官地水電站碾壓混凝土重力壩設計關鍵技術總結

陳 強,閆 勇

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

官地水電站樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔和中孔、消力池、右岸地下引水發電系統等建筑物組成，碾壓混凝土重力壩最大壩高168m。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5000年一遇洪水校核，相應流量為15 900m3/s。

樞紐區屬高山峽谷地形，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°。

根據“5·12”地震的研究成果，本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，設計基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g。

2 樞紐布置設計

樞紐區地形地質條件復雜，壩址河谷狹窄，巖體風化卸荷較深，泄洪流量大、泄洪水頭高。樞紐布置較困難，泄洪消能設施自身結構安全問題突出；大壩下游兩岸邊坡分布覆蓋層邊坡，泄洪霧化對下游邊坡安全影響較大。

為解決上述困難，樞紐布置設計時充分考慮了現場實際條件。采用全地下廠房方案和岸塔式進水口，大壩與引水發電系統獨立布置，施工時互不干擾。充分利用下游天然水深相對較深、河床基巖條件較好等特點，采用底流泄洪消能形式，盡量減少泄洪霧化對下游兩岸邊坡穩定的影響，減少了邊坡處理工程量。采用混凝土重力壩方案，充分利用一部分卸荷巖體作為建基面，減少了壩基及壩肩邊坡的開挖規模。采用大壩中部5個表孔+2個中孔集中泄洪的方式，泄洪設施集中，有利減少泄洪消能系統對碾壓施工的干擾，便于運行管理；同時有利于下泄水流歸槽。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。在后期導流期間，利用中孔還可以泄放生態流量。

樞紐布置方案為碾壓混凝土重力壩擋水、右岸首部地下廠房、壩體5個表孔+2個中孔泄洪(壩身承擔全部泄洪流量)、底流消能的樞紐布置方案。引水發電系統布置在右岸地下。樞紐總布置見圖1。

3 碾壓混凝土重力壩結構設計

大壩碾壓混凝土量約占總混凝土方量的85%。為充分發揮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。碾壓混凝土重力壩在體型上力求簡單和方便施工，同時還應使壩體能滿足結構布置、功能等要求。

3.1 大壩結構設計

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。大壩收縮縫間距一般在20～22m之間，大壩收縮縫采用切縫形成，可以使多個壩段組合形成一個整體碾壓單元。大壩不設縱縫。

壩體基本斷面為：壩上游折坡點高程1 240.00m，以上為直立面，以下坡度為1∶0.3；下游折坡點高程為1 315.33m，折坡點至壩頂為直立坡，折坡點以下為1∶0.75。通過綜合穩定應力計算分析，最終確定大壩體形。

3.2 壩體混凝土主要分區設計

典型溢流壩段壩體混凝土分區見圖2，典型擋水壩段混凝土分區見圖3。

圖1 官地水電站樞紐布置示意

大壩采用了“前堵后排”的防滲思路，上游以變態混凝土和二級配碾壓混凝土防滲為主，緊靠防滲區設壩體排水孔。通過三維滲流分析，上游迎水面采用C9025富膠二級配碾壓混凝土防滲，厚度4～7m；上游迎水面表面采用同標號變態混凝土，厚度0.5m。壩體防滲主要采用上游迎水面0.5m厚變態混凝土與二級配碾壓防滲混凝土組合，并在壩體上游表面涂刷防滲涂層輔助防滲。上游變態混凝土和二級配碾壓混凝土施工質量好壞對防滲效果影響較大，需加強溫控防裂措施，碾壓混凝土施工過程中嚴禁將該區域作為施工通道(避免防滲區被反復碾壓)。

基礎墊層采用2.0m厚的C9025常態混凝土。基礎墊層混凝土在實際施工過程中，需開展溫控防裂設計，必要時可采取分塊澆筑后并縫等措施。墊層混凝土經研究也可以減薄。

壩體內部碾壓混凝土按高程分區，從下到上為C9025碾壓混凝土、C9020碾壓混凝土、C9015碾壓混凝土。

溢流面采用厚0.5m的抗沖耐磨C50常態混凝土；抗沖耐磨混凝土下設置一層平均3.0m厚的C25常態混凝土。抗沖耐磨混凝土以及下部的常態混凝土宜整體澆筑，并與下方的碾壓混凝土可靠連接，必要時也可加插筋加強連接。

圖2 典型溢流壩段分區 圖3 典型擋水壩段混凝土分區

壩體內廊道周邊1.0m范圍內采用所在部位同標號變態混凝土，有利于減少混凝土入倉種類，方便碾壓施工。廊道周邊鋼筋較多，應特別注意該區域變態混凝土的施工質量。

3.3 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。壩體排水孔可通過預埋盲溝管等方式形成，也可通過后期壩體內鉆孔形成。

