1.3 瀑布沟砾石土心墙堆石坝的设计布置_瀑布沟砾石土心墙堆石坝关键技术-QQ阅读男生武侠网

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1.3　瀑布沟砾石土心墙堆石坝的设计布置

1.3.1　大坝设计标准及基本布置

1.3.1.1　大坝设计安全标准

瀑布沟水电站枢纽工程为一等大（1）型工程，主要水工建筑物为1级建筑物，次要水工建筑物为3级建筑物。挡水大坝、泄洪建筑物及电站进水口洪水设计标准按500年一遇洪水设计、可能最大洪水（PMF）校核，相应的设计洪水流量分别为9460m3/s和15250m3/s。下游消能防冲设施按100年一遇洪水标准设计，相应洪水流量为8230m3/s。经国家地震局审定，瀑布沟水电站场地地震基本烈度为7度。可行性研究补充报告于2003年通过主管部门的审查，审查同意大坝的抗震设计烈度为8度，即在基本烈度的基础上提高1度，相应的基岩动峰值加速度为0.21g，超越概率为1×10－4；其余建筑物按7度设防。

2008年5月12日汶川地震发生后，根据《国家发展和改革委员会关于加强水电工程防震抗震复核工作的通知》（发改能源〔2008〕1242号）、《国家能源局关于委托开展水电工程防震抗震复核工作的函》（国能局综函〔2008〕16号）、水利部水利水电规划设计总院《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》（水电规计〔2008〕24号）以及中国地震局《关于加强汶川地震灾后恢复重建抗震设防要求监督管理工作的通知》（中震防发〔2008〕120号）等文件的精神和要求，瀑布沟水电站补充开展了工程防震抗震专题研究，成都院于2009年7月编制完成了《四川大渡河瀑布沟水电站防震抗震设计研究专题报告》，并于同月通过了水电水利规划设计总院的审查。审查同意经复核的结论，即挡水建筑物抗震设防类别为甲类，大坝、溢洪道闸室、泄洪洞进水塔抗震设计标准取基准期100年超越概率2%，大坝校核地震标准取基准期100年超越概率1%，其他主要建筑物、工程区边坡设计地震标准取基准期50年超越概率5%。

1.3.1.2　坝体基本布置

砾石土心墙堆石坝坝轴线走向为N29°E，坝顶设计高程856.00m。大坝设计坝高186m，坝顶长540.50m。坝顶防浪墙高出坝顶1.2m，其下部与心墙顶连接。上游坝坡1ϒ2和1ϒ2.25，下游坝坡1ϒ1.8。坝顶宽度14m。心墙顶设计高程854.00m，顶宽4m，心墙上、下游坡度均为1ϒ0.25，底高程670.00m，底宽96m，约为水头的1/2。在最大横剖面的基础上，心墙左右坝肩从高程670.00～854.00m顺河流向上下游各加宽12～2.8m，各高程在垂直河流向以1ϒ5的坡度向河床中心方向收缩。心墙坝肩部位，开挖面形成后，浇筑50cm厚的垫层混凝土，并对其下基岩进行固结灌浆。心墙上、下游侧均设反滤层，上游设两层各为4m厚的反滤层，下游设两层各为6m厚的反滤层。心墙底部在坝基防渗墙下游亦设厚度各1m两层反滤料与心墙下游反滤层连接，心墙下游坝基反滤厚为2m。反滤层与坝壳堆石间设过渡层，与坝壳堆石接触面坡度为1ϒ0.4。

砾石土心墙堆石坝的抗震设计标准取基准期100年超越概率2%，加速度代表值225gal；抗震校核标准取基准期100年超越概率1%，加速度代表值268gal，为防止地震损坏，增加安全措施，在坝体上部堆石体内埋设土工格栅。

