水力发电 第39卷第3期 2013年3月 瀑阳抽水蓄能电玷上水库面板 堆,/5坝设计及优丫匕 陈洪来 ,宁永升 ,常姗姗 ,王小平 (1.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司,江苏溧阳213334; 2.中国水电顾I'q集团中南勘测设计研究院,湖南长沙410014) 摘要:溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝坝基地形条件和料源复杂,大坝不均匀变形问题突出。在遵循常规高 面板堆石坝设计思路的基础上,重点解决面板堆石坝和上水库回填库底的变形控制,以及大坝的渗流控制、环境保 护及景观协调等问题,最终选定了合适的面板堆石坝结构体形、坝体材料分区和坝料填筑参数等,为大坝安全、稳 定运行奠定了基础。 关键词:混凝土面板堆石坝;设计;优化;溧阳抽水蓄能电站 Design and Optimization for the Concrete Face Rockfill Dam of Upper Reservoir in Liyang Pumped-storage Power Station CHEN Honglai ,NING Yongsheng ,CHANG Shanshan%WANG Xiaoping (1.Jiangsu Guoxin Liyang Pumped Storage Power Generating Co.,Ltd.,Liyang 213334,Jiangsu,China; 2.HydroChina Zhongnan Engineering Corporation,Changsha 410014,Hunan,China) Abstract:Because of the complex terrain conditions in dam foundation and different sources of dam filling material,the inhomogeneous deformation of dam in upper reservoir of Liyang Pumped-storage Power Station will be serious.Based on the design ideas of conventional high CFRDs,the design of CFRD in Liyang project mainly solves the deformation control of CFRD and upper reservoir%bottom backfill,and the seepage control,environment protection and landscape coordination of dam.The ifnal CFRD's structure and shape,mateiral zoning and mateiral iflling parameters which suitable to this project are selected, that provide a guarantee to the safe and stable operation of dam. Key Words:concrete face roekfill dam;design;optimization;Liyang Pumped-storage Power Station 中圈分类号:Tv641.43. ̄743(253) 文献标识码:A 文章编号:0559 ̄9342(2013)03—0032—03 1工程概况 溧阳抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市境内,电 站总装机容量1 500 MW,为一等大(1)型工程。 