3.4 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，特別是斜坡廊道對作業面影響更大。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數量和尺寸，盡量以豎井替代斜井。高程相近的廊道，可盡可能考慮布置在同一高程上(比如基礎排水廊道)，這樣可以減少對碾壓混凝土的施工干擾。

帷幕灌漿廊道為方便灌漿施工，不同高程之間以斜坡廊道連接，其余壩體廊道不同高程之間基本以豎井相連。實際運行看，帷幕關鍵廊道宜盡量減少斜坡廊道，更多的采用豎井相連，這樣可減少對碾壓混凝土的施工干擾。

4 抗震防震研究設計

本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度；大壩地震設防烈度為Ⅷ度，設計地震基巖水平峰值加速度取100年超越概率2%的值即0.352g，校核地震基巖水平峰值加速度取100年超越概率1%的值為0.415g。

在工程設計時，主要存在的問題有：當前Ⅷ度地震烈度區高碾壓混凝土重力壩抗震防震措施尚沒有成功的實例可參考；大壩混凝土采用玄武巖骨料，混凝土彈性模量較大，大壩動力響應較大，增大了抗震設防難度；此外，校核地震下大壩的抗震安全性評價標準在國內無規范可依據。

針對上述問題開展了專項研究，采用材料力學、線彈性和非線性動力有限元法進行大壩抗震仿真研究，同時研究了地基變形模量、混凝土變形模量等對壩體抗震性能的影響，分析了壩體在超過設計地震烈度條件下的變形、破壞過程；開展了抗震措施研究。

大壩沿建基面及碾壓混凝土層間整體抗震穩定采用材料力學法進行計算，應滿足剛體極限平衡法的安全性要求。采用線彈性和非線性動力有限元抗震分析，研究地震條件下動應力分布范圍、材料破壞區域、破壞形式，極限抗震能力、鋼筋的限裂效果等。其抗震鋼筋布置的原則是，在設計地震條件下，按鋼筋混凝土塑性損傷本構模型計算，控制損傷區域在較小的范圍。

研究表明，在靜力和動力荷載共同作用下，大壩壩踵位置、大壩中上部表面折坡處為地震響應較大的區域，存在開裂的可能。

針對壩踵位置混凝土局部開裂問題，在滿足大壩強度、穩定的前提下，適當將防滲帷幕往下游偏移。計算表明，壩踵的開裂范圍未超過防滲帷幕，即便遭遇地震破壞也可保證大壩安全工作條件。輔助措施為：在壩體上游壩踵處回填粘土，即便壩踵開裂，粘土可輔助防滲。

針對大壩中、上部的折坡處存在局部開裂問題，主要采取的措施為：在大壩表面布置鋼筋網限制裂縫產生和發展，提高大壩上部混凝土強度等級。輔助抗震措施為：減少壩體體型突變，將混凝土表面折坡改為圓弧過渡，減輕大壩上部重量。鋼筋布置在大壩表面變態混凝土內，可減少對碾壓施工的干擾。

通過地震荷載敏感性分析，采取抗震措施后，大壩最大可承受1.5倍設計地震作用。在校核地震工況下，假設大壩遭遇極端不利條件：即防滲帷幕破壞、水位無法降低、連續發生100年超越概率1%的地震的情況下，大壩沿各種滑動面“抗力/作用效應”的比值大于1，表面大壩是穩定的，仍然滿足“不潰壩”的要求。

5 泄洪消能設計

泄洪消能設計時，主要存在如下問題需要解決：壩址河谷狹窄，岸坡地質條件較復雜；校核洪水流量為15 900m3/s，泄洪流量大，消力池底以上水頭達142m，泄洪總能量較高；常規消力池入池流速達45m/s以上。具有大落差、高流速、單寬流量大、單寬泄洪功率大的特點。官地高壩泄洪底流消能防沖的規模和技術難度在國內外當屬前列，需深入研究水流運動形態、紊動特性。高速水流帶來的氣蝕破壞、脈動壓力等作用，泄洪消能設施自身結構安全問題突出；泄洪消能設施還應盡量減少對碾壓混凝土施工的干擾。

針對上述問題開展了大量水工模型試驗研究論證工作，模型試驗比尺有1∶45、1∶80等。

5.1 泄洪消能整體設計

在河床中部壩體上集中布置泄洪消能設施，采用“溢流表孔寬尾墩布置+連續跌坎+底流消力池+中孔挑流的消能方式”。設5個開敞式溢流表孔、壩體中部設2個中孔，見圖1。

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；溢流壩段下游接消力池，消力池底高程為1 188.00m，池長167.50m，寬95.00m。消能形式為底流消能。

