官地水電站碾壓混凝土重力壩設計簡介

陳 強，廖桂英，閆 勇

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

雅礱江官地水電站為雅礱江干流(卡拉至江口河段)規(guī)劃5級開發(fā)方案中的第3級。電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內。電站主要任務是發(fā)電，水庫正常蓄水位1 330.00m，總庫容7.6億m3，水庫回水長58km，裝機容量2 400MW，裝4臺(4×600MW)水輪發(fā)電機組。

官地水電站樞紐建筑物主要由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段(碾壓混凝土重力壩)、消力池、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。官地水電站工程為一等大(1)型工程，大壩、廠房、引水尾水系統(tǒng)等永久性主要建筑物為1級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物，臨時性建筑物按4級設計。水庫為日調節(jié)水庫。大壩設計洪水標準為：按500年一遇洪水設計，相應流量為14 000m3/s；按5 000年一遇洪水校核，相應流量為15 500m3/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50°～60°。雅礱江以S75°E方向流入壩區(qū)再漸轉至E流出樞紐區(qū)，壩區(qū)河道略向南凸出。枯水期江水位1 203m時，水面寬90～110m，正常蓄水位1 330m時，相應谷寬396～440m。

壩基巖體主要為P2β15-2角礫集塊熔巖，巖石堅硬；右岸壩肩壩基上部還涉及少量P2β21杏仁狀玄武巖。裂隙錯動帶較為發(fā)育。根據(jù)“512”地震以后國家地震局對《四川省雅礱江官地水電站地震安全性評價報告》的批復，本工程場地地震基本烈度為Ⅶ度。本工程壅水建筑物抗震設防類別為甲類，其基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即345gal。

2 碾壓混凝土重力壩布置設計

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。

左岸擋水壩段共9個，壩頂總長190m，除1號和2號接頭壩段長分別為24m、26m外，其余壩段長均為20m；右岸擋水壩段共9個，壩頂總長195.0m，除24號接頭壩段長為35m外，其余壩段長均為20m；河床中10～15號共6個壩段為溢流壩段和中孔壩段，共長131.0m，2個中孔壩段分別布置在溢流壩兩側，即10號和15號壩段，壩段長度分別為22.0m，溢流壩段除12號、13號壩段長度分別為21.5m外，其余每個壩段長均為22.0m。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；泄洪放空中孔的孔口尺寸為5m×8m，孔口底高程1 240.00m；溢流壩段下游接消力池，消力池底高程為1 188.00m，池長145.00m，寬95.00m。消能形式為底流消能。

重力壩布置特點為：泄洪消能系統(tǒng)比較集中，有利于減少泄洪消能系統(tǒng)對碾壓施工的干擾，便于運行管理；為適應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，壩體橫縫采用切縫形成，不設縱縫；在大壩上設置了左、右兩個中孔，后期導流時利用中孔泄洪，避免了單獨設置泄洪洞，減少了投資，降低了導流洞的封堵難度。

圖1 官地水電站大壩上游

3 壩體穩(wěn)定及應力

官地碾壓混凝土重力壩的結構計算根據(jù)規(guī)范[1]，采用概率極限狀態(tài)設計原則, 以分項系數(shù)設計表達式進行結構計算，以設計斷面滿足大壩穩(wěn)定及強度承載能力極限狀態(tài)為控制條件。壩體抗震防震研究按規(guī)范[2]進行驗算。以材料力學法和剛體極限平衡法為基本計算方法，并用有限元法進行分析。

3.1 壩體強度極限狀態(tài)

在各種作用及組合情況下(除地震工況)，擋水壩和溢流壩壩踵、壩體上游垂直應力均未出現(xiàn)拉應力; 壩趾及下游面垂直拉應力均滿足規(guī)范要求；壩趾及壩體選定截面下游端點均滿足抗壓強度承載能力要求。

在設計地震作用下，擋水壩和溢流壩的壩踵、壩體上游垂直應力均出現(xiàn)較大范圍拉應力，下游壩面也出現(xiàn)較大范圍的拉應力。需采取提高混凝土強度等級、增設抗拉鋼筋等措施。

在設計地震作用下，部分壩段壩趾基巖不能滿足抗壓強度承載能力的要求，采取局部挖齒槽的措施后滿足規(guī)范要求；壩體選定截面下游端點的抗壓強度，承載能力均滿足規(guī)范要求。

3.2 壩體抗滑穩(wěn)定承載能力極限狀態(tài)

在各種作用及組合情況下(除地震工況)，各壩段壩體層面抗滑穩(wěn)定、壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求；部分溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，采取部分挖除主滑面錯動帶并設混凝土齒槽后滿足要求。

在設計地震情況下，壩體混凝土層面的抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；個別壩段的建基面抗滑穩(wěn)定不滿足要求，采取局部設齒槽的措施后滿足規(guī)范要求；部分溢流壩段深層抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，采取措施設混凝土齒槽的措施后滿足規(guī)范要求。

在校核地震工況下，經(jīng)論證大壩滿足不潰壩要求。

4 壩體結構設計

碾壓混凝土重力壩在體型上要力求簡單和方便施工, 同時還應使壩體能滿足結構布置等要求。

4.1 壩體混凝土主要分區(qū)

