猴子巖水電站大壩壩坡及壩體分區設計

索 慧 敏， 竇 向 賢

(中國電建成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072.)

1 壩坡設計

面板堆石壩上游混凝土面板受庫水位的壓力，對上游壩坡抗震穩定有利，因此，地震時主要是控制下游壩坡穩定。已建面板堆石壩大多數位于較低或中等地震強度地區，經驗壩坡在1∶1.3～1∶1.7，堆石壩的永久變形分析也表明在上述壩坡下，能夠把壩的永久變形控制在較安全的范圍內。地震設防較高的地區，需要采用較緩的壩坡。美國著名地震學家西特(Seed.H.B)等人對高度為150 m的面板堆石壩進行了地震動力分析，考慮不同的地震震級和壩基基巖峰值加速度進行永久變形計算，如把下游壩坡位移控制在0.6 m和0.3 m以內時，適宜的平均下游壩坡值如表1所示；國內外已建工程經驗見表2。

表1 混凝土面板堆石壩的適宜壩坡表

表2 國內外部分已建工程壩體斷面尺寸表

猴子巖水電站50年超越概率10%基巖場地水平峰值加速度為141 gal，對應的地震基本烈度為7度；50年超越概率5%基巖場地水平峰值加速度為182.0 gal；100年超越概率2%基巖場地水平峰值加速度為297.0 gal。根據《水工建筑物抗震設計規范》(DL 5073-2000)的規定，猴子巖大壩抗震設防類別為甲類，大壩設防烈度在基本烈度的基礎上提高1度作為設計烈度，擋水大壩抗震設計烈度為8度，設計地震加速度代表值的概率水準取基準期100年內超越概率為2%基巖水平峰值加速度為297 gal。

參照表1和表2并參考其它工程經驗，同時結合壩坡穩定計算成果，上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡設置一條“之”字形上壩道路，下游高程1 713.50 m以上綜合壩坡約1∶1.65。下游高程1 713.50 m以下設置壓重區，壓重區坡比分別為1∶1.5和1∶2.0。

2 壩體分區設計

2.1 分區的原則

堆石壩壩體分區的目的是在保證大壩安全運行的前提下，根據壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其強度、滲透性、壓縮性等特性，分別提出不同的要求，以充分利用建筑物開挖料，力爭降低工程造價，簡化施工，縮短施工工期。

根據《混凝土面板堆石壩設計規范》(DL/T5016-2011)并參考國內已建、在建高混凝土面板堆石壩設計經驗，按以下原則分區：

(1)料源選用原則。壩體分區應根據料源和筑壩材料的工程特性，進行技術經濟比較，盡量選用抗剪強度高、壓縮性低、壓實特性好，距壩址較近以及開采、運輸和碾壓施工方便的筑壩材料。充分合理利用樞紐的開挖料，分區盡可能簡單以達到經濟的目的。

(2)壩料之間水力過渡原則。各分區材料應滿足水力過渡要求，從上游向下游壩料的滲透系數遞增，各區壩料間應滿足水力過渡的要求，保證壩體能排水暢通且相鄰區下游壩料對其上游區有反濾保護作用，以防止產生內部管涌和沖蝕。

(3)變形控制原則。壩軸線上游部位是承受水荷載的主體，上游堆石體應具有較高的變形模量，以確保壩體上下游均勻變形。

(4)對于狹窄河谷，為減小壩體順壩軸線方向的變形梯度，宜設置變形過渡區，即在堆石體與岸坡接觸部位設置過渡區。

2.2 壩體分區

對于處于狹窄河谷中的猴子巖工程高混凝土面板堆石壩，壩體變形控制是關鍵技術問題之一。根據以上分區原則，大壩分為以下幾個主要填筑區，大壩分區見圖1。

圖1 大壩壩體分區圖

2.2.1 1A壩前防滲鋪蓋區

1AⅠ粉煤灰、1AⅡ石粉鋪蓋區：其作用為當面板局部開裂或止水系統受損后，粉煤灰或石粉隨水流帶進縫中，經面板下墊層料的反濾作用，淤堵裂縫恢復防滲性能，是防滲系統的一種附加安全措施。根據大壩三維有限元計算成果，面板在高程1 705.00～1 720.00m 部位出現裂縫的可能性最大，周邊裂縫的最大位移的可能性在此部位也為最大，但此部位高程較低，水庫放空至該水位基本不可能。考慮到泄洪放空洞的進口底板高程為1 757.00 m，鑒于大壩面板和周邊縫在特殊情況下能最大限度進行檢修處理，粉煤灰鋪蓋區沿周邊縫布設，位于面板底部順坡向20 m范圍內(頂高程不超過1 731.00 m)，水平厚度1 m；1AⅡ石粉鋪蓋區，位于粉煤灰鋪蓋區上部，頂高程為1 731.00 m，水平厚度1 m。