坝基覆盖层防渗采用两道各厚1.2m的混凝土防渗墙，两墙中心间距14m，墙底嵌入基岩1.5m。防渗墙分为主、副防渗墙。主防渗墙位于坝轴线剖面，防渗墙顶与廊道连接，廊道置于心墙底高程670.00m，主防渗墙与心墙及基岩防渗帷幕共同构成主防渗平面；副墙位于主墙上游侧，墙顶插入心墙内部10m。

为了防止坝体开裂，在心墙与两岸基岩接触面上铺设水平厚3m的高塑性黏土；在防渗墙和廊道周围铺设厚度不少于3m的高塑性黏土。为延长渗径，在上游防渗墙上游侧心墙底面铺设30cm厚水泥黏土，水泥黏土上铺一层聚乙烯（PE）复合土工膜，土工膜上填筑70cm厚高塑性黏土；混凝土廊道下游侧10m范围内反滤之上铺设一层聚乙烯（PE）复合土工膜，廊道下游侧8m范围内土工膜之上铺设60cm高塑性黏土。

上游坝坡高程722.50m以上采用干砌石护坡，垂直坝坡厚度为2m；下游坝坡采用大块石护坡，垂直坝坡厚度为1m。上游围堰包含在上游坝壳之中，作为坝体堆石的一部分。为了增加下游坝基中砂层抗液化能力，在下游坝脚处至围堰之间填筑弃渣压重（下游围堰也作为下游压重的一部分）。

坝基及两岸基岩帷幕灌浆深入不大于3Lu的基岩相对隔水层。

1.3.2　坝顶高程及结构设计

1.3.2.1　坝顶高程计算

坝顶在水库静水位以上的超高按下式确定：

式中：y为坝顶超高，m；R为波浪在坝坡上的爬高，m；e为风壅水面高度，m；A为安全加高，m。

瀑布沟坝址多年平均最大风速15.3m/s，吹程2000m。

由于大坝设防烈度为8度，正常水位遇地震工况，根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073—2000）有关规定，地震涌浪高度取1.5m，附加地震沉陷值按坝高和基础覆盖层厚度之和的1%计算。1级建筑物安全超高正常情况1.5m，非常情况1m。坝顶高程计算成果见表1.1。

表1.1　坝顶高程计算成果表　　　单位：m

注　坝顶高程由正常蓄水位＋地震工况控制。

根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007）的规定，当坝顶上游侧设有与防渗体有可靠连接的防浪墙时，坝顶超高可为对防浪墙顶的要求。考虑防浪墙高度为1.2m，取坝顶高程为856.00m，墙顶高程为857.20m。砾石土心墙顶高程为854.00m，顶宽为4m，均超过水库正常运用洪水位和非常运用洪水时的水库静水位。

1.3.2.2　坝顶竣工后超高

土石坝坝顶预留了竣工后沉降超高。研究确定坝顶竣工后的预留沉降超高值为2m。因此，竣工时河床段坝顶最高高程为858.00m，向两岸以1%坡度变化至高程为856.00m。心墙顶高程在河床段为856.00m，向两岸逐渐降至高程为854.00m。

1.3.2.3　坝顶结构

考虑到交通和机械化施工需要，确定坝顶宽度14m，上游侧设有电缆沟和排水纵坡。防浪墙采用L形布置，高3.4m，坝顶路面以上高1.2m，置于上游过渡区C1上，并用厚40cm的连接板从上游至下游依次坐落在反滤区B2、B3和防渗区A1上，与心墙料搭接段长400cm。

1.3.2.4　坝基廊道结构

河床防渗墙顶灌浆廊道置于心墙底高程670.00m，在两岸与基岩灌浆平洞（左岸⑦号和右岸⑧号）连接部位设置了连接段。其中左岸连接段（0＋169.00～0＋177.05m）长8.05m，右岸连接段（0＋354.20～0＋369.95m）长15.75m，河床段（0＋177.05～0＋345.2m），即防渗墙体段，长168.15m。廊道采用城门洞型，宽3.5m，高4m，顶拱混凝土厚度1.5m，拱脚厚1.84～2m，采用C40F50W10钢筋混凝土衬砌，考虑到结构开裂和防渗要求，在廊道混凝土中掺入聚丙烯纤维。廊道环向采用36＠20，轴向采用36＠20钢筋。

