山東蒙山天池堆石混凝土拱壩工程設計綜述

劉剛郁　章文

摘 要：山東蒙山天池堆石混凝土拱壩位于淮河流域沂河水系東汶河支流上游。大壩為堆石混凝土拱壩，壩頂高程為815.00m，最大壩高24.0m，是堆石混凝土技術在山東省的首次應用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩。工程地處蒙山高處，河谷狹窄、地形地質條件一般，筑壩材料采用C25堆石混凝土，適應壩體變形的止水結構、防滲面板設計，施工質量控制，簡化施工工序是設計工作中的重點和難點。已有的監測分析成果表明在蒙山天池堆石混凝土拱壩的設計、施工中所采用的技術是合適的。

關鍵詞：堆石混凝土拱壩；新材料；有限元分析；施工質量

1 工程概況

山東蒙山天池堆石混凝土拱壩位于淮河流域沂河水系東汶河支流上游，壩址位于蒙陰縣城南國家5A級蒙山景區雨王廟處。正常蓄水位814.00m，總庫容10.8萬m3，工程規模為小（2）型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。蒙山天池水庫是堆石混凝土技術在山東省的首次應用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩。工程主要由拱壩、重力墩及放水洞等組成。壩頂高程815.00m，壩長130m，最大壩高24.0m。壩頂溢流堰總凈寬20m，堰頂高程814.00m，放水洞進口底高程798.50m，洞徑？準1.0m。

工程于2012年3月20日開工，先后完成庫底清理、壩基處理，上游防護工程，新建拱壩（含重力墩）及溢流堰、支墩、消力池等，新建放水洞（含閘閥室）及其他建設工程。

2013年4月主體工程通過蓄水前技術鑒定專家委員會組織的蓄水安全鑒定。2013年5月蒙山天池堆石混凝土拱壩工程通過臨沂市水利局主持的蓄水前驗收。

2 工程特點及技術難點

（1）將壩體設計為單曲拱壩結合兩側重力墩（兼做拱座）的復合壩型，適應當地地形地質條件。通過對大壩進行結構性態的有限元計算和分析，論證了壩體結構布置的合理性。

（2）拱壩主體工程全部采用C25堆石混凝土，上游面設有30cm厚的防滲面板，采用高自密實性能混凝土一體澆筑成型方案，在保證工程質量的前提下，極大地簡化了施工工序。

（3）實現了生態、景觀、旅游等項目的緊密結合。單曲拱壩、庫區生態護岸與濕地水景相互協調，較好地處理了親水建筑物與護岸防洪的關系，改善了生態和投資環境。

3 拱壩設計主要分析研究的問題

3.1 在新建蒙山天池水庫工程中，將壩體設計為單曲拱壩

為適應地形地質要求壩體兩側設有兼做拱座作用的重力墩，分別與兩岸連接，使堆石混凝土拱壩工程與周邊景觀融為一體。

3.2 采用新材料、新技術

堆石混凝土技術首次應用于拱壩上，通過大量塊石的使用，堆石含量可達到55%以上，水泥用量少，水化熱溫升較少，簡化溫控措施，形成的大體積混凝土結構收縮小，具有較強的抗裂能力。堆石混凝土施工層面有大量的塊石棱角裸露，可提高層間抗剪能力。

3.3 堆石自密實混凝土拱壩結構性態三維有限元計算和分析

根據規范要求，結合本工程的特性，建立蒙山天池拱壩三維有限元模型，對大壩進行結構性態的有限元計算和分析，驗證壩體結構布置的合理性。

3.4 施工模板選擇與施工

施工過程中按照底倉及上部倉不同高度部位，分別采用外撐式及內拉式模板，其中內拉式模板靠近模板處堆石采用人工輔助碼放。針對該工程在水平呈曲線形同時在高度呈收縮狀的特點，采用專門加工的異型模板，同時將以往內拉式斜拉鋼筋改成平拉鋼筋與預先澆筑的C30混凝土柱牢固聯接，大幅度提高堆石碼放機械化程度。

