冶勒水電站大壩心墻與防滲墻連接混凝土基座設(shè)計

王曉東

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

冶勒水電站位于四川省大渡河支流南椏河上游，是該河流梯級開發(fā)的龍頭水庫電站。電站采用高壩、長引水隧洞、地下廠房的混合引水式開發(fā)。水庫總庫容2.98億m3、調(diào)節(jié)庫容2.76億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，引水隧洞長7.12km，裝機容量240MW。首部樞紐中攔河大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程2 654.50m，最大壩高124.5m，軸線長4llm，壩體建在深厚覆蓋層上。壩址處冶勒斷陷盆地邊緣，壩基左岸基巖埋藏較淺、產(chǎn)狀陡傾河心及下游，河床及右岸地表覆蓋層深厚，最深超過400m，該套深厚覆蓋地層由第四系中、上更新統(tǒng)卵礫石層、粉質(zhì)壤土和塊碎石土等組成，屬冰水河湖相沉積層，在不同地質(zhì)歷史時期里經(jīng)受了不同程度的泥鈣質(zhì)膠結(jié)和超固結(jié)壓密作用，成分復(fù)雜，變形不均，壩基左、右岸基礎(chǔ)嚴重不對稱，基礎(chǔ)變形協(xié)調(diào)及防滲處理難度大。基礎(chǔ)防滲采用混凝土防滲墻和帷幕灌漿的聯(lián)合處理方案，左壩肩基巖埋深較淺,壩基采用全封閉防滲墻,而河床及右岸為深厚覆蓋層采用懸掛式防滲墻處理。瀝青混凝土心墻與防滲墻之間通過混凝土基座連接。

2 瀝青混凝土心墻與混凝土防滲墻連接型式研究

壩體瀝青混凝土心墻與壩基混凝土防滲墻的有效連接是冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩防滲體系的關(guān)鍵。

工程設(shè)計過程中擬定了4種可能的接頭型式：

(1)防滲墻頂部設(shè)基座與瀝青心墻直接連結(jié)(以下簡稱硬接頭)，具體尺寸見圖1。

(2)混凝土防滲墻與瀝青混凝土心墻通過混凝土帽子連接，但混凝土帽子與混凝土防滲墻之間預(yù)留有20cm空隙，空隙內(nèi)設(shè)置三道止水(以下簡稱軟接頭)。具體尺寸見圖2 。

(3)混凝土防滲墻與瀝青混凝土心墻間設(shè)置澆筑式瀝青混凝土連接接頭，防滲墻插入澆筑式瀝青混凝土內(nèi)，心墻筑于澆筑式瀝青混凝土上(以下簡稱軟瀝青接頭方案)，具體尺寸見圖3。

(4)混凝土防滲墻與瀝青心墻通過混凝土基座連接，混凝土基座內(nèi)設(shè)置有廊道(即初設(shè)方案，為便于對比分析選擇此方案)，混凝土防滲墻與混凝土基座間預(yù)留有30cm空隙，具體尺寸見圖4。

對這4種接頭型式進行平面有限元計算，主要計算結(jié)果見表1。

計算結(jié)果表明：

(1)硬接頭方案，由于心墻及一部分壩體荷載通過混凝土基座直接傳給防滲墻，因而混凝土防滲墻內(nèi)的壓應(yīng)力較大，但常規(guī)混凝土的強度均可滿足其要求。硬接頭方案混凝土防滲墻在軸向上的應(yīng)力應(yīng)變較優(yōu)，該接頭型式還具有結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，便于防滲處理的優(yōu)點。

(2)軟接頭方案，防滲墻的壓應(yīng)力較小，墻頂?shù)某两盗孔钚　５摲桨附宇^結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大，止水要求較高，防滲可靠性差。

(3)軟瀝青混凝土方案，心墻最大壓應(yīng)力最小。

圖1 硬接頭 圖2 軟接頭

圖3 軟瀝青接頭 圖4 廊道接頭

但防滲墻頂部的沉降較大，防滲墻軸向應(yīng)力和變形均不利。接合部位在軟瀝青內(nèi)出現(xiàn)局部剪切破壞屈服，并有拉應(yīng)力。但本方案結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，不需要特別的止水結(jié)構(gòu)。

