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        抽水蓄能電站高瀝青混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)

        2022-04-01 02:44:35王櫻畯趙琳雷顯陽(yáng)孫檀堅(jiān)
        人民長(zhǎng)江 2022年1期
        關(guān)鍵詞:主壩堆石堆石壩

        王櫻畯 趙琳 雷顯陽(yáng) 孫檀堅(jiān)

        摘要:江蘇省句容抽水蓄能電站上水庫(kù)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(méi)有該類(lèi)壩型壩高超過(guò)100 m的設(shè)計(jì)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),有必要遵循高堆石壩的設(shè)計(jì)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(jì)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(kù)盆開(kāi)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(mǎn)足變形控制的壩料填筑孔隙率及級(jí)配要求。在面板及連接板以下設(shè)置了滿(mǎn)足反濾準(zhǔn)則的反濾料、過(guò)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(jì)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(lèi)號(hào): 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(lái)隨著中國(guó)200 m級(jí)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(shí)也開(kāi)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(wú)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(guó)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(kù)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(guó)已經(jīng)掌握了現(xiàn)代瀝青混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)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(mǎn)足中國(guó)100 m以上壩高的瀝青混凝土面板堆石壩工程設(shè)計(jì)與建設(shè)的需求,有必要開(kāi)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(kù)高瀝青混凝土面板堆石壩(主壩)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,總結(jié)了設(shè)計(jì)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(jì)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(jí)配、滲流控制、防滲面板類(lèi)型比選及連接板變形等多方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[10-12],提出確保大壩安全的技術(shù)方案。相關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)提供借鑒與參考。

        1 上水庫(kù)工程布置

        1.1 工程地質(zhì)概況

        上水庫(kù)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(kù)岸山脊坡度5°~15°,西庫(kù)岸和東庫(kù)岸山脊坡度20°~30°。高程200.00~260.00 m以上庫(kù)岸弱-微風(fēng)化白云巖大片出露,覆蓋層主要分布在庫(kù)盆中下部,溝底厚5~18 m。閃長(zhǎng)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(duì)稱(chēng),巖性為硅質(zhì)白云巖,右岸閃長(zhǎng)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(kù)總體布置

        上水庫(kù)由主壩、副壩和庫(kù)周山嶺圍成,采用庫(kù)岸瀝青混凝土面板+庫(kù)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(zhǎng)度811.45 m,壩頂寬度10.0 m;副壩最大壩高36.60 m,壩頂長(zhǎng)度194.00 m,壩頂寬度8.5 m。庫(kù)盆由一庫(kù)底大平臺(tái)及庫(kù)周1∶1.7坡比的開(kāi)挖坡形成,庫(kù)底平臺(tái)由半挖半填而成,平臺(tái)高程為236.50~237.00 m。正常蓄水位267.00 m,死水位239.00 m,總庫(kù)容1 748萬(wàn)m3(相應(yīng)于校核洪水位),有效庫(kù)容1 577萬(wàn)m3。

        上水庫(kù)平面布置以及庫(kù)盆石料場(chǎng)A、B及C區(qū)分布如圖1所示。其中,A、C區(qū)石料場(chǎng)開(kāi)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(guò)渡料區(qū);B區(qū)石料場(chǎng)玢巖巖脈發(fā)育,開(kāi)采的弱、微風(fēng)化白云巖與玢巖混合料用于下游堆石及庫(kù)盆填筑。上水庫(kù)主壩和庫(kù)盆填筑總量近2 800萬(wàn)m3。

        2 上水庫(kù)主壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        上水庫(kù)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(jí)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(gè)棄渣場(chǎng)(見(jiàn)圖1),渣場(chǎng)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(duì)面板形成支撐;壩體各區(qū)滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)要求;最大限度利用工程開(kāi)挖料,料區(qū)劃分盡可能簡(jiǎn)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(guò)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(jí)配堆石料,孔隙率要求小于16%。墊層區(qū)及過(guò)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(kù)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(guò)渡區(qū)、上游堆石區(qū)。反濾區(qū)、過(guò)渡區(qū)的水平寬度分別為2.0,3.0 m,反濾區(qū)上游為庫(kù)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(chǎng)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(guān)測(cè)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(guò)預(yù)埋鋼管引至排水箱涵內(nèi)。