廊道与连接段、连接段与基岩平洞间设结构缝，缝内设两道环向止水，一道铜片止水，一道651橡胶止水。橡胶止水带宽40cm、厚10mm，铜片止水宽40cm、鼻翼高5cm、厚1.5mm。止水在廊道边墙与底板间为直角转弯。结构缝宽2cm，缝内填塞沥青麻片，顶拱和边墙缝外用SR板和SR填料包头，并由螺栓固定。为了加强墙体顶部刚度，减小顶部变形，河床段廊道未再设变形结构缝。

底部通过“倒梯形”段与防渗墙刚性连接，“倒梯形”段高3m，上底宽4.2m，下底宽1.2m，采用C45F50W12钢筋混凝土。通过大坝坝体及坝基三维应力变形计算，廊道底板下游侧轴向拉应力绝大部分小于6MPa，采用应力图形进行配筋并用隧洞结构配筋计算进行复核。“倒梯形”段环向采用20＠50，轴向采用36＠14.3钢筋。廊道底部设有1道橡胶止水和1道铜片止水，分别与结构缝内的环向止水连接并伸入至混凝土防渗墙，形成结构缝的封闭止水。

坝基廊道及下部防渗墙顶部6m是在天然覆盖层地基上经适当开挖后建成，在上部心墙料填筑后将承受巨大的上覆荷载作用，其结构受力和变形十分复杂，可供借鉴的工程经验不多，廊道结构形式及结构缝止水对变形的适应性分析宜作专题研究。

1.3.2.5　坝体填筑分区

砾石土心墙堆石坝分区如下。

（1）砾石土防渗心墙：A1区。

（2）反滤层：包括上游反滤层B1、B2，下游反滤层B3、B4及下游水平反滤层B5。

（3）过渡层：包括上、下游C1。

（4）堆石区：包括上游堆石区D1，下游主堆石区D2、下游次堆石区D3。

（5）高塑性黏土区：包括心墙底部廊道和防渗墙周围高塑性黏土和两岸坝肩基岩接触面高塑性黏土A2。

（6）下游弃渣压重区E。

（7）表面护坡及垫层。包括上游干砌块石护坡、下游大块石护坡。

（8）其他。复合土工膜、土工格栅等。

坝体填筑料从上游至下游依次为上游围堰、上游堆石D1区、上游过渡层区C1、上游反滤层B2、B1区（各厚4m）、砾石土心墙区（厚4～96m）、心墙底部廊道和防渗墙周围高塑性黏土和两岸坝肩基岩接触面高塑性黏土A2区、下游反滤层B3、B4区（各厚6m）、下游过渡层C1区、下游主堆石D2区和下游次堆石D3区、下游围堰、下游弃渣回填E区（顶面高程730.00m）。大坝砾石土心墙料位于坝体中部，顶高程为854.00m（竣工最高高程856.00m），顶宽4m，心墙上、下游坡度均为1ϒ0.25，底高程670.00m，底宽96m。

大坝反滤料分为上游反滤层B1、B2，下游反滤层B3、B4及下游水平反滤层B5共5个区。反滤层B1、B3区紧邻心墙上下游面及心墙料底部；反滤层B3、B4区紧临B1、B2区和上下游过渡料及下游心墙区坝基；防渗墙下游侧心墙底部B3、B4反滤料各厚1.5m。下游过渡料和堆石料底部为厚2m的B5反滤层。

大坝高塑性黏土A2区包括心墙底部廊道和防渗墙周围高塑性黏土和两岸坝肩基岩接触面高塑性黏土，心墙底部廊道和防渗墙周围高塑性黏土宽24.32m，高15m；两岸坝肩基岩接触面高塑性黏土水平厚度为3m。

