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1、榆树沟溢流混凝土面板堆石坝凤炜1 （1.新疆农业大学 水利与土木工学院，新疆 乌鲁木齐 830052）摘要：榆树沟溢流面板堆石坝是我国第一座在填筑堆石体上设置溢洪道的工程，其坝高67.5m，坝顶长300m，坝坡为1:1.4，坝体填筑方量57万立方米。由于简化了枢纽布置、充分使用了当地材料，从而加快了施工进度、降低了工程造价，取得了显著的经济效益。该坝体溢洪道于2002年7月27日实现了过流泄洪，目前累计泄洪达35天之久，工程运行正常。本文将对坝体溢洪道有关研究成果、设计和施工问题予以简单介绍。关键词：溢流混凝土面板堆石坝，坝体溢洪道，溢洪道 榆树沟水库位于新疆哈密地区榆树沟河中游河段上，据哈密
2、市50km，是一项以工业供水、灌溉并兼顾改善生态环境的中型水利工程。枢纽由混凝土面板堆石坝、坝体溢洪道、导流兼输水洞等建筑物组成。1 工程概况1.1 枢纽布置坝址区多面平均径流量为0.49108m3，多年平均流量为1.57m3/s，年内平均变化较大。设计洪水重现期为50年，相应洪峰流量126m3/s；校核洪水重现期为1000年，相应洪峰流量398m3/s。水库正常蓄水位：1994.7m；死水位1953.0m，调节库容848104m3。榆树沟水库工程由混凝土面板堆石坝、坝体溢洪道和导流输水洞组成。为避免溢洪道布置在基岩上引起高边坡的开挖，将溢洪道布置在右岸阶地以上填筑密实的堆石坝体上，这不仅降低
3、了溢洪道的落差。同时，也为避免导流输水洞与溢洪道工作时的交叉干扰，将导流输水洞调整布置在河的左岸。这样的枢纽布置运行管理方便，安全可靠，减少施工干扰，并降低了工程投资。1.2 混凝土面板堆石坝1作者简介：凤炜（1962-），女，满族，籍贯辽宁，副教授，研究方向为当地材料坝及水工结构，Email:fengwei_。通讯地址：新疆乌鲁木齐农大东路311号，新疆农业大学水利与土木工程学院，邮编：830052混凝土面板堆石坝最大坝高67.5m，坝顶高程1998.50m，防浪墙顶高程1999.70m，坝顶长306m，坝顶宽6m，见图1。为降低填筑工程，在坝顶两侧分别设置高3.5m的防浪墙和高2.5m的下
4、游挡墙。坝体上下游坡均为1:1.4。坝体按常规分区，垫层区水平宽度为3m，宽度为3m；在坝轴线以下设利用料区，以充分利用坝区各种开挖料。混凝土防渗面板在1970.00m高程以下为40cm等厚，1970.00m以上为30cm等厚；在河床部位较长板块采用钢筋混凝土面坝，在两侧阶地上坝高小于40m的坝段上，一律采用素混凝土的分离式面板。面板和趾板采用强度标号C45高性能混凝土，抗冻标号F300，抗渗标号S10。大坝另一特点是结合滑塌体的处理，全部采用清理滑塌体的开挖料填筑坝体，而未另设料场。 图1 坝体典型横剖面2 坝体溢洪道2.1 坝体溢洪道地基变形控制和渗流控制2.1.1 坝体溢洪道地基坝料的选
