容積。模型試驗對直立邊墻和斜邊墻進(jìn)行了對比研究,水流流態(tài)試驗表明，消力池邊墻采用對稱斜坡布置后，消力池內(nèi)的水流流態(tài)良好。在主流區(qū)兩側(cè)有回流出現(xiàn)，但回流強度不大，從水流流態(tài)看，在合理調(diào)度運行方式下，兩側(cè)回流的存在對消力池的水流流態(tài)無明顯不利影響，一定程度上在如下兩個方面有利于水流流態(tài)的穩(wěn)定：

(1)與直立邊墻消力池方案相比，兩側(cè)回流的出現(xiàn)有助于避免“主流貼近兩側(cè)”流態(tài)的出現(xiàn)，具有穩(wěn)定水流流態(tài)的作用；

(2)采用斜坡消力池后，由于消力池體積增大，出池寬度增大，使消能更為充分，出池水流與下游河道的銜接也更為平穩(wěn)。

5.2.3 抗沖耐磨混凝土與下部混凝土可靠連接

大壩溢流面、消力池頂面采用C50抗沖耐磨混凝土作為主要抗沖磨結(jié)構(gòu)，厚度為50cm；抗沖耐磨混凝土下方設(shè)一層3m的常態(tài)混凝土過渡，常態(tài)混凝土下方為碾壓混凝土。

為增強抗沖耐磨混凝土的穩(wěn)定性，采取措施為：抗沖耐磨混凝土與下方常態(tài)混凝土整體澆筑，二者之間設(shè)插筋。

5.2.4 摻氣坎方案

通過模型試驗研究，設(shè)置兩道摻氣坎的方案，第一道摻氣坎設(shè)置在樁號0+045.800m處(寬尾墩墩尾斷面)，第二道摻氣坎設(shè)置在樁號0+070.000m處，坎高均為1.5m，坎后向下開挖1.5m×2.0m的摻氣槽。該方案在各工況下?lián)綒庑Ч己谩ＴO(shè)摻氣孔作為通風(fēng)通道，摻氣孔直徑1.6m。

5.2.5 細(xì)部結(jié)構(gòu)處理

底流消力池常見的破壞有：消力池底板在脈動壓力的作用下被破壞、掀翻；在消力池內(nèi)的雜物旋滾作用下底板、邊墻混凝土被磨損；泄洪調(diào)度運行不當(dāng)造成消力池局部破壞等。

針對上述情況，在底流消力池設(shè)計時，合理進(jìn)行了消力池分塊，加強了底板錨固作用，加強了底板板塊之間的連接，分縫處平整度、分縫寬度進(jìn)行了嚴(yán)格要求，分縫內(nèi)加強了止水設(shè)計防止紊動水流傳至底板下方；嚴(yán)格規(guī)定了泄洪調(diào)度運行方式，使下泄水流更加均勻、平穩(wěn)；確定了開展泄洪前消力池內(nèi)應(yīng)達(dá)到的最低水深。

5.2.6 其 他

通過對不同長度的消力池對水流特性影響的研究，消力池增長后，對出池水流流態(tài)有利，消力池內(nèi)臨底流速有所減小。推薦消力池長167.5m。

消力池總體消能率達(dá)65%～70%。

6 結(jié) 語

(1)官地水電站樞紐布置設(shè)計充分利用天然地形條件，主要建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，為實現(xiàn)碾壓混凝土快速和大倉面碾壓施工創(chuàng)造了條件。

(2)采取較優(yōu)的抗震措施解決了大壩抗震問題，抗震措施能較好的適應(yīng)了碾壓混凝土施工。

(3)通過大量水工模型試驗驗證，采用了較新的泄洪消能方案，增強了泄洪消能結(jié)構(gòu)安全。

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