泄洪中孔分別布置在10號、15號壩段，孔口尺寸為5m×8m，孔口底高程1 240.00m。

溢流壩段泄洪消能結構見圖4，溢流路徑由溢流堰頂WES曲線、直線段、反弧段組成，下游接消力池，跌坎高度為6.5m。堰頂閘墩設尾部寬尾墩，溢流面設兩道摻氣坎(槽)，摻氣槽內設通氣孔。

采用河床中部集中布置泄洪消能設施的方式，充分利用天然河道地形，使下泄水流盡快恢復天然流態。開敞式溢流表孔具有較強的超泄能力，可解決泄洪流量大的問題。大壩溢流面、消力池頂面采用C50抗沖耐磨混凝土作為主要抗沖磨結構。

圖4 溢流壩、消力池結構示意

5.2 主要研究成果

5.2.1 合理確定了消力池跌坎高度，降低了消力池臨底流速

跌坎高度對消力池臨底流速、池底壓強、池內流態和尾坎出口的水流形態均有直接關系。通過模型試驗論證研究，研究了不設跌坎、多種跌坎高度的情況，最終確定跌坎高度為6.5m。不設跌坎的情況，消力池臨底流速可達45m/s以上，在設置6.5m跌坎后，消力池臨底流速降低至20m/s以下。

5.2.2 消力池采用了對稱斜邊墻方案

官地水電站大壩下游消能區范圍內兩岸岸坡地形具有明顯的“左陡右緩”特點，尤其是右岸岸坡的坡度較緩，若采用斜邊墻布置形式，有利于減少工程量，同時也增大了消力池的消能容積。模型試驗對直立邊墻和斜邊墻進行了對比研究,水流流態試驗表明，消力池邊墻采用對稱斜坡布置后，消力池內的水流流態良好。在主流區兩側有回流出現，但回流強度不大，從水流流態看，在合理調度運行方式下，兩側回流的存在對消力池的水流流態無明顯不利影響，一定程度上在如下兩個方面有利于水流流態的穩定：

(1)與直立邊墻消力池方案相比，兩側回流的出現有助于避免“主流貼近兩側”流態的出現，具有穩定水流流態的作用；

(2)采用斜坡消力池后，由于消力池體積增大，出池寬度增大，使消能更為充分，出池水流與下游河道的銜接也更為平穩。

5.2.3 抗沖耐磨混凝土與下部混凝土可靠連接

大壩溢流面、消力池頂面采用C50抗沖耐磨混凝土作為主要抗沖磨結構，厚度為50cm；抗沖耐磨混凝土下方設一層3m的常態混凝土過渡，常態混凝土下方為碾壓混凝土。

為增強抗沖耐磨混凝土的穩定性，采取措施為：抗沖耐磨混凝土與下方常態混凝土整體澆筑，二者之間設插筋。

5.2.4 摻氣坎方案

通過模型試驗研究，設置兩道摻氣坎的方案，第一道摻氣坎設置在樁號0+045.800m處(寬尾墩墩尾斷面)，第二道摻氣坎設置在樁號0+070.000m處，坎高均為1.5m，坎后向下開挖1.5m×2.0m的摻氣槽。該方案在各工況下摻氣效果良好。設摻氣孔作為通風通道，摻氣孔直徑1.6m。

5.2.5 細部結構處理

底流消力池常見的破壞有：消力池底板在脈動壓力的作用下被破壞、掀翻；在消力池內的雜物旋滾作用下底板、邊墻混凝土被磨損；泄洪調度運行不當造成消力池局部破壞等。

針對上述情況，在底流消力池設計時，合理進行了消力池分塊，加強了底板錨固作用，加強了底板板塊之間的連接，分縫處平整度、分縫寬度進行了嚴格要求，分縫內加強了止水設計防止紊動水流傳至底板下方；嚴格規定了泄洪調度運行方式，使下泄水流更加均勻、平穩；確定了開展泄洪前消力池內應達到的最低水深。

5.2.6 其 他

通過對不同長度的消力池對水流特性影響的研究，消力池增長后，對出池水流流態有利，消力池內臨底流速有所減小。推薦消力池長167.5m。

消力池總體消能率達65%～70%。

6 結 語

(1)官地水電站樞紐布置設計充分利用天然地形條件，主要建筑物結構設計簡單，為實現碾壓混凝土快速和大倉面碾壓施工創造了條件。

(2)采取較優的抗震措施解決了大壩抗震問題，抗震措施能較好的適應了碾壓混凝土施工。

(3)通過大量水工模型試驗驗證，采用了較新的泄洪消能方案，增強了泄洪消能結構安全。

參考文獻：

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