5、择：由于溢洪道是布置在堆石坝上的混凝土结构，它对地基的变形非常敏感，因此堆石坝体填筑时必须达到合适的相对密度，使其具有较大的变形模量，以控制溢洪道的变形在安全的数量级内。表1给出了一些工程的原型观测成果，它表明： 堆石坝体施工时的沉降量很小，蓄水期的沉降量更小。如以沉降量与坝高之比表示相对沉降，一般的工程施工期均不超过0.5%，而运行期仅接近或小于0.1%； 堆石体的压缩模量均较大，大多数工程垂直压缩模量都接近或大于100MPa，这表明现代施工方法填筑的坝体，具有低压缩性，投入运行后变形量不大。表1 一些已建工程堆石体变形模量观测值工程名称河谷宽高比 岩性堆石级配变形模量MPa碾压参数Cu25
6、mm%5050301400.9104西北口灰岩104510910.8128关门山安山岩82551630.81512根据上述经验，榆树沟溢洪道下部的坝体填筑按以下措施进行：l 采用最大粒径小于200mm；小于25mm的颗粒含量大于25%（P25%）； 小于0.1mm颗粒含量为零（P0.1mm=0）的坝料填筑；l 坝料的渗透系数不得小于A10-2cm/s，以保证坝体的自由排水性能；l 填筑相对紧密度大于0.85；填筑范围距泄槽底板面10m；l 施工时采用15吨拖挂式振动碾碾压，其遍数不得少于810遍。铺料厚度为 2 0.8m，并充分洒水。2.1.2 坝体溢洪道地基变形估算对于堆石坝体变形的估算，目
7、前多采用非线性有限元法和工程类比等方法估算，前者由于计算模型本身和计算参数的准确性等问题，一般仅用于方案比较中；后者由于各种条件的限制，也仅能是一种量级的估算，都只是一种近似的方法。一般采用下试对坝顶垂直沉降进行经验估算： （2-1） 式中：S2 待建工程坝顶的预计沉降值； S1 已建工程坝顶原型观测沉降值； E2 待建坝体的变形模量，可参照类似工程选用； E1 已建坝体的变形模量； H1、H2 分别为待建和已建工程的坝高。根据一般经验，设定榆树沟堆石坝体的压缩模量为100MPa，采用工程类比法推算其坝体沉降量，计算成果列于表2。按上述工程类比可知：未来十年榆树沟坝体溢洪道的堰顶处的最大沉降可
8、能达到75mm，只要采用相应的结构措施，不会引起溢洪道的破坏。2.1.3 坝体溢洪道地基渗流控制 消除坝体溢洪道地基渗流，防止有害的浮托力产生，对设置在坝体上的泄槽的斜坡稳定性具有重要意义。溢洪道地基渗流来源有：通过上游防渗面板周边缝、板间缝止水失效的渗水；两岸岸坡的绕渗补给；泄槽底板的渗漏。针对上述的原因除采用常规的工程措施，如强化止水结构、加强坝基灌浆、加强泄槽底板下的排水设计外，更应强调坝体总体排水的设计，榆树沟坝体溢洪道采用的具体措施为：l 加强坝体的排水能力，在坝的底部靠近河床部位填筑强透水坝料，榆树沟大坝 规定的厚度为12m，并与坝体溢洪道地基连通；l 将坝体溢洪道布置在岸坡上，形
9、成横向排水，消除泄槽地基的渗水。但此时应 注意泄槽横向的变形差带来的不利影响；l 严格控制坝料的渗透性，尽量选用渗透系数较大的材料填筑坝体，当坝料渗透 性不能满足要求时，也可采用交互式填筑，即分层填筑透水料和透水性较差的 坝料，见图1，各层的厚度可依排水量的要求来确定。表2 榆树沟坝顶沉降量类比推算表 工程名称坝高（m）E1(MPa)S1(mm)S2(mm)威尔玛特塞沙纳帕咯纳麦根托斯推算榆树沟坝顶沉降量（mm）35110387567.5115145754017114341876757.774.656.263.822.2 坝体溢洪道设计2.2.1 坝体溢洪道的布置根据榆树沟坝址的地形特点，将溢