上水库系利用伍员山工区龙潭林场处的两大冲沟在 水库东侧筑坝形成.正常蓄水位291.O0 Ill,死水位 进行校核。对应水平加速度为0.240 g。 大坝坝基较为开阔,但地形条件复杂,沿坝轴 线方向呈“W”形,沟谷地形相对高差达30~50 in: 垂直坝轴线方向,坝基以约17。倾向下游.上下高 差约60 m。坝址区岩性以中厚~巨厚层岩屑石英砂 岩为主,夹有少量泥质粉砂岩及粉砂质泥岩,局部 254.00 m。主坝采用钢筋混凝土堆石坝,最大坝高 165 in(坝轴线处),按重现期200年一遇洪水标准 有安山斑岩岩脉,覆盖层浅,无大的不良地质体. 但坝基岩体风化较严重.砂岩强风化带下限埋深 设计、1 000年一遇洪水标准校核。大坝抗震设防 标准取基准期100年超越概率2%的地震动参数作 为设计地震标准。对应水平加速度为0.196 g:取 100年超越概率1%或最大可能地震固Warer Po er Voz.39 No.3 (MCE)动参数 收稿日期:2013—01—04 作者简介:陈洪来(1962一),男,江苏南京人,高级工程师 主要从事水电工程施工技术管理工作. 阳 木,守:用 P口 I-N/J\宙目已吧 .L/J\J牛L 以 匪IE3 J"d"1..v.. r 11L1屯 15~35 m,弱风化带下限埋深大于150 In。坝基断 层及节理裂隙发育,存在F 等多条断层,破碎带宽 0.5~5 m.一般未胶结,受断层及节理裂隙影响,岩 体完整性差,呈镶嵌碎裂结构。 大坝坝体填筑总量约1 600万1TI .填筑石料主 要利用本工程区建筑物开挖料,共有6种岩性不同 的母岩石料用于坝体各区的填筑。由于坝基地形地 质条件复杂 坝体填筑料强度差异较大、控制坝体 过大沉降及不均匀变形尤为重要,也是大坝设计的 重点及难点之一。 2坝体及坝料设计 2.1 坝型设计及美化 根据土石方平衡原则,坝型采用混凝土面板堆 石坝。受地形所限,为满足上水库成库要求,大坝 坝轴线为中间直线、两端圆弧线(凸向库外)。直线 段长522.62 m,左、右坝头圆弧分别长291.32、 299.26 ITI.坝顶总长1 113.2 m.坝顶高程295.O0 ITI,宽10 m,上、下游坝坡均为1:1.4。下游坝坡结 合观测走道需要在不同高程设置4级马道,马道宽 分别为3.5、4 m。坝顶设4.5 m高的U形防浪墙, 墙底高程291.500 m,较水库正常蓄水位高0.5 m。 大坝下游坝坡干(浆)砌石护坡根据开挖料实际情 况和景观要求改为混凝土网格梁支护,网格梁内覆 土绿化。 2.2坝体分区设计及优化 按照上堵下排和渗透稳定的设计原则,坝体从 上游至下游依次为垫层区、过渡区、上游(主)堆 石区和下游堆石区、增模区。 2.2.1 坝体分区设计 (1)特殊垫层区。特殊垫层区位于周边缝下游 侧垫层区内,该区料由下水库明挖的新鲜、微风化 石料轧制而成,D~≤40 mm,D90≤20 mill,D15=O.5 mm.小于5 mrD_颗粒含量大于45%。碾压参数及要 求为:压实层厚0.2 m,干密度≥2.25 g/cm ;小型 振动碾碾压6~8遍,洒水量≤5%。 (2)垫层区。垫层区水平宽度3.0 m,该区料由 下水库微风化一新鲜凝灰岩制成,采用连续级配, 设计最大控制粒径100 mm,粒径小于5 mm的含量 控制在22%~40%,小于0.075ram的含量控制在2% ~5%。碾压参数及要求为:压实层厚0.4 13'1,渗透系 数k=lxlO cm/s,孔隙- ̄-<17%;27 t自行式振动碾 碾压6遍,洒水量5%~7%。 (3)过渡区。过渡区水平宽度取5 m,过渡料 由工程开挖的洞挖料和下水库新鲜凝灰岩开挖料制 成.采用连续级配,设计控制最大粒径300 mm,粒 径小于5 mlq3的含量控制在15%.小于0.075 mm的 含量按不大于5%控制,同时满足反滤要求,并具有 自由排水性能。