        2.3 筑壩材料

        上水庫(kù)主壩填筑量為1 642萬(wàn)m3,庫(kù)盆填筑量為1 124萬(wàn)m3。根據(jù)土石方挖填平衡規(guī)劃,上水庫(kù)壩體及庫(kù)盆填筑料主要為上水庫(kù)庫(kù)盆、進(jìn)/出水口、調(diào)壓井井口及下水庫(kù)庫(kù)盆等開(kāi)挖料,各種石料應(yīng)保證筑壩材料的質(zhì)量和良好的級(jí)配要求。為減少棄料,下游堆石料采用B區(qū)石料場(chǎng)開(kāi)挖的弱、微風(fēng)化白云巖與蝕變閃長(zhǎng)玢巖的混合料填筑。上水庫(kù)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(dòng)力穩(wěn)定分析。計(jì)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(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算,成果匯總見(jiàn)表2。主壩的上、下游壩坡穩(wěn)定均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        3 上水庫(kù)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(jì)規(guī)范》,該工程墊層料要求級(jí)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(xiàn)的作用,提高滲流穩(wěn)定性。連接板237.00 m以下設(shè)置滿(mǎn)足反濾準(zhǔn)則的反濾料、過(guò)渡料,保護(hù)庫(kù)盆填筑的土石混合料細(xì)顆粒不被水力作用帶出。上水庫(kù)主壩墊層、反濾料及過(guò)渡料級(jí)配曲線(xiàn)如圖3所示。

        4 上水庫(kù)主壩變形控制

        4.1 堆石區(qū)分界坡比

        試驗(yàn)表明,上水庫(kù)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?jī)H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(jì)標(biāo)準(zhǔn)

        結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)成果,對(duì)該工程大壩填筑料提出了壓實(shí)要求,見(jiàn)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(guò)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(guò)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(chǎng)對(duì)上下游堆石料采用32 t大型振動(dòng)碾碾壓8遍,加水10%,墊層料、過(guò)渡料采用26 t振動(dòng)碾,碾壓8遍,孔隙率均可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)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(jí)配要求

        對(duì)于高堆石壩而言,合理的級(jí)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(jì)目標(biāo)[17]。如表3所列[18],3個(gè)碾壓參數(shù)基本相同的工程,孔隙率卻差別很大,可見(jiàn)堆石的不均勻系數(shù)Cu對(duì)堆石的孔隙率有重大影響。上游堆石料對(duì)大壩變形影響很大,結(jié)合類(lèi)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(jí)配曲線(xiàn)及施工檢測(cè)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(guò)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(kù)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(guò)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(guò)程中泄蓄循環(huán)對(duì)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(guò)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(gè)月左右的沉降周期,當(dāng)沉降速率連續(xù)3個(gè)月小于5 mm/月后方可鋪筑面板。

        5 面板及連接板設(shè)計(jì)

        5.1 面板比選

        5.1.1 面板的結(jié)構(gòu)安全性

        中國(guó)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(cè)資料,高堆石壩壓縮模量與巖石飽和抗壓強(qiáng)度、孔隙率、級(jí)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(chǎng)石料為白云巖,巖石飽和抗壓強(qiáng)度40~60 MPa,類(lèi)比同類(lèi)工程,其壓縮模量在60 MPa左右,達(dá)不到高壓縮模量值。同時(shí),抽水蓄能電站的水庫(kù)水位頻繁變化,對(duì)運(yùn)行期變形影響不可忽視。溧陽(yáng)抽水蓄能電站監(jiān)測(cè)資料表明(見(jiàn)圖6),運(yùn)行期上水庫(kù)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(shuō)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(xiǎn)。

        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(jì)算分析表明,設(shè)計(jì)地震工況下,靜動(dòng)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(wú)接縫,受力條件好。計(jì)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(kāi),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(jì)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(guò)渡與銜接

        該工程上水庫(kù)采用全庫(kù)盆防滲,大壩與庫(kù)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(kù)底連接處均采用弧面連接,可大大改善面板受力,同時(shí)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(kù)無(wú)徑流補(bǔ)充,采用瀝青混凝土面板防滲整體無(wú)接縫,滲漏量小。已建天荒坪、張河灣等工程水庫(kù)日滲漏量?jī)H為總庫(kù)容的萬(wàn)分之一。而混凝土面板防滲工程的滲漏量一般為總庫(kù)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(jì)

        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(jì)算分析表明,正常蓄水位運(yùn)行時(shí),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(wèn)題,需通過(guò)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(kù)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(shí)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(guò)渡料,滲透系數(shù)低,可起到限漏作用,滿(mǎn)足構(gòu)筑大壩防滲體第二道防線(xiàn)的要求[23]。特殊墊層料厚度1.6 m,為連續(xù)級(jí)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(guò)渡料。

        6 結(jié) 語(yǔ)

        本文全面闡述了一壩高超180 m的抽水蓄能電站上水庫(kù)主壩的設(shè)計(jì)工作,其采用高瀝青混凝土面板堆石壩壩型。通過(guò)研究確定了合理可行的技術(shù)方案。壩體分區(qū)利用庫(kù)盆開(kāi)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(guò)控制填筑料級(jí)配,32 t大型振動(dòng)碾碾壓8遍,滿(mǎn)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(jì)保證了防滲體之間的可靠連接。

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        (編輯:鄭 毅)

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