某抽水蓄能電站高面板堆石壩壩體分區優化

王櫻畯，趙 琳，雷顯陽

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江省抽水蓄能工程技術研究中心,浙江 杭州 311122)

瀝青混凝土面板防滲性能良好，滲透系數小于10-8cm/s，且具有較強的適應基礎變形和溫度變形能力[1]。近年來瀝青混凝土面板堆石壩在抽水蓄能電站中得到廣泛應用。目前我國已建、在建抽水蓄能電站已超過60座。從早期的天荒坪、張河灣、西龍池抽水蓄能電站工程，到后來的寶泉、呼和浩特等工程，上(下)水庫大壩均采用瀝青混凝土面板堆石壩壩型，其中西龍池下水庫大壩壩高 97.4 m，壩基建于深厚覆蓋層上，為該類工程已建最高大壩。隨著這些工程的建成，我國已全面掌握了現代瀝青混凝土面板堆石壩設計和施工技術，建設地域也從氣候溫和地區(天荒坪)、寒冷地區(張河灣、 寶泉)發展到嚴寒地區(西龍池、呼和浩特)[2-4]。但是，以往的成功經驗僅適用于壩高100 m以下的水庫大壩，隨著壩高增大，堆石體的應力水平增高、變形增大。高面板堆石壩的設計應以變形控制、變形協調為核心，考慮土石方挖填平衡因素，應從堆石材料選擇、壩體分區、壓實標準及級配等多角度出發，研究確保大壩安全的技術方案[5-6]。目前我國100 m壩高以上的瀝青混凝土面板堆石壩，工程建設經驗不多，需結合具體工程開展深入研究和論證。

本文闡述了某抽水蓄能電站高達182.3 m的上水庫主壩瀝青混凝土面板堆石壩壩體分區優化設計。在工程實施階段，通過進一步優化上、下游堆石區分界坡比，壩頂以下設置增模區，兩岸岸坡鋪設過渡料，優化防滲體連接板及其基礎墊層，調整壩基排水帶，下游護坡增設封閉層等一系列技術措施，成功解決了該工程面臨的上水庫土石料料源緊張，壩基地質條件復雜，岸坡起伏差大，大壩變形及防滲結構可靠性要求高等問題。

1 上水庫工程布置

1.1 工程地質概況

上水庫位于侖山主峰西南側大哨溝的溝源坳地，東、北、西三面由高程288.30～400.40 m山脊及埡口組成，東南側為沖溝，溝底高程約為90～150 m。邊坡整體上陡下緩，北庫岸山脊坡度5°～15°，西庫岸和東庫岸山脊坡度20°～30°。高程200～260 m以上庫岸弱～微風化白云巖大片出露，覆蓋層主要分布在庫盆中下部，溝底厚5～18 m；閃長玢巖巖脈呈NNW向密集侵入，巖體風化深。

主壩位于大哨溝溝口，為“V”形谷，兩岸地形不對稱，巖性為硅質白云巖、硅質條帶白云巖，右岸閃長玢巖脈大量侵入。壩址區斷層發育，分布有F7、F8、F9等大小斷層11條，多為NNW向，中陡傾角。溶洞、溶溝發育，兩岸地下水位及相對隔水層頂板埋藏深，存在壩基及繞壩滲漏問題。

1.2 總體布置

上水庫流域面積約為0.63 km2，由主壩、副壩和庫周山嶺圍成。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫容1 748萬m3，有效庫容1 577萬m3。主、副壩壩型均為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.40 m，主壩最大壩高182.30 m，壩頂長度811.45 m，壩頂寬度10.00 m。庫盆由一庫底大平臺及庫周1∶1.7坡比的開挖坡圍成，庫底平臺高程236.50～237.00 m。上水庫采用“庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜”防滲方案。沿庫周設庫岸公路，路面寬8.50 m，總長約為3.0 km。

上水庫平面布置、石料場A區、B區及C區分布見圖1。大壩及庫底填筑需要的石料，從庫盆石料場開采，其中B區石料場全、強風化玢巖巖脈發育，所開采混合料用于下游堆石區及庫底填筑。主、副壩和庫盆填筑量近3 000萬m3。2018年10月，主體工程正式開工，2021年4月，上水庫主壩已填筑至193.00 m高程。

圖1 上水庫平面布置及料場分區(單位：m)