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。上游迎水面以1 284m高程為界，以上采用C9020W8F100富膠二級配碾壓混凝土防滲，厚度3～4m；以下采用C9025W10F100富膠二級配碾壓混凝土防滲，厚度5～7m。上游迎水面表面采用同標號變態(tài)混凝土，厚度1m。基礎墊層采用2.0m厚的C9025W10F100常態(tài)混凝土。壩體內部碾壓混凝土按高程分區(qū)，在1 200.00m高程以下為C9025W6F100碾壓混凝土，在1 200.00～1 284.00m高程之間為C9020W6F50碾壓混凝土，在1 284.00～1 304.00m高程之間為C9015W4F50碾壓混凝土，1 304.00m高程以上為C2825W6F100常態(tài)混凝土。壩體內廊道周邊1.0m范圍內采用所在部位同標號變態(tài)混凝土。溢流面采用厚0.5m的抗沖耐磨C2850W6F100常態(tài)混凝土；抗沖耐磨混凝土下設置一層平均3.0m厚的C2825W6F100常態(tài)混凝土。

圖2 典型溢流壩段分區(qū)示意

圖3 典型擋水壩段混凝土分區(qū)示意

4.2 壩體防滲結構

大壩上游迎水面主要采用防滲混凝土和防滲涂層進行防滲設計。其中左、右岸擋水壩段1 321m高程以下壩體上游迎水面采用1.0m厚變態(tài)混凝土與二級配碾壓防滲混凝土組合，并在壩表涂刷防滲涂層；擋水壩段1 321m高程以上上游壩表采用常態(tài)混凝土防滲。溢流壩段壩體上游迎水面1 284m高程以下采用1.0m厚變態(tài)混凝土與二級配碾壓防滲混凝土組合，并在壩表涂刷防滲涂層，1 284m高程以上上游壩表采用常態(tài)混凝土防滲。

4.3 壩體分縫及止水

大壩共分24個壩段，壩段之間設橫縫。官地電站攔河壩最大壩底寬153.2m，根據(jù)溫控計算并借鑒同類工程經(jīng)驗，按不設縱縫設計，以便碾壓混凝土通倉澆筑，快速施工。

在壩段橫縫處以及基礎部位均有止水措施。擋水壩段橫縫分縫處(含中孔壩段分縫處)設止水銅片，其中上游設3道1.6mm厚止水銅片，下游1 226m高程以下設2道1.2mm厚銅片。溢流壩段橫縫分縫部位上游面設3道1.6mm厚止水銅片，過流面設2道1.6mm厚止水銅片，并與壩體和護坦分縫處止水銅片相焊接。壩體與基巖接觸的斜坡基礎部位，上游面布置3道1.6mm厚止水銅片形成基礎止水，與壩體上游面止水銅片連為一體。橫向跨縫廊道和縱向廊道跨縫部位均設橡膠止水。橫向跨縫廊道上、下側均設一道橡膠止水；縱向廊道跨縫部位在廊道周圍變態(tài)混凝土內設一道橡膠止水。

止水所在區(qū)域的碾壓混凝土采用變態(tài)混凝土，縫間填瀝青木板。

4.4 壩體排水

大壩壩體上游側在不同高程布置4排縱向排水廊道，廊道之間設有壩體排水孔，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。壩體中下游設兩排基礎輔助縱向排水廊道，廊道上部布置壩體排水孔，排除壩內入滲水流。

4.5 壩體廊道布置

重力壩內設置廊道和直井將削弱壩體斷面，在其周圍易引起應力集中，同時也給壩體碾壓等施工帶來不便，因此在滿足施工和運行要求的前提下，壩內廊道的設置遵循盡可能減少廊道與直井的數(shù)目及尺寸，使一種廊道具有多種用途的原則。

攔河大壩按不同部位、不同功能要求，在壩體內布置了基礎灌漿廊道、壩基、壩體排水廊道、監(jiān)測廊道、壩內交通廊道、對外交通廊道及電梯井等。

5 碾壓混凝土設計

5.1 大壩混凝土原材料

大壩骨料為玄武巖人工骨料。大壩采用P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，使用Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰。

5.2 主要混凝土設計指標

根據(jù)壩體強度和耐久性的需要，壩體主要混凝土設計指標見表1。

表1 官地水電站主要混凝土設計指標

5.3 主要混凝土配合比設計

根據(jù)混凝土設計指標，經(jīng)室內試驗和現(xiàn)場試驗，經(jīng)分析比較后確定的主要混凝土配合比見表2。

6 結 語

隨著近年來國內幾個百米級以上高碾壓混凝土壩的建成, 為高碾壓混凝土壩的設計和施工積累了許多有益的經(jīng)驗。官地水電站在設計過程中充分吸收已有實踐經(jīng)驗，完成了大壩的結構設計和計算，提出了主要的混凝土設計指標等。

表2 官地水電站主要混凝土參考配合比

碾壓混凝土可實現(xiàn)快速和大倉面碾壓施工, 與常態(tài)混凝土壩相比, 它具有節(jié)約水泥、簡化溫控、施工簡便、速度快、工期短及造價低等特點。官地水電站碾壓混凝土壩在設計中充分考慮了上述特點, 盡可能將壩體結構簡單化, 如壩內廊道的設置遵循盡可能減少廊道與直井的數(shù)目及尺寸，使一種廊道具有多種用途的原則，廊道周邊采用同標號變態(tài)混凝土的設計思路，上游迎水面采用二級配防滲混凝土為主的防滲形式，壩體混凝土采用高摻粉煤灰的方式等。此外，在高壩抗震措施研究方面進行了一些探索，如設置齒槽、在上下游應力集中區(qū)設抗拉鋼筋等措施來解決抗震問題。

[1] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL 5018-1999《混凝土重力壩設計規(guī)范》[S].北京：中國電力出版社，2000.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL 5073-2000《水工建筑物抗震設計規(guī)范》[S].北京：中國電力出版社，2001.