(4)原初設(shè)方案，由于混凝土底座體積大、適應(yīng)變形的能力差，接頭的止水等結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，止水易破壞且不易修補，防滲可靠性最差。

冶勒壩基防滲墻的特點是，左岸防滲墻墻底置于巖基上，向右即成懸掛式，由于工作條件的差異，防滲墻沿壩軸線向的工作性態(tài)是壩基防滲的關(guān)鍵問題之一。綜合多種因素，最終采用結(jié)構(gòu)簡單、防滲性能較為可靠的硬接頭方案作為冶勒大壩瀝青混凝土心墻與壩基混凝土防滲墻的連接接頭。

3 基座尺寸的選擇

設(shè)計早期，基座采用較大結(jié)構(gòu)斷面，頂寬9m、底寬1.2m、高10.4m的倒梯形斷面。由于受上部壩體填筑荷載的作用，基座將荷載傳遞給基礎(chǔ)防滲墻，致使防滲墻內(nèi)的壓應(yīng)力太大。為此對基座尺寸進行調(diào)整，將頂寬調(diào)整為5.6m，采用倒梯形斷面(高與寬相同)。有限元計算成果表明：調(diào)整后基座內(nèi)大主應(yīng)力的數(shù)值不大，一般小于15MPa，少數(shù)單元超過20MPa，壓應(yīng)力不會超過混凝土抗壓強度；但基座小主應(yīng)力幾乎都為拉應(yīng)力，而且，拉應(yīng)力數(shù)值很大，最大拉應(yīng)力達到了-9MPa，無法進行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計。分析認為依然是基座寬度較大，承受上部壩體填筑荷載較大，加之基礎(chǔ)不對稱，造成個別部位基座內(nèi)拉應(yīng)力較大。鑒于此種情況，繼續(xù)修改基座設(shè)計方案，將原寬為5.6m的基座改為寬為3.0m。調(diào)整后的基座斷面型式見圖5，基座斷面附近有限元網(wǎng)格見圖6。

表1 4種接頭型式主要應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

對修改后的基座進行三維有限元計算，計算中，土石料本構(gòu)模型采用了鄧肯-張E-ν非線性彈性模型，材料參數(shù)見表2，接觸面參數(shù)見表3。

圖5 基座斷面示意

圖6 基座斷面附近有限元網(wǎng)格

名稱RfKnGFDKurФΔ?C/kPa密度/g·cm-3Q210.651 9500.630.25-0.0231.832 550400.0702.42Q220.651 8000.630.25-0.0231.833 000400.0702.42Q310.689000.450.36-0.0261.321 500370.0802.45Q32-10.761 1000.430.30-0.044.641 800380.0802.24Q32-20.591 3000.650.38-0.0352.972 100390.0602.35Q32-30.655000.400.360.1282.71800340.0602.20dlQ40.761 1000.430.30-0.044.641 800380.0802.24瀝青混凝土心墻0.768500.330.380.05015.01 200270.04002.43反濾層Ⅰ0.681 2000.520.340.086.02 400455.002.20反濾層Ⅰ(濕態(tài))0.681 1000.520.340.086.02 200435.001.20反濾層Ⅱ0.671 2000.520.320.065.02 400435.002.20反濾層Ⅱ(濕態(tài))0.671 1000.520.320.065.02 200415.001.20主堆石體0.721 2000.500.330.066.02 400505.002.25主堆石體(濕態(tài))0.721 1000.500.330.066.02 200485.001.25次堆石體0.651 0000.450.310.053.01 800485.002.30

表3 三維有限元計算采用的接觸面模型參數(shù)