1A礫石土鋪蓋區：考慮到1AⅠ粉煤灰、1AⅡ石粉鋪蓋易于流動，為有效保護1AⅠ粉煤灰、1AⅡ石粉鋪蓋并起到一定的防滲作用，在1AⅠ粉煤灰、1AⅡ石粉鋪蓋區上游側設置1A礫石土鋪蓋區，使粉煤灰、石粉鋪蓋的自愈性效果更有保障。1A礫石土鋪蓋區位于粉煤灰和石粉鋪蓋區上游側，鋪蓋頂高程為1 733.00 m，水平厚度6 m。

2.2.2 1B壩前棄碴壓重區

本區位于礫石土鋪蓋上游，是鋪蓋區的保護體，同時也是上游壩坡的壓重體，采用棄渣料填筑。本區頂部高程為1 735.00 m，頂寬20.0 m，上游面坡比為1∶2.5。

2.2.3 2A墊層區

本區布置于面板下，與面板直接接觸，是水壓力的傳力體。為混凝土面板提供一個平整、均勻、可靠的支承面，當面板和接縫止水開裂時，能起到一定限漏作用，墊層料區水平寬度4 m，以1:1.4的坡等寬布置。在與兩岸壩坡基巖接觸部位順河向一定范圍鋪設2 m厚的墊層料。

2.2.4 2B特殊墊層區

在墊層底部周邊縫處設置該區是為了給底部銅止水提供比墊層更密實、均勻、平整的支撐面，當止水局部破壞出現滲漏時，加強墊層料對滲漏的控制。特殊墊層區的斷面為梯形，厚度3.0 m，頂寬3.0 m，下游坡比1∶1.4。

2.2.5 3A過渡區

過渡區位于墊層與主堆石之間，為滿足墊層與主堆石水力過渡而設置。過渡區由上到下水平寬度以1∶1.36的坡由4 m漸變至12.2 m。為防止與岸坡接觸帶的填料架空，主堆石區與基礎接觸部位設厚2 m過渡料。

2.2.6 3B堆石區

根據現場料源情況，3B堆石區由3BI堆石區、3BⅢ堆石區和3BII堆石區組成。

3BI堆石區布置于過渡區至壩軸線下游(壩)0+040.00 m樁號的上游側底 部 范 圍，頂 高 程1 695.00 m，與3BII堆石區分界面向下游傾斜，坡度1∶0.5；3BⅢ堆石區布置于過渡區至壩軸線下游(壩)0-062.00 m樁號的上游側中下部范圍，頂高程1 760.00 m，底高程1 695.00 m，與3BII堆石區分界面向下游傾斜，坡度1∶0.5；3BII堆石區緊鄰3BI堆石區、3BⅢ堆石區布置。

2.2.7 漿砌石護坡區

本區主要作用是加強壩頂一定范圍內的護坡，有利于增強壩頂部位的抗震穩定。下游壩面1 805.00 m高程至1 845.00 m高程采用厚0.6 m的M10漿砌石護坡，防止地震時壩頂堆石滾落和防止雨水沖刷。采用堆石料中的外形規整的大塊石砌筑。

2.2.8 干砌石護坡區

下游壩面1 805.00 m高程以下采用厚1m的干砌石護坡，主要作用是防止地震時堆石滾落和防止雨水沖刷。大塊石采用堆石料中的超徑石堆碼，有利于抗震穩定，壩面超徑石間不平整的空隙采用小塊石人工砌筑。

2.2.9 壩腳壓重區

壩腳壓重區由堆石壓重區和棄渣壓重區組成。堆石壓重區頂部高程為1 713.50 m，頂寬80 m，底部高程1 690.00 m，下游坡為1∶1.5、1∶2.0；1 690.00 m高程以下為棄渣壓重區。

3 結 語

猴子巖大壩為目前國內的第二高面板堆石壩，壩高超過200 m。其具有“窄河谷、谷坡陡峻、地震強度高、超高壩”等特點，壩坡穩定及壩體變形控制是大壩的設計重點和難點，壩坡及壩體分區的合理設置對控制壩坡穩定和壩體變形至關重要。因此，應按照防滲體、反濾料、過渡料和堆石體的不同作用，嚴格按照規范要求對壩體不同部位的材料進行設計，同時在滿足規范要求的前提條件下適當調整粒徑級配范圍，以方便施工，最終實現壩體材料分區的優化設計。