2 可行性研究階段上水庫主壩壩體分區

2.1 壩體結構

上水庫主壩壩體上游面坡比1∶1.7，采用瀝青混凝土面板進行防滲，下游面240 m高程以上坡比1∶1.9，以下1∶1.8，每隔35 m設寬3.0 m的馬道。下游壩坡采用“混凝土框格梁+干砌石”護坡。壩后設2個棄渣場，頂高程分別為175.00 m和180.00 m。上水庫主壩壩體典型斷面見圖2。

圖2 上水庫主壩典型斷面(單位：m)

2.2 壩體分區

壩體分區原則如下：從上游向下游各料區滲透性依次遞增(下游堆石區除外)；在水壓力作用下壩體變形小；各區變形模量相近、變形協調；最大程度利用工程開挖料，料區劃分盡可能簡單[7-10]。根據上述原則，主壩壩體分成墊層區、過渡區、上游堆石區、下游堆石區等。大壩瀝青混凝土面板與庫底土工膜之間采用連接板銜接，頂高程237.00 m，其下設墊層區及過渡區。連接板以下壩體設置水平寬度2.0 m的反濾區和3.0 m的過渡區，以及上、下游堆石區。連接板以上大壩墊層區及過渡區坡比1∶1.7，水平寬度3.0 m、5.0 m。上、下游堆石區分界坡比1∶0.5(傾向下游)，兩者之間設水平寬5.0 m的過渡區。在下游堆石區下部設置透水堆石排水層，岸坡部位厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m。在大壩下游坡腳，設置量水堰擋墻收集壩體滲水并進行量測。

3 施工圖階段上水庫主壩壩體分區優化

施工圖階段上水庫主壩壩體分區優化主要包括上、下游堆石區分界坡比優化，壩頂以下設置增模區，布置連接板及調整基礎墊層，調整壩基排水帶，優化壩體和兩岸坡壩基過渡區以及下游護坡等。主壩壩體斷面優化典型斷面見圖3。

圖3 上水庫主壩壩體斷面優化典型斷面(單位：m)

3.1 上、下游堆石區分界坡比

高面板堆石壩上、下游堆石區分界坡比采用傾向下游1∶0.5的設計，這是國內壩工界公認的坡比。薩爾瓦欣納面板堆石壩最大壩高約為148 m，采用此坡比，下游堆石壓縮模量僅為上游的1/5，沒有出現上游面的受拉現象[11-12]。

可行性研究階段試驗表明，該工程下游堆石料采用的白云巖與全、強風化玢巖混合料質量較差，其壓縮模量僅為上游堆石的1/3～1/4。因此，上、下游堆石區分界傾向下游1∶0.5或接近1∶0.5是合適的。施工圖階段，經土石方挖填平衡分析，堆石區分界傾向下游1∶0.4方案比1∶0.5方案節省上游堆石料約70萬m3。考慮到上游堆石料料源偏緊，最終采用傾向下游1∶0.4方案。雖然上游面坡比為1∶1.7，但連接板以下的上游堆石坡比只有1∶1.0，大壩上游綜合坡比約為1∶1.3，因此上、下游堆石分界線坡比仍應按照高面板堆石壩的分區原則確定。

3.2 壩頂以下增模區

面板堆石壩震害觀察和振動臺動力模型試驗表明，壩頂附近動力放大效應，導致壩頂以下一定范圍的震損較嚴重。該工程上水庫主壩屬高堆石壩，抗震設防烈度為8度，在壩頂以下1/5～1/6壩高范圍內提高堆石密度，可減小地震作用下堆石料剪縮，從而減小震后壩體變形及面板震損程度[13]。

計算結果表明，該工程蓄水20 a產生的最大流變沉降45.1 cm，占壩高的0.24%，最大流變水平位移18.4 cm。流變沉降主要發生在壩體下游堆石區和庫底回填區，流變水平變形發生在壩頂附近。壩體內部主應力有所增加。從整體來看，流變作用對于壩體應力影響不大，但對位移有一定影響。多個工程研究發現，對于高堆石壩，考慮堆石流變后的壩體變形較為明顯[14-15]。同時，抽水蓄能電站水庫水位頻繁變化，對運行期變形影響不可忽視。監測資料表明，某蓄能電站大壩初始運行期的變形速率甚至大于初期蓄水期[16]。為減小堆石流變及蓄能電站消落帶水荷載影響，在壩頂以下一定范圍提高堆石密實度是必要的。

