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1、混凝土面板堆石坝新技术在 公伯峡水电站中的应用陈念水( 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院)摘要本文简要介绍了公伯峡水电站面板堆石坝设计中采用的几项新技术，在新技术应用方面做了一些试验研究工作，。并在设计和工程中采用，取得了良好的效果。采用的新技术主要有：混凝土面板堆石坝的垫层区上游面采用挤压式混凝土边墙；混凝土面板堆石坝采用了电磁式沉降仪观测坝体沉降f 垫层区采用挤压边墙固坡。坝体分区设强透水区；面板一次性连续施工。现简要介绍于下，供参考。1 工程简介1 1 工程概况黄河公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处，距循化县城2 5 k m ，距西宁市1 5 3 k m
2、。距上游李家峡水电站7 6 k i n ，该电站是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中第四座大型梯级电站。本工程是以发电为主，兼顾灌溉、供水的一等大( I ) 型工程。水库正常蓄水2 0 0 5 0 0 m ，设计及校核洪水位分别为2 0 0 5 0 0 m 及2 0 0 8 2 8 m 。水库总库容6 3 亿m 3 ，调节库容0 7 5 亿m 3 ，为日调节水库。电站装机容量 1 5 0 0 M W ( 5 台单机容量3 0 0 M W 机组) ，保证出力4 9 2 M W ，多年平均发电量5 1 4 亿k w h 。电站以3 3 0 k v 一级电压出线，联人西北电网。本工程枢纽主要由大坝、引
3、水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。枢纽布置格局为：河床混凝土面板堆石坝( 坝高1 3 2 2 m ，坝顶长4 2 9 m ) 、右岸引水发电系统( 由引渠、5 个混凝土坝式进水口、5 条压力钢管、岸边地面厂房及3 3 0 k V 开关站组成) 、右副坝、左副坝、左右岸泄洪洞及左岸溢洪道，左右岸灌溉取水口。1 2 自然条件坝址区黄河流向N E 3 0 。5 0 。，河道平直，平水期河水位1 9 0 0 m ，水面宽4 0 6 0 m ，水深1 2 1 3 m ，该河段河床覆盖层厚5 1 3 m 。河谷不对称，右岸高程1 9 8 0 m 以下为岩质边坡，高程1 9 4 0 m 以上，坡度4 0
4、。5 0 。，以下岸坡陡立；高程1 9 8 0 m 以上为级阶她的砂混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究壤土和砂卵砾石层。左岸除高程1 9 3 0 0 m 、1 9 5 0 0 m 为坡积碎石覆盖的级阶地外，其余皆为岩边坡，平均坡度3 0 。左右，临河段有高约1 0 m 的陡立坡。坝址区主要岩性为：前震旦系片麻岩、云母石英片岩及石英岩；加里东期花岗岩；白垩系紫红色砂岩；第三系红色砾砂岩，第四系砂壤土及砂卵砾石等。坝址区地震基本烈度为7 度，大坝设防烈度为8 度。1 3 坝体布置大坝布置在主河床，为钢筋混凝土堆石坝，坝轴线方位N W 3 1 6 。3 57 1 3 2 ”。坝顶高程2 0 1 0 m
5、，最大坝高1 3 2 2 m ，坝顶长度4 2 9 m ，顶宽1 0 m ，混凝土面板上游坝坡1l1 4 ；下游坝坡1 ：1 5 一1t1 3 ，为干砌石护坡，并设有1 0 m 宽的“之”字形上坝公路，大坝下游综合坝坡为1 ：1 7 9 。坝顶设有高度为5 8 m 的“L ”墙与面板相接，墙底高程2 0 0 5 5 m 。由于河谷狭窄电站进水口紧挨右坝头，溢洪道紧挨左坝头布置，为此大坝右坝头与电站进水口衔接处及左坝头与溢洪道衔接处分别设有3 8 m 和5 0 m 的高趾墙与大坝面板相连接( 见图1 ) 。图1 平面图坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖( 1 A ) 及其盖重区(