图1.4　砾石土心墙堆石坝结构布置图

—砾石土心墙料；—高塑性黏土；、—反滤料；、—反滤料；—过渡料；—上游堆石料；—下游主堆石料；—下游次堆石料；—弃渣压重区

大坝堆石分为堆石D1、D2、D3区，上游堆石D1区位于大坝上游堆石及围堰、下游次堆石D3紧邻下游侧过渡区，高程710.00～810.00m，顶宽30m，下游侧坡度1ϒ0.5，下游主堆石D2区位于大坝下游除下游次堆石D3区的堆石区域。大坝上游780m以上坝坡采用干砌石护坡，厚度为2m，干砌石底部采用20cm厚碎石垫层。大坝下游坝坡采用大块石护坡，厚度为1m。

复合土工膜设在上游侧防渗墙的心墙底部和下游防渗墙顶廊道下游侧10m范围。土工格栅设置在大坝顶部高程810.00～850.00m之间的过渡料和堆石料区域内，垂直间距2m，水平最大宽度30m。坝体填筑料分区见图1.4。大坝防渗墙与心墙连接布置见图1.5。

图1.5　大坝防渗墙与心墙连接布置图

1.3.2.6　坝料设计

1.A1区砾石土心墙防渗料

（1）砾石土心墙料采用黑马料场的土料及掺合料，共有3种土料。

1）黑马Ⅰ区洪积亚区。黑马Ⅰ区洪积亚区剔除粒径大于80mm颗粒后的土料。

2）黑马0区坡洪积亚区。黑马0区坡洪积亚区剔除大于60mm颗粒后的土料。

3）掺合料。包括黑马Ⅰ区坡洪积亚区（剔除粒径大于80mm颗粒）、黑马0区洪积亚区土料（剔除大于60mm颗粒）以及黑马Ⅰ区洪积亚区剔除粒径大于80mm颗粒后不满足要求的部分土料与管家山黏土料的掺合料。

大坝心墙料填筑优先采用黑马Ⅰ区洪积亚区土料、黑马0区坡洪积亚区土料，掺合料经试验论证后另行确定。实际施工中未采用黑马0区坡洪积亚区土料以及掺合料。

（2）砾石土心墙料中的水溶盐含量应小于3%，有机质含量应小于2%。

（3）用于心墙防渗料的砾石土，其粒径、颗粒级配应符合以下规定。

1）填筑料最大粒径，黑马Ⅰ区洪积亚区土料应不大于80mm，黑马0区坡洪积亚区不大于60mm；小于5mm颗粒含量平均不应小于50%、最低不应小于45%，小于0.075mm的颗粒含量不应小于15%，并应有一定的黏粒含量，经筛除后的超径石含量应小于2%。

2）颗粒级配应连续，并防止颗粒分离和砾石集中现象。

（4）碾压后的砾石土心墙料渗透系数应小于1×10－5cm/s，抗渗透变形的临界坡降应大于2.5，其渗透破坏型式应为流土。建议提出在反滤保护下的渗透临界坡降要求。

（5）砾石土心墙料的塑性指数宜大于8，小于20。

（6）碾压后的砾石土心墙料全料压实度不小于98%（修正普氏标准），细料压实度不小于100%（标准普氏标准），其压实度合格率大于96%，不合格点经补压后压实度不小于设计要求的98%。

（7）小于5mm的细料含水率wf宜控制在wop－1%≤wf≤wop＋1.5%之间，wop为最优含水率。

2.A2区高塑性黏土料

高塑性黏土料采用管家山料场土料。

（1）颗粒级配中，小于0.075mm的含量应大于80%，小于0.005mm的含量大于30%。

（2）塑性指数应大于17。

（3）渗透系数应小于1×10－6cm/s，渗透破坏坡降应大于20。

（4）水溶盐含量应不大于1.5%，有机质含量应不大于1%。

（5）心墙区高塑性黏土高程685.00～676.00m范围内的压实度应大于94%，高程676.00m以下压实度应大于98%，土工膜上第一层铺土压实度应大于90%；心墙两岸岸坡混凝土板接触带压实度应大于94%。最大干密度采用普氏击实成果。