結合該工程白云巖料源較緊張的情況，壩體分區進行如下優化：壩頂以下20 m(約1/6壩高)范圍內設置增模區，采用弱、微風化白云巖級配堆石料；孔隙率小于16%；最大粒徑500 mm；小于5 mm顆粒的質量分數不大于20%；碾壓層厚60 cm，灑水10%，大型振動碾碾壓10～12遍。

3.3 連接板及基礎墊層

a.連接板。計算分析表明，正常蓄水位時連接板與大壩面板底部位移分布規律相同，最大位移矢量和為0.23 m。由于瀝青混凝土柔性好，連接板與面板變形較協調，但連接板與土工膜錨固處存在不均勻變形問題，需通過基礎墊層局部適應性措施予以解決。

從受力方面分析，連接板存在兩側向中央擠壓的變形趨勢，在大壩中部附近存在較大的壓應力，大主應力最大為5.0 MPa左右，小于混凝土允許抗壓強度。在平面反弧段，在水壓力作用下，連接板向兩側張拉，此處的小主拉應力為4.2 MPa左右，已超過一般混凝土的抗拉強度。施工圖階段，對連接板平面布置進行了調整：往庫內方向平移約10 m，同時減小了平面反弧段連接板曲率。調整后連接板轉彎處的小主拉應力僅為1.5 MPa左右。通過平面布置優化、加強配筋等措施，解決了連接板局部拉應力過大的問題。

b.基礎墊層。由于連接板下部為墊層、過渡層及上游堆石區，而土工膜下部為庫盆回填料，兩者的軟硬程度不同，蓄水后在土工膜錨固部位會產生較大的變形梯度[17]。通過采用子模型法[18]進行精細化模擬計算得出，土工膜錨固處拉應變達3.75%。PE土工膜的應變極限值為12%，考慮3.0的安全系數，土工膜承受的拉應變與設計允許值4%較為接近。研究表明，連接板基礎墊層料向庫盆方向延伸約10 m，并在靠近連接板部位設置寬度1 m、高度0.24 m的鼓包后，土工膜局部拉應變顯著減小至0.67%，見圖4。為此，進行基礎墊層設計優化。

圖4 土工膜與連接板錨固處應變分布

連接板是大壩面板和庫底土工膜的連接體，是易產生滲漏的薄弱環節。基礎墊層滲透系數低，可起到限漏作用，相當于大壩防滲體第二道防線[5,19]。為此，將連接板基礎墊層調整為厚度1.6 m的特殊墊層料，以及厚度2 m的過渡料。特殊墊層料為連續級配料，最大粒徑為40 mm，小于5 mm顆粒質量分數占40%～50%。

3.4 壩基排水層

現場碾壓試驗表明，下游堆石料中的玢巖含量較高，碾壓后小于5 mm顆粒質量分數一般在20%～30%之間，典型級配曲線見圖5。施工過程中，因少量混合料的攤鋪不能保證非常均勻，局部細顆粒會更加集中。為保護下游堆石區中的細顆粒，將大壩下游堆石區與壩基排水帶之間原設置160 cm厚的過渡料，調整為40 cm厚反濾料和120 m厚過渡料。為便于大壩填筑料分層碾壓施工，將40 cm厚反濾料和120 m厚過渡料設置成4個大平臺，見圖3。

圖5 主壩下游堆石區碾壓試驗典型級配曲線

3.5 壩體及岸坡壩基過渡區

上、下游堆石區之間設水平寬5 m的過渡區，采用上、下游堆石料互層填筑的方式建成，施工過程較復雜。計算表明面板撓度僅為14.2 cm，上游堆石區足夠支撐面板，設置過渡區意義不大。為方便施工，取消壩體過渡區。

主壩壩址區壩基巖性為白云巖，挖除覆蓋層后，兩岸石筍、石芽遍布，經基礎處理后，仍有一定起伏差，直接填筑上游堆石料(最大粒徑70 cm)存在局部架空、難以壓實現象，為保證岸坡部位堆石料壓實質量，實現岸坡堆石區與河床堆石區的變形協調[20]，在岸坡部位設置水平寬2.5 m的過渡料，最大粒徑30 cm。

3.6 下游護坡優化

下游堆石區填筑易崩解風化的玢巖，只要減少其與空氣的接觸，就可大幅減緩其崩解速率。因此，將壩后護坡方案優化為“混凝土框格梁+混凝土預制塊+黏土植草”方案，以隔絕下游堆石料與空氣接觸，同時有利于提升壩后坡的抗震性能。