6、 1 B ) 、 混凝土面板、垫层区( 2 A 厚3 m ) 、垫层小区( 2 B ) 、过渡区( 3 A 厚3 m ) 、主堆石区( 3 B黧黧鬻差蚤：蔫篓篓纛混凝土面板堆石坝新技术在公伯峡水电站中的应用I 一1 强透水区、3 B I 一2 堆石区及3 B 砂砾石区) 及下游次堆石区( 3 C ) ，详见大坝标准剖面图( 图2 ) 。图2 大坝标准剖面图2 大坝垫层区上游面采用挤压式混凝土边墙固坡传统的面板堆石坝施工中，上游垫层区均采用坡面超填3 0 4 0 c m 的垫层料，在填筑一定高度后，进行人工削坡整理，用斜坡碾反复碾压后再进行削坡整理、喷砂浆固坡等多道工序施工。采用这种传统的施工方
7、法，垫层区斜坡面密实度难以保证，施工工序复杂、垫层料超填量和人工削坡整理工作量大，且坡面易受雨水冲刷。为提高垫层区压实质量、简化施工工序、加快施工进度并减少垫层料用量，在国内首次采用垫层区上游面采用挤压式混凝土边墙固坡。挤压式混凝土边墙固坡，是在每填筑一层垫层料之前，沿着设计断面用拉摸施工成连续混凝土小墙( 墙高与垫层区每层填筑高度相等即4 0 c m ，墙顶宽l O c m ，上游坡同土面板堆石坝的上游坡，内侧坡比采用8 。1 以便于垫层料碾压) ，墙体混凝土应具有低强、低弹模、半透水( K 一1 0 - 3c m s 左右) 并凝固较快( 一般2 h 左右) 的性能。墙体筑成后即可铺设垫层
8、料并进行碾压。施工实践表明采用挤压式混凝土边墙固坡达到了预想的目的。坝体三维应力应变分析计算表明：运行期挤压墙顺坡向的压应力为2 0 3 6 M P a ，轴向压应力为2 2 - - 3 6 M P a ，远大于墙体的抗压强度( 5 1 0 M P a ) ，因此运行期的挤压墙已被压碎，其性能基本与垫层相同；有无挤压墙时面板挠度分别为2 7 3 c m 和2 8 1 c m ；面板顺坡向拉应力分别为3 4 6 M P a 和3 5 2 M P a 、面板压应力分别为6 8 M P a 和7 1 M P a ，有挤压墙的计算值反略小，因此认为挤压墙对面板的应力、应变无不利影响，挤压墙不会影响面板
9、安全运行。3采用电磁式沉降仪观测混凝土面板堆石坝坝体沉降由于公伯峡水电站河床覆盖层较薄( 为3 - - 1 0 m ) ，因此，坝基覆盖层全部挖除，混凝土面板堆石坝均坐落在基岩上。由于第一层水管式沉降仪在1 9 2 0 0 0 m 高程，以下还有4 0 多米坝体及基础沉陷在施工期未能全过程监测，为此采用两套电磁式沉降仪监测1 9 2 0 0 0 m 以下坝体及基础沉陷并可与水管式沉降仪互补，电磁式沉降仪，沿测线垂直方混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究向每5 m 设置一个测点并深入基岩1 0 m 。电磁式沉降仪的观测成果表明：各测点的沉降量随着大坝填筑高度的增加和时间的推移而逐渐增大，并逐渐趋于稳定
10、，这与水管式沉降仪各测点沉降过程线所揭示的规律是一致的，与以往堆石坝观测资料的规律也是一致的；坝体沉降较大区域发生在坝高1 2 处及其下部( 位于高程1 9 0 1 1 9 5 0 m 处) ，与水管式沉降仪所测沉降值较大区域( 高程1 9 2 0 0 1 9 5 0 0 m ) 是吻合的，与三维有限元计算结果一致；2 0 0 4 年5 月1 4 日电磁式沉降仪测得最大沉降值为4 0 5 m m ，而水管式沉降仪所测最大沉降量为3 4 8 m m ，均比计算最大沉降量小，水管式沉降仪测值偏小主要是未反映出在仪器埋设安装期间( 一个多月) 坝体的沉降量。从观测资料成果看，用电磁式沉降仪所测资料来
11、分析大坝坝体沉降量并评判坝体填筑质量是可信的。4 坝体分区设计中设置强透水区公伯峡水电站原设计坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖( 1 A )及其盖重区( 1 B ) 、混凝土面板、垫层区( 2 A ) 、垫层小区( 2 B ) 、过渡区( 3 A ) 、主堆石I 区、主堆石区及下游次堆石区( 3 C ) 。由于公伯峡坝址地质条件复杂，主体工程开挖后发现岩性变化规律性差，枢纽工程开挖的可作为筑坝料的数量、质量与发包设计均有很大变化，特别是作为主堆石的花岗岩岩石。在现场，根据公伯峡水电站枢纽工程实际开挖堆存在开关站及左岸桥头的可利用的上坝料( 弱风化、强风化花岗岩和弱风化片岩)