碾压参数及要求为:压实层厚0.4 m.渗透系数 ≥1X10-2 ends,孔隙率<19%:27 t自 行式振动碾碾压6~8遍,洒水量8%~1O%。 (4)主堆石区。采用下水库库盆开挖的弱风化、 新鲜的凝灰岩、安山岩填筑。主堆石区料最大粒径 不应超过压实层厚度,以800 mm控制。粒径小于5 mm的含量控制在20%以内。小于0.075 mm粒径含 量不大于5%。碾压参数及要求为:压实层厚0.8 m,孔隙率<19%,渗透系数 >1×10-z ends:27 t自 行式振动碾碾压8遍,洒水量≥10%。 (5)下游堆石区(干燥区)。采用上水库开挖强 风料中、下部岩石填筑,堆石的最大粒径800 mm, 粒径小于5 mm的含量控制在20%,小于0.075 Inm 粒径含量不大于5%。碾压参数及要求为:压实层厚 0.8 ITI,孔隙- ̄<20%;27 t自行式振动碾碾压8遍, 洒水量5%~7%。 (6)坝基排水区。坝基覆盖的冲沟沟底和坝脚 堆渣体基础清基至建基面后,基础面以上先填10~ 15 m厚坝基排水料,再填相应区域坝体堆石料或坝 脚堆渣。排水料采用工程软化系数较小的新鲜岩石 制成,要求有较高的压缩模量、较低的压缩变形、 较高的饱和抗压强度、遇水不易软化或不软化。碾 压参数及要求为:压实层厚0.8 In;坝基(坝基内) 设计孔隙率<21%,坝后(坝基外)<23%;渗透系 数 >1X10~errds:27 t自行式振动碾碾压8遍,洒 水量≥10%。 2-2.2坝体分区优化 施工图阶段,根据料源情况对大坝分区进行了 以下优化。 (1)为减小坝体不均匀沉降和提高抗震性能, 在坝体185.O0 In高程以下和下游堆石区265.800~ 284.500 Ill高程处设置增模区.填筑材料特性同主堆 石区。碾压参数及要求为:压实层厚0.6 m,孔隙  ̄g<18%,渗透系数k>lxlO--z cm/s;27 t自行式振动 碾碾压8遍,洒水量≥10%。 (2)由于开挖料(筑坝材料)含有部分强风化 砂岩、粉砂岩、泥岩和安山岩蚀变岩等软岩,为保 证坝体排水通畅,在过渡料下游侧设置了10 m宽竖 向排水层与坝基水平排水层相接。 (3)根据下水库开挖料情况,降低下游堆石区 高度,提前利用强风化岩石。调整下游次堆石区 范围。 (4)大坝下游坝坡干(浆)砌石护坡根据开挖 料实际情况和景观要求改为厚混凝土网格梁支护, Water Power Vo1.39 No.3固 网格梁内覆土绿化。 3大坝基础处理设计及优化 大坝坝基上游1/6~1/3坝底宽度范围内的基础 开挖后不允许有陡坎、反坡,岸坡开挖要平顺,开 挖的岩石坡不陡于l:0.5~1:0.75。对于岸坡节理裂 隙,用灌浆或局部开挖后回填混凝土处理;对于蚀 变岩脉和出露或浅层的断层及其破碎带,在开挖表 面上先填反滤料进行反滤保护再填坝体堆石料,反 滤料辅设厚度0.8 112,宽度控制在与完整基岩面交接 处外延1.0 m。在坝体覆盖范围内的勘探平硐、地质 钻孔均需进行混凝土或砂浆回填处理。坝体覆盖范 围内的地表松散残坡积、崩坡积物应予以清除,对 覆盖层厚度超过3 m的可挖除表层1 m后予以保 留.在填筑坝体堆石前先将保留下来的覆盖层碾压 密实,确保其压缩模量不低于25 MPa,否则全部予 以挖除。通过清基和适当置换等处理措施尽可能提 高坝基岩体的均一性。 位于坝轴线中部直段范围内的“W”形坝基, 地势起伏大,对坝体堆石沉降变形及面板、连接板 应力变形存在不利影响。为改善大坝中间直线段面 板受力条件,使运行安全更有保障,对中间山脊做 局部挖除处理,即将坝轴线以上110 m范围内的原 山脊挖平至185 m高程大平台,使此部位面板、连 接板的水平投影全落于此平台内.其最大开挖深度 约30 m.开挖方量约25万o。。