抽水蓄能電站瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)研究

李紅文

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等建筑物組成，電站裝機(jī)容量為1 400 MW（350 MW×4）。電站具有日調(diào)節(jié)性能，額定水頭為648 m，設(shè)計(jì)年峰荷電量為7.5億kW·h，年抽水電量為9.8億kW·h。

該抽水蓄能電站上水庫(kù)集雨面積為5.03 km2，正常蓄水位為1 065 m，死水位為1 041 m，有效庫(kù)容為600萬(wàn)m3，死庫(kù)容為91.75萬(wàn)m3，集雨面積為8 km2，總庫(kù)容為750萬(wàn)m3。該工程為一等大（1）型工程。上水庫(kù)大壩及豎井式溢洪道等主要水工建筑物均按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)[1]。

2 水文及地質(zhì)條件

2.1 水文氣象

工程區(qū)多年平均氣溫為16.9 ℃，極端最高氣溫為40.8 ℃，極端最低氣溫為-12.0 ℃，多年平均蒸發(fā)量為1 250.0 mm，多年平均風(fēng)速為2.0 m/s，多年平均最大風(fēng)速為12.6 m/s，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速為20.5 m/s，最多風(fēng)向?yàn)镹W，50年一遇風(fēng)速為18.9 m/s。上水庫(kù)壩址區(qū)多年平均降水量為1 671.6 mm。

壩址區(qū)多年平均流量為0.18 m3/s，相應(yīng)多年平均徑流量為526萬(wàn)m3，壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1 595 t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.285 kg/m3。

2.2 工程地質(zhì)

上庫(kù)壩址橫跨主溪溝,溪溝流向N30°W，水力綜合坡降3%，壩址以下溪溝坡降變陡，局部為跌水；壩址溝谷呈“V”形，谷底高程1 018 m左右，兩岸山體較雄厚，地形較整齊。壩址兩岸及谷底未見(jiàn)基巖出露，右岸為鉛直厚度4～26 m的崩坡堆積體，左岸坡腳一帶為鉛直厚度1～9 m的淺表層崩坡積體；壩址兩岸巖體風(fēng)化較深，右岸全、強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深分別為12.2～74.7 m、35.5～79 m,左岸全、強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深分別為1.5～53.1 m、31.2～66.3 m；谷底全、強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深分別為1.5 m～21.5 m、1.5 m～32.9 m，上游巖體風(fēng)化深，下游巖體風(fēng)化淺[2]。

3 大壩設(shè)計(jì)

上水庫(kù)大壩采用瀝青混凝土墻堆石壩，壩頂高程為1 067 m，最大壩高為52.50 m，壩軸線長(zhǎng)度304 m，壩頂寬10 m，壩頂上、下游均設(shè)L型擋墻。擋墻高度2 m，墻頂高程1 067 m，墻底高程1 065 m，墻底高于正常蓄水位3 m。上游擋墻L型下游面插入壩體內(nèi)部，上游面為垂直面；下游擋墻L型上游面插入壩體內(nèi)部，下游面為垂直面，大壩上、下游壩面起坡點(diǎn)為1 066 m。

3.1 壩體剖面設(shè)計(jì)

大壩上游壩坡1：1.8，下游壩坡1：2。大壩上游壩坡高程1 036 m以下部分壩體利用導(dǎo)流圍堰，圍堰頂寬8 m，圍堰上下游坡度為1：2。大壩下游1 047 m高程和1 027 m高程各設(shè)一個(gè)寬為3 m的馬道，壩頂上游設(shè)安全防護(hù)景觀欄桿，下游設(shè)波形護(hù)欄[3，4]。

壩體填筑料分區(qū)從上游至下游依次為干砌塊石護(hù)坡、碎石墊層、上游堆石區(qū)、上游過(guò)渡區(qū)（3 m）、瀝青混凝土心墻（0.6 m）、下游過(guò)渡區(qū)（3 m）、下游堆石區(qū)和下游壩面網(wǎng)格梁+草皮護(hù)坡。大壩上游高程1 040 m以下壩坡及上游圍堰上游設(shè)坡腳填壓重區(qū)。瀝青混凝土心墻中心線位于壩軸線上游1.7 m處，心墻頂部與上游L型擋墻通過(guò)止水銅片連接。心墻上下游過(guò)渡區(qū)水平寬度為3 m。為防止未清除完的蝕變?nèi)L(fēng)化層細(xì)顆粒發(fā)生滲透穩(wěn)定問(wèn)題，在上、下游壩基開(kāi)挖后設(shè)0.50 m碎石墊層。