12、进行现场碾压试验，试验表明，主堆石( 3 BI ) 小于5 m m 的颗粒含量远大于8 ，大多在2 0 左右( 最大达2 6 ) 。同时，渗透系数K 小于设计值1 0 ，且等于或小于垫层区( 2 A ) 、过渡区( 3 A ) 的渗透系数，与混凝土面板堆石坝坝体渗透系数从垫层区( 2 A ) 、过渡区( 3 A ) 、主堆石区逐级加大的设计思路不符。究其原因主要是公伯峡水电站枢纽工程开挖料中的花岗岩( 弱、强风化花岗岩) 岩石颗粒较粗，剪切时易破坏，碾压时易碎。设计上既要充分利用枢纽工程开挖料又要遵循混凝面板堆石坝设计原则，确保工程安全，提出对坝体分区进行优化，以最大限度地利用枢纽工程开挖料。
13、经研究、分析并类比了国内外已建工程的实例，将主堆石区( 3 BI ) 分为两个区( 3 BI l 区和3 BI 一2区) ，即增设了强透水区( 3 BI 一1 区) ，该区顶宽6 m ，底宽1 6 m ，具有自由排水的性质，填筑料为微、弱风化及强风化下部花岗岩和微、弱风化片岩，其中片岩含量不超过3 0 。最大粒径8 0 0 m m ，小于5 m m 的颗粒含量小于8 ，小于0 1 m m 的颗粒含量小于5 。设计干密度2 1 5 9 c m 3 ，孔隙率2 0 ，铺料厚度8 0 c m 。设置强透水区体现了既要充分利用枢纽工程开挖料节省工程投资又要遵循混凝土面板堆石坝设计原则，确保工程安全的设
14、计思路，为设计采用的最终坝体断面。5 混凝土面板一次性连续施工公伯峡水电站由于河床截流时间比原设计推迟了约3 个月时间，为保证如期发电，研究面板一次性连续施工。由于坝体填筑采用全断面均衡上升，相较坝体填筑采用临时断面，其沉降由1 3 7 3 1 4 0 9 c m 减小到9 9 6 9 1 0 3 6 c m ，为面板一次性连续施工创造了条件。设计时考虑了坝体填筑到防浪墙底( 高程2 0 0 5 5 m ) 后经5 个月左右的自沉，开始面板混凝土面板堆石坝新技术在公伯峡水电站中的应用混凝土浇筑。由于面板一次浇筑块长度达2 1 8 m ，为当前在建工程之最，经计算，一次浇筑面板的应力、挠度都比面
15、板分二期施工有所减小( 挠度由2 3 3 c m 减小到2 0 5 c m ，面板顺坡向应力由1 0 0 4 M P a 减小到6 3 2 M P a ) ，坝体应力应变状态基本相同，周边缝的变位值略有减小，说明从结构上讲，面板一次浇筑对大坝没有不利的影响，是可行的。但由于计算时，没有对施工期的施工条件、气候变化等因素进行考虑，温度应力对面板的影响亦很难估算，故应注意加强面板混凝土的防裂措施( 重点是混凝土材料、施工工艺、养护及减小基面约束) 。从公伯峡面板堆石坝面板裂缝的情况看，情况十分复杂的，右岸混凝土面板防渗体，板厚4 0 c m ，最大面板长度仅为7 0 m ，而短的仅2 0 来m ，
16、每1 0 0 0 m 2 裂缝长度与大坝的面板相差无几。说明，公伯峡面板堆石坝面板裂缝因素是多方面的。6 高趾墙公伯峡水电站由于枢纽布置的需要，在左右岸设置高趾墙，最大墙的高度分别为3 8 m及5 0 m 。高趾墙的基础置于弱风化岩上( 左岸高趾墙基础局部为强风化岩) ，局部出露有片岩捕掳体。左岸高趾墙位于溢洪道右侧( 兼作溢洪道右导墙) 为混凝土重力式挡墙，墙顶高程2 0 1 0 0 m ，同时作为坝顶通往左岸泄洪洞进水塔交通道路的一部分，全长5 0 0 m 。墙顶按交通要求宽度为8 0 m ( 含悬臂牛腿宽1 5 m ) ，墙体两侧面均为扭面，墙左侧面由直坡渐变到lt0 5 ，墙右侧面由斜坡1 0 5 渐变到直坡。右岸高趾墙位于电站进水口左侧，为混凝土重力式挡墙，墙顶高程2 0 1 0 o 1 9 5 2 4 1 7 m ，全长8 4 9 9 m ，根据结构的要求，墙顶宽度为4 O 1 3 2 1 m ，沿长度方