通过挖除处理,降 低了山脊顶与左右两冲沟沟底间的绝对高差,从而 大大削弱了此处山脊的顶托效应,从静力计算成果 来看,该范围内的面板垂直缝全部改善为压缝,坝 体堆石竖向变形也相对协调,不存在明显的不均匀 变形,连接板顺坝轴线向拉应力也大为减小,受力 状态相对良好 4大坝防渗结构设计 4.1 钢筋混凝土面板设计 大坝面板总面积约8万mz,最大板块斜长75.2 m,最大挡水水头52 m,面板采用等厚度0.4 m。根 据三维有限元理论计算成果,结合坝体布置形式进 行面板的分缝分块。左、右两岸反弧段为受拉区, 中间直线段为受压区,全部面板共分94块,其中左 岸反弧段24块(按圆弧中心角均分,顶端最大块宽 约12 m)、中间直线段44块(块宽12 m)、右岸反 弧段26块(按圆弧中心角均分,顶端最大块宽约 12 m)。面板中部设置单层双向钢筋,纵横向配筋率 分别为0.4%、0.35%。面板周边距压性垂直缝或 周边缝1.5 rn范围内设置抵抗挤压的构造钢筋。面 豳WarerPower Vo1.39No.3 板采用二级配C25 FI50 W10混凝土,最大水灰比 0.45。当采用溜槽输送混凝土入仓时,溜槽入口处 混凝土最大坍落度4~6 cm,混凝土的含气量控制在 4%~6%。为提高面板的抗裂性能,面板混凝土内掺 用聚丙烯纤维,掺量约0.9 kg/m ,同时掺用优质粉 煤灰及高效减水剂等外加剂,浇筑时段选在冬春低 温时段进行,并做好施工期的养护和运行期的管理 工作等,发现缺陷及时处理。 4.2混凝土连接板设计 连接板坐落在大坝上游与库底相接的堆石平台 上。为大坝面板底座,连接主坝面板并与库底土T 膜形成库盆封闭防渗体系。连接板上下游方向宽5 m。厚60 cm,平行坝轴线方向布置,总长约845 m。为降低底部堆石体变形对连接板的不利影响,在 堆石体6个月以上沉降期完成后再开始浇筑。为确 保连接板以上坝体堆石的顺利填筑上升,连接板与 面板相接的端部体形与面板正接,底面平直。连接板 靠土工膜侧的端顶部采用圆弧体形,以消除垂直折 角边处的集中应力对上覆库底防渗土工膜构成破坏。 连接板采用C25混凝土,双层双向配筋,每向 配筋率0.4%。在连接板拐角、不同基础交界位置和 变坡折点位置设横向伸缩缝,其他位置的分缝根据 有限元计算成果,并结合面板分缝位置具体确定。 4.3接缝止水设计 (1)面板分缝与止水。根据坝体三维计算成果, 两岸反弧处面板将承受拉应力,在拉应力区弧形面 板按顶端弧长12.00 m宽设张性垂直缝,在中间直 段压应力区矩形面板按12.0 m宽设压性垂直缝。面 板共设垂直缝95条,其中,中部压性缝43条,左、 右坝肩张性缝分别为25条和27条。面板张、压垂 直缝内均设两道止水,底部一道铜片止水.缝顶一 道柔性止水,缝面涂刷乳化沥青。两岸反弧段面板 局部块,根据坝基开挖情况设永久水平分缝.以消 除面板下部堆石体变形不协调的影响,该水平缝按 同周边缝形式设计。 (2)周边缝与止水。根据坝体三维应力应变计 算分析成果,剪切变位最大值为18 mm,垂直缝长 方向的法向沉陷29 mm,张开位移27 mm。为确保 周边缝运行良好,缝内设两道止水,底部一道铜片 止水,缝顶一道柔性止水,缝面涂刷乳化沥青。库 底防渗土工膜嵌入到缝顶柔性填料内固定,形成防 渗封闭体系。 (3)面板与防浪墙接缝与止水。此处接缝也设 置两道止水,底部采用“V”形止水铜片,并于防 浪墙伸缩缝内铜片止水连接形成封闭,顶部采用柔 性止水,缝内填塞12 mm厚橡胶板。 (下转第37页) 丁Z 丌,守:厨 P口北d/J\苗甘E吧如L,J\J半J牛J 口 多1.叉 1_ 在转折处预留褶皱裕度。在长期应力或反复应力作 端同接在混凝土塞上,另一端与库底防渗土工膜底 部连接。库底开挖区沿垂直库底排水观测廊道的方 向按合适宽度设置与库底开挖区和回填区边界相同 的分隔措施,将开挖区的排水再次分成8个区,在 每一排水区的过渡层底部沿垂直排水观测廊道的方 用下,聚合物会因蠕动或疲劳而使强度降低,导致 其变薄或破裂,I夭I此,土工膜应松弛铺设。