10、洪道布置在左岸一级阶地上，溢洪道分为上、中、下三段（图2），上段坐落于填筑的坝体，该段落差30m，长度为43m，纵坡i=0.65；中、下两段均坐落于基岩上，纵坡i=0.1。其中中段有混凝土衬砌，长度为40m，下段无衬砌，长度约160m。整个溢洪道在纵向上采用等宽布置，从进口段、控制段、泄槽段，经输水段直至出口挑流消能段，宽度一律为22m，不收缩，不扩散，以防止高速水流带来的不利影响。2.2.2 溢流堰溢流堰采用圆弧与坝体上下边坡相切的圆形堰，其流量系数高于一般的宽顶堰，根据调洪计算，溢流堰净宽为20m，考虑桥墩的宽度，实际宽度22m。最高洪水位时下泄单宽流量q=21m3/sm。堰身及两岸导水墙
11、采用C45C50高性能钢筋混凝土浇筑，堰身最大厚度3m。图2 溢洪道纵剖面图2.2.3 坝体泄洪槽段的体型和结构泄槽段纵向底坡i=0.65，在垂直水流方向不设缝，利用掺气槽将泄槽分为三段，纵向上采用叠瓦式构造（图2），上段底板与下段的底板搭接于掺气槽挑坎射流处，这不仅利用射流形成的空腔将高速水流与泄槽上的横缝隔绝开来，防止动水压力传至泄槽底板下，形成顶托力导致失稳；在掺气槽上下段结合部采用滑动结构连接，以适应槽身的伸缩和小量的转动，这将消除超静定应力变形的适应能力，满足泄槽受力要小，且力求均匀，以提高陡坡条件下泄槽的稳定性，上下段结合部构造见图3。在每段掺气槽的上部设一水平阻滑板，其长度为5m
12、，水平深入堆石坝体，再用包有细粒混凝土的长5m，直径25mm的钢筋，锚定于堆石体内，以增强泄槽与堆石坝体的连接。掺气槽对泄槽水力特性具有举足轻重的影响，研究和选择适宜的掺气槽体型，对改善泄槽水流流态及受力状态具有现实意义。根据水力模型研究，对掺气槽以采用大跌坎小挑坎相结合的形式，根据榆树沟具体情况射流挑出长度以控制在4m左右为宜，可保证射流进入点水流平稳，引起的脉动压力和射流对泄槽底板的冲击力不大。射流挑出过大将使空腔内压力过低或出现较大范围的负压对泄槽底板稳定不利，过小又不能将射流挑到掺气槽水平平台下游斜坡上，影响射流掺气。泄槽底板设纵缝分为10.5m宽的条块，采用滑动模板施工，以保证达到平
13、整度的要求。缝内设紫铜止水以便在产生横向变形差接缝张开时，阻止水流进入泄槽底板底面。泄槽底板纵缝下设排水沟，并与横向排水沟相通，以排除积水，消除底板下浮托力。2.2.4 泄槽段尾部输水段泄槽段尾部输水段采用矩形槽，长约200m，底坡i=0.1，前40m有钢筋混凝土衬砌。考虑到急流输水段基岩为坚硬的凝灰岩，具有较高的抗冲能力，故后160m不进行衬砌，以减小工程造价，仅在末端设置出口挑流结构，将泄流挑入原河床。2.2.5 脉动压力作用下泄槽的动力稳定分析动力稳定分析目的，一是评价泄槽在不同水深、不同流速下动力稳定性；二是分析槽身在高速水流作用下的动力响应，以评价其振动安全性。混凝土面板堆石坝坝体溢洪道，在高速水流脉动压力作用下的动力特性和安全评价，是一个十分复杂的问题。这涉及到泄槽槽身（混凝土结构）、水流和堆石体三种介质的耦合振动，而且作用在泄槽上的高速水流脉动荷载是一种随机荷载。对复杂流-固耦合系统进行动力稳定分析，目前有两类方法：一类是纯数值法，即对固体结构和流体均采用有限元离散或分别采用有限元或边界元离散，这种方法适用范围广泛，大量用于流-固耦合问题求解，但模拟无限介质在处理边界时往往带来较大的误差；另一类是解析数值法，即对固体结构采用有限元离散，而对流体则采用某种近似的解析关系描述