3.7 三維有限元計算分析

針對優化后的壩體斷面，進行三維有限元計算分析。瀝青混凝土及堆石體靜力計算模型采用鄧肯模型，面板與墊層間采用薄層單元模擬接觸面特性。壩料參數采用室內試驗成果，如表1所示。采用逐級加載方案，按照135 m高程以下→135～170 m高程→170～205 m高程→205～240 m高程→240～272.40 m高程的施工工序進行填筑，最后澆筑面板。水荷載分10級模擬，每級水頭3 m。壩體變形計算結果見圖6至圖8。

表1 上水庫筑壩材料鄧肯模型參數

圖6 竣工期變形等值線(單位：cm)

圖7 蓄水期變形等值線(單位：cm)

圖8 蓄水期瀝青混凝土面板順坡向應變 (以壓為正)

竣工期壩體最大沉降155 cm，最大沉降位于下游堆石區，蓄水期最大沉降169 cm；竣工期上、下游向水平位移最大值分別為11 cm和51 cm，蓄水后上游水平位移減小至9.8 cm，下游水平位移增大至59 cm。運行期上、下游水平位移分別為1.2 cm和8 cm。

竣工期壩體大、小主應力最大值為3.05 MPa和1.03 MPa，應力水平最大值為0.61，發生在上、下游堆石區分界面中部。蓄水后，應力等值線明顯上抬，應力水平降低。在水壓力作用下，面板最大撓度出現在中部附近，最大值為14.2 cm。庫底及反弧區面板基本處于受拉狀態，斜坡段面板受壓，頂部面板受拉。面板與連接板接頭部位最大拉應變為0.17%，小于設計控制值0.5%，面板的應變狀態總體良好，見圖8。總體上，計算成果符合高堆石壩的應力變形規律，兩岸地形緩，未出現明顯拱效應[10,21-22]。

4 上水庫主壩壩體斷面分區設計特點

a.上水庫主壩最大壩高182.3 m，大壩基礎地質條件及填筑料料源巖性復雜，因此，應按照高堆石壩設計理念做好大壩變形控制及變形協調，設置可靠防滲結構。上、下游堆石的分界線要保證面板撓度小、堆石上游面不產生拉應變[7]。結合工程經驗及計算分析，該工程分區界線采用傾向下游1∶0.4坡比。同時，對壩體填筑料，提出設計孔隙率及級配要求，以保證施工過程中壩料壓實。壩頂以下設置增模區，可控制震后、運行期壩體變形。

b.施工圖階段，結合壩料填筑參數、碾壓試驗成果復核鄧肯模型參數，采用精細化單元網格進行壩體應力變形復核，進一步驗證壩體斷面分區方案的技術合理性。

c.連接板是大壩瀝青混凝土面板和庫底土工膜的連接體。上水庫庫底填渣高度約為120 m，為保證連接結構安全，施工圖階段開展深入研究，連接板平面布置往庫內平移并減小轉彎段曲率，改善了其受力狀況，同時在連接板附近設置鼓包，顯著減小了土工膜局部拉應變；將基礎墊層優化為特殊墊層及過渡料，適當增加基礎墊層的細顆粒含量，對于連接板部位的滲流控制來說，是至關重要的[4]。

d.上水庫填筑工程量大，減少工程棄渣，做好土石方挖填平衡非常重要。主壩壩體斷面分區充分考慮石料料源偏緊情況，利用B區石料場的全、強風化玢巖巖脈與白云巖混合料填筑于下游堆石區。

e.針對壩基工程地質條件及料源特性，因地制宜，采取合理可行的技術措施。主壩壩址區壩基兩岸石筍、石芽遍布，在岸坡部位設置水平寬2.5 m的過渡料；壩后護坡方案調整為“混凝土框格梁+混凝土預制塊+黏土植草”，減緩了玢巖崩解速率，同時兼顧抗震措施。

5 結 語

某抽水蓄能電站上水庫主壩為高瀝青混凝土面板堆石壩，工程規模大，技術要求高。壩體斷面分區在施工圖階段進行了優化設計，遵循高面板堆石壩的設計原則，并充分考慮利用庫盆開挖的全、強風化玢巖料筑壩，較好地實現了土石方挖填平衡。同時，深入開展三維有限元分析研究，進一步驗證技術方案的合理性。隨著設計理念的提升，施工技術的發展，以及數值分析手段的應用，在高面板堆石壩建設過程中，還需在大壩變形控制和防滲結構安全性等方面進行探索和創新。