計算成果表明：由于基座變小(頂寬3.0m)，基座內(nèi)拉應(yīng)力明顯減小，主要集中在x軸方向(壩軸向)和y軸方向(上下游向)竣工時壩軸線方向絕大部分在3.0MPa以下，最大拉應(yīng)力為4.35MPa(斷面平均拉應(yīng)力小于3.0MPa)；順河向拉應(yīng)力絕大部分在1.0MPa以下，最大拉應(yīng)力為1.44MPa。雖然拉應(yīng)力超過了素混凝土的抗拉強度，但進行合理地配筋設(shè)計是可以解決的，同時受上部心墻底部放腳的影響，基座尺寸(主要指寬度)不宜再繼續(xù)縮窄，因此最終采用頂寬3m、底寬1.2m、高3m的倒梯形尺寸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維有限元應(yīng)力計算結(jié)果，基座內(nèi)拉應(yīng)力超過了素混凝土的抗拉強度，應(yīng)進行適當(dāng)配筋(見圖7)。由于拉應(yīng)力集中在壩軸向較大，絕大部分在3.0MPa以下，個別單元拉應(yīng)力超過3.0MPa，但其所在斷面平均應(yīng)力均小于3.0MPa，因此壩軸向應(yīng)力計算取斷面的平均拉應(yīng)力為3MPa進行計算。

按軸心受拉構(gòu)件計算，不考慮混凝土本身的抗拉強度，所以：

圖7 基座配筋示意

5 基座運行情況

為更好掌握基座施工后的工作性態(tài)，在基座內(nèi)布置有鋼筋計，以監(jiān)測基座內(nèi)鋼筋的受力狀態(tài)，此外還布置有雙向應(yīng)變計。為了解基座是否產(chǎn)生裂縫及裂縫展開情況，在基座混凝土內(nèi)沿壩軸線方向設(shè)計布設(shè)了4條傳感光路。

大壩蓄水運行后的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：

(1)左岸基座基本處于拉伸狀態(tài)，這說明基座左岸斜坡段有順坡向下滑移趨勢，水平段左端有下沉趨勢，導(dǎo)致左岸斜坡段與河床水平段交接部位產(chǎn)生壓縮變形，量值較小，測值已經(jīng)穩(wěn)定。

2009年11月10日實測基座水平段最大拉伸位移為5.16mm；左岸坡壩順坡向位移最大，為5.04mm，左岸斜坡段與河床水平段交接部位壓縮位移為0.53mm。總體位移量不大，不影響基座穩(wěn)定。

(2)防滲墻與基座接縫基本呈閉合狀態(tài)，測值在-0.32～-0.08mm 之間，且較為穩(wěn)定，情況正常。

(3)基座頂部鋼筋應(yīng)力上游側(cè)受拉，下游側(cè)受壓，符合結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。運行至2009年11月10日，已數(shù)次蓄水達正常蓄水位，混凝土基座鋼筋計的應(yīng)力在-60.18～73.39MPa之間，量值不大。無論鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)力均在材料強度范圍內(nèi)。基座受力正常。

(4)光纖監(jiān)測顯示，基座內(nèi)未產(chǎn)生危害性的裂縫；在5.12汶川地震后，基座光纖波形均發(fā)生不同程度的變異，但這種現(xiàn)象在地震過后，隨著時間的推移，波形逐漸趨于穩(wěn)定，情況較好。

6 結(jié)束語

冶勒大壩于2005年1月水庫開始蓄水，2005年底電站正常投產(chǎn)發(fā)電，2006年8月樞紐工程全面完工。水庫大壩運行至今已近5年有余，期間多次蓄水至正常蓄水位運行，基座監(jiān)測資料以及對比與之相關(guān)的變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測資料，均可判斷目前基座運行性態(tài)正常。

[1] 四川省南椏河冶勒水電站初步設(shè)計報告[R].成都勘測設(shè)計研究院，1997.

[2] 四川省南椏河冶勒水電站初步設(shè)計調(diào)整及優(yōu)化設(shè)計報告[R].成都勘測設(shè)計研究院，2002.

[3] 何順賓,胡永勝,劉吉祥.冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩[J]. 水電站設(shè)計，2006，22(2)：46-53.

[4] 冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩靜力三維有限元應(yīng)力變形計算分析[R].河海大學(xué)，2002.

[5] 余學(xué)明.冶勒水電站壩基防滲處理設(shè)計[J]. 水電站設(shè)計，2004，30(11)：46-49.