土工膜 与面板连接板、库底观测廊道及上水库进/出水口等 部位的连接采用连接锁扣连接。连接锁扣在大型水 电工程中尚属首次采用,连接锁扣与HDPE土工膜 向中线上铺设排水主管( ̄200 mm1,在垂直主管方 向铺设排水次管(+100 mm),间距15 Ill,如图1所 示,排水主管与排水观测廊道相通,汇集开挖区的 渗漏水。库底回填区由于不均匀沉降较大,渗漏水 同材质。在铺膜端处的混凝土基层上,预埋好连接 锁扣.再将HDPE土工膜用单轨挤压焊接在连接锁 扣上。其构造简单、安装方便,密封性能极佳。连 接锁扣大样见图2。 ‘ . 垂直下渗远比水平渗流大,分区难以达到有针对性 检修的目的,故回填区不分小区。排水管设置位置、 . ‘ 、 管径等同库底开挖区。渗漏水下渗后经过大坝底部 排水区汇集到坝脚外量水堰。 -0 t 洳 ‘..l- 4结论 婴 ..n 『^ (1)土工膜防渗关键技术是如何控制库底不均 j ・ : r 匀沉降,减少防渗材料的张拉剪切变形。 a水平连接锁扣 b竖向连接锁扣 (2)土工膜防渗的难点是土工膜接头施工,如 何采取措施确保土工膜接头部位施工质量是库底防 渗施1=的关键。 图2土工膜连接锁扣大样(单位:iTlm) 3.5库底土工膜防渗体下排水设计 土T膜会产生渗漏,库岸也会产生渗水,土层 中的植物腐烂后也可能产生大量的气体,如果土工 膜下垫层排水、排气不畅.在运行过程中,可能会 受到下卧层中的反向水压力和气体的作用而损坏。 (3)在有效控制库底不均匀沉降和确保土工膜 接头施工质量的前提下,土工膜用于较高水头、深 厚回填的水库库底的防渗是可行的。 参考文献: [1] ̄52合成材料工程应用手册编写委员会.土工合成材料工程应 因此应该采取相应的排水、排气措施。 排水系统设计遵循“上截下排”的原则。库底 土工膜防渗体下设置一层厚20 cm级配砂垫层和一 层厚40 cm级配碎石垫层.在碎石下垫层下部设置 用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2000. [2]SL/T 231—98聚乙烯(PE)土工膜防渗工程技术规范[s]. 『3]宁永升.石含鑫.江苏溧阳抽水蓄能电站上水库防渗设计专题 报告fR].长沙:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院.2009. 厚1.3 m排水过渡层。库底开挖区与回填区排水分 开布置.在开挖区与回填区的边界基岩面上槽挖混 凝土塞.设竖向HDPE土工膜进行分隔,土工膜一 业 M 业 舢 —; (责任编辑焦雪梅) (上接第34页) 参考文献: 『1]杨泽艳,罗光其,罗洪波.洪家渡混凝土面板堆石坝设计[J]. 水力发电,2001(9):14—16. 5结语 溧阳抽水蓄能电站上水库大坝所处坝基较为开 阔,但地形起伏大,地质构造复杂,坝轴线存在弧 段,使得坝体结构受力复杂,坝体沉降与不均匀变 形问题突出。通过对坝基“w”形条形山脊进行局 『2]林诚魁,姚秀梅,陈敏岩.等.芹山水电站混凝土面板堆石坝 设计『J].水力发电,2000(2):16—18. f3]侯靖,徐建军,等.泰安抽水蓄能电站上水库面板堆石坝设计 及优化fC]//土石坝技术.2O07. 『4]徐泽平.混凝土面板堆石坝应力变形特性研究[M].郑州:黄河 水利出版社.2005. 『5]曹克明,汪易森,等.混凝土面板堆石坝[M].北京:中国水利 水电出版社.2008. 『6]赵增凯.我国高混凝土面板堆石坝筑坝技术新进展[C],/混凝土 面板堆石坝筑坝技术与研究.2005. 部挖除处理,坝体断面分区优化并结合三维有限元 静动力计算等,对大坝进行了综合研究与设计,最 终选定了合适的面板堆石坝结构体形、坝体材料分 区和坝料填筑参数等,为大坝安全稳定运行奠定了 坚实的基础。 (责任编辑焦雪梅) Water Power Vo1.39 No.3团