4 壩體平面布置和分部設計

壩體采用單曲拱壩結合兩側重力墩（兼做拱座）的復合壩型，壩總長130m，其中中間拱壩段68m，拱壩壩頂外弧半徑為50m，最大中心角為78°；左、右端重力墩（含拱座）長28.46m和33.54m，分別與兩岸道路連接。壩體平面布置見圖1。

拱壩壩頂寬度為4.0m，最大底寬為10.0m。壩體斷面上游面為鉛直面，下游面為折坡，上部3m為直線段，下部坡比為1：0.33。壩頂設4孔溢流堰，總凈寬20m。下游設10m長消力池，垂直水流方向長22m。左、右岸重力墩頂寬分別為4m和3m，重力墩斷面上游面為鉛直面，下游面為折坡，上部3m為直線段，下部坡比為1：0.6。

放水洞位于拱壩壩體右側，采用直徑1.0m的鋼管（壁厚12mm），鋼管每隔1m設一道止推鋼環，高150mm，洞身外包一層C25鋼筋混凝土。放水洞進口底高程為798.50m，攔污柵嵌于壩體上游側；控制用手電兩用蝶閥安裝于出口閘閥室（長3m×寬4.2m）內。

5 壩基處理

工程地處蒙山高處，河谷狹窄，壩基基巖裂隙發育，塊亂石覆蓋層較厚，滲透性較強，為此需清基至新鮮巖面，并進行防滲處理。在建基面上設C25混凝土墊座，厚1m，底部采用？準25錨筋嵌入基巖3m，錨筋呈梅花狀布置，間隔2m。全壩段壩基面進行帷幕灌漿，其中左岸向上游延伸20m，右岸向上游延伸10m，總長158.50m。灌漿上限為壩基混凝土墊座，下限至基巖透水率為10Lu的巖面，灌漿孔采用單排四序孔，終孔間距為1.5m。

為加強基巖完整性，對左、右岸重力墩下部基巖采用固結灌漿。灌漿孔距為4m，呈梅花狀布置，灌漿深度5m。灌漿參數根據現場試驗確定。

6 混凝土面板設計

主體工程全部采用C25堆石混凝土，上游面設有30cm厚的防滲面板，采用高自密實性能混凝土一體澆筑成型方案，采用雙層雙向￠10@150配筋。

7 接縫和止水

接縫止水設計的原則，能適應接縫處的位移和滿足防滲要求，有利于施工及保證工程質量，各道止水間應形成統一的防滲系統。

主體工程沿壩軸線方向設7道橫縫，封間設鍵槽，待壩體澆注完成兩個月后利用跨縫拔管水平灌漿技術封拱，灌漿水泥采用膨脹水泥，封拱時壩體溫度滿足設計封拱溫度15°的要求。迎水面采用1.2mm厚的銅片止水，背水面采用2mm厚的鍍鋅止漿鐵片。

8 幾點體會

8.1 平面布置

蒙山天池堆石混凝土拱壩布置充分考慮地形地質條件，使主體工程座落在較為完整的基巖上，將壩體設計為單曲拱壩結合兩側重力墩（兼做拱座）的復合壩型，重力墩分別與兩岸連接，使堆石混凝土拱壩工程與周邊景觀融為一體。

8.2 壩體分區

壩體采用單曲拱壩結合兩側重力墩（兼做拱座）的復合壩型，其中中間拱壩段68.0m，左端重力墩28.46m（包括拱座），右端重力墩33.54m（包括拱座），分別與兩岸連接。主體工程上游面設有300mm厚的防滲面板。

8.3 筑壩材料

大壩主體工程全部采用C25堆石混凝土，即利用高自密實性能混凝土填注堆石體的空隙，形成完整、密實、具有設計強度的大體積混凝土。堆石混凝土的原材料包括堆石料、石粒顆粒（粗骨料）、砂粒（細骨料）、粉煤灰、水泥、水、外加劑。

8.3.1 堆石料的品質。堆石料應新鮮、完整、質地堅硬。堆石料粒徑不宜小于300mm；堆石料最大粒徑不應超過結構斷面最小邊長的1/4。堆石料的飽和抗壓強度宜≥50MPa；堆石料的含泥量應≤0.5%。