3.2 防滲設(shè)計(jì)

大壩防滲體系由壩體、壩基及壩肩三部分組成。壩體防滲由壩軸線上游側(cè)的瀝青混凝土心墻承擔(dān)，心墻底部混凝土基座與基巖或防滲墻連接，壩基及兩岸防滲采用塑性混凝土防滲墻防滲帷幕的形式。在覆蓋層和全、強(qiáng)風(fēng)化巖石中采用塑性混凝土防滲墻，墻厚0.8 m，底部伸入弱風(fēng)化巖體內(nèi)1 m。防滲墻底部接灌漿帷幕，帷幕灌漿孔布置一排，孔距2.0 m，帷幕底線深入相對(duì)不透水層頂板線以下，深度不小于5 m。為防止繞壩滲漏，防滲體系向兩岸壩頭山體內(nèi)延伸至壩頂高程與地下水位線相交處，形成完整的封閉體。為方便防滲墻施工的帷幕灌漿施工，在塑性混凝土防滲墻中預(yù)埋灌漿鋼管。

瀝青混凝土心墻與混凝土基座或防滲墻的接觸面采用平面連接。0.6 m厚瀝青混凝土心墻在底部0.6 m高范圍內(nèi)，將臺(tái)階擴(kuò)大接頭與混凝土結(jié)構(gòu)連接，底端厚度1.2 m，有效增大了二者的接觸面積，延長(zhǎng)滲徑。混凝土基座采用梯形斷面，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，基座底寬6 m，厚2 m，頂寬4 m，瀝青混凝土心墻與混凝土基座之間、混凝土基座與塑性混凝土防滲墻之間均設(shè)置銅止水，接觸面設(shè)2 cm厚砂質(zhì)瀝青瑪蹄脂，以增大粘結(jié)力，并適應(yīng)心墻的水平變形。如圖1所示。

圖1 瀝青混凝土與心墻連接詳圖

4 壩體參數(shù)計(jì)算

4.1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

上、下游壩坡的穩(wěn)定性計(jì)算主要采用簡(jiǎn)化Bishop法，壩體分區(qū)材料參數(shù)采用線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)類(lèi)比擬定，取值詳見(jiàn)表1。因岸坡壩段基礎(chǔ)全風(fēng)化埋藏較深，主要選取大壩岸坡典型剖面計(jì)算壩坡穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 壩體填筑材料設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

4.2 應(yīng)力與變形計(jì)算

本工程選取典型斷面，采用鄧肯-張模型作為壩體材料的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，用二維非線性有限元法，充分考慮筑壩材料的非線性特點(diǎn)，采用分期加荷的方式模擬壩體分層填筑與蓄水過(guò)程。鄧肯模型筑壩材料物理力學(xué)參數(shù)主要依據(jù)材料試驗(yàn)成果和參考類(lèi)似工程擬定，具體見(jiàn)表3和表4，選取計(jì)算的最大壩高斷面有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算斷面二維有限元網(wǎng)格

表2 岸坡壩段壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

表3 大壩壩體材料計(jì)算參數(shù)表

表4 不同工況條件下計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明，壩體堆石的最大主應(yīng)力等值線與壩坡趨于平行，應(yīng)力分布規(guī)律比較合理，最大主應(yīng)力為2 990 kPa，發(fā)生在主堆石區(qū)內(nèi)，說(shuō)明水壓力主要由堆石區(qū)承擔(dān)，最小主應(yīng)力為533.7 kPa。壩體堆石的沉降變形均出現(xiàn)在施工期，最大豎向沉降位移為34.91 cm，最大水平線位移為9.48 cm，與已建工程的變形相比，本工程的變形較小，符合一般規(guī)律。

4.3 滲流分析

通過(guò)二維有限元計(jì)算方法，選取典型斷面，對(duì)壩體滲流進(jìn)行數(shù)值模擬分析。典型斷面對(duì)材料分區(qū)進(jìn)行概化，針對(duì)正常蓄水位工況建立二維穩(wěn)定滲流數(shù)值模型，計(jì)算模型底部隔水邊界取至新鮮巖體以下50 m。

通過(guò)二維有限元滲流分析，得到計(jì)算剖面壩體壩基的單寬滲流量。計(jì)算成果表明，大壩在計(jì)算工況下，總滲漏量小于709.4 m3/d，滲漏量較小，滿足規(guī)范要求；瀝青混凝土心墻的最大水力梯度為40.02，在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的設(shè)計(jì)研究和計(jì)算分析表明，該抽水蓄能電站瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計(jì)是合理的，可以為以后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供一定的參考。