8.3.2 高自密實性能混凝土骨料。粗骨料最大粒徑不超過20mm；針片狀顆粒含量不超過8%。

8.3.3 水泥。當膠凝材料中摻入粉煤灰時，水泥宜優先選用普通硅酸鹽水泥。

8.3.4 摻合料。高自密實性能混凝土宜使用摻合料，并應進行系統的試配試驗。高自密實性能混凝土使用Ⅱ級粉煤灰。

8.3.5 外加劑。高自密實性能混凝土使用以聚羧酸鹽高分子為主要原料的高性能減水劑。

8.3.6 自密實性能混凝土配合比。自密實性能混凝土配合比指標見表1。

8.4 施工質量控制

8.4.1 原材料質量控制。定期對中砂的級配情況進行檢查，若發生變化則重新進行配合比調整試驗；定期對石子檢查，當粒徑超過20mm的石子比率超過5%時，將超徑部分篩出后再進行自密實混凝土的生產；自密實混凝土生產前對所使用的粗、細骨料進行含水率測定，若自密實混凝土生產過程中天氣變化較大時或者取料部位發生變化時，及時對含水量重新測定進而調整實際用水量。

8.4.2 倉面清理。堆石入倉之前，將倉面的混凝土乳皮、表層裂縫、由于泌水造成的低強混凝土以及嵌入表面的松動堆石予以清除，并進行鑿毛處理；同時保證倉面清潔、無積水。驗收合格后再進行堆石。

8.4.3 堆石過程質量控制。堆石必須清洗，對于石料表面附著的泥土，必須清理干凈，堆石料含泥量和泥塊含量應符合《膠結顆粒料筑壩技術導則》中的相關規定；在堆石過程中，堆石料粒徑不宜小于300mm；堆石體外露面所含有的粒徑小于200mm的石塊數量不得超過10塊/m2；對于表面集中堆放的小于200mm的堆石碎塊應予以清除。

8.4.4 自密實混凝土生產控制。自密實混凝土工作性能的檢測方法主要采用坍落度試驗、坍落擴展度試驗和V型漏斗試驗進行檢測。經試驗得到的坍落度、坍落擴展度以及V型漏斗通過時間三項指標，應滿足表2的范圍要求。

自密實混凝土的用水量應在施工配合比的基礎上扣除骨料含水；不合格的自密實混凝土嚴禁入倉，已入倉的不合格自密實混凝土必須予以清除；在澆筑過程中澆筑點應均勻布置于整個倉面，其間距不得超過3m，必須在澆筑點的自密實混凝土填滿后方可移至下一澆筑點澆筑，澆筑順序應做到單向順序，不可在倉面上往復澆筑；除表層自密實混凝土外，每一倉的澆筑頂面應留有塊石棱角，塊石棱角的高度高于自密實混凝土頂面約為50mm～150mm，以便于下一倉的粘結。

9 結束語

蒙山天池水庫是堆石混凝土技術在山東省的首次應用，其大壩也是世界上第一座堆石混凝土拱壩，最大壩高24.0m，于2013年4月建成安全運行至今。

通過三維非線性有限元計算，得出壩體應力場和位移場分布符合一般變形規律，驗證了壩體應力和位移分布的合理性；壩體在各工況下，最大壓（拉）應力值均滿足規范強度要求。

經檢測結果表明，工程所用原材料質量合格；混凝土拌合質量良好，混凝土的抗壓強度指標滿足設計要求，混凝土試塊抗凍、抗滲滿足設計要求；從鉆孔拍照、攝像資料看，堆石混凝土密實無空隙。

已有的監測分析成果表明，堆石混凝土拱壩的各種監測值均未超過設計允許值，亦表明蒙山天池堆石混凝土拱壩的設計、施工中所采用的技術是合適的。

參考文獻

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作者簡介：劉剛（1964，2-），男，大學，漢族，山東青州人，高級工程師，研究方向：水工設計，山東省臨沂市水利勘測設計院。