（6）含水率wf宜控制在wop＋1%≤wf≤wop＋4%之间，wop为最优含水率。

3.反滤料

（1）心墙上游采用两层反滤料B1、B2，心墙下游侧和坝轴线下游心墙底部采用两层反滤料B3、B4；心墙下游过渡层及坝壳堆石底部建基面水平反滤层采用反滤料B5。反滤料采用卡尔沟新鲜石料人工砂石加工系统加工的人工砂石料。石料应呈粒状颗粒，避免采用软弱、片状、针状颗粒，其饱和抗压强度应大于60MPa。

（2）B1、B3区反滤料的渗透系数应大于5×10－3cm/s，B2、B4、B5区反滤料的渗透系数应大于8×10－3cm/s。

（3）反滤料压实后应具有良好连续级配。

（4）反滤料压实后的相对密度应不小于0.8、不宜大于0.9。

（5）上、下游第一层反滤料B1、B3的级配曲线D15＝0.2～0.7mm，D60＝2.3～7.5mm，小于0.075mm粒径的含量应不大于5%；上、下游第二层反滤料B2、B4的级配曲线D15＝0.8～5mm，D60＝10.1～39mm，小于0.075mm粒径的含量应不大于3%。

4.C1区过渡料

（1）坝壳上下游两侧过渡料采用新鲜坚硬的石料场开采料，应避免采用软弱、片状、针状颗粒，要求耐风化并不易为水溶解，石料的饱和抗压强度应大于60MPa。

（2）过渡料压实控制的孔隙率应通过现场碾压试验确定，不宜大于20%。

（3）过渡料的设计级配曲线应符合下列规定。

1）最大粒径不大于300mm；

2）小于5mm的颗粒含量宜在5%～20%范围，D15≤30mm。

（4）过渡料压实后的渗透系数应大于1×10－2cm/s。

5.D1、D2、D3区堆石料

（1）用于坝壳填筑的堆石料分为3个区：上游堆石区D1、下游主堆石区D2、下游次堆石区D3。

（2）堆石区应采用微、弱风化或新鲜的开采石料或花岗岩开挖石渣料，开采石料用于D1、D2区，开挖石渣料用于D3区。

（3）堆石料要求级配连续良好，最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量宜小于20%；不大于0.075mm粒径含量应不大于5%，不均匀系数应大于10，渗透系数应大于5×10－2cm/s。

（4）用于D1、D2区的堆石料的饱和抗压强度应大于60MPa，软化系数大于0.8，冻融损失率小于1%；用于D3区的堆石料的饱和抗压强度应大于50MPa。

（5）堆石料的最大与最小边长之比不超过3～4。

（6）压实后的孔隙率应不大于22%。

6.表面护坡

上游干砌块石料应采用微风化或新鲜的硬质岩块，石料的饱和抗压强度应大于60MPa，粒径为400～600mm，块石重量应大于40kg。

大块石护坡石料的饱和抗压强度应大于60MPa，粒径为400～800mm。

7.E区坝脚压重石碴料

下游坝脚压重的石碴料的粒径级配应满足以下要求。

最大粒径不大于1200mm，小于5mm的颗粒含量不大于25%，小于0.075mm的颗粒含量应小于5%，不均匀系数应大于10，渗透系数应大于5×10－2cm/s，压实后的孔隙率应不大于24%。

8.复合土工膜

（1）材料试验和检验。铺设在心墙底面、混凝土防渗墙上下游两侧的聚乙烯（PE）复合土工膜应为二布一膜型式，其规格为500g/1mm/500g，有关技术指标应满足《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231—1998）的要求。

（2）材料强度。防渗薄膜破坏拉应力不小于12MPa，断裂伸长率大于300%，渗透系数k＜1×10－11cm/s。

9.土工格栅

因抗震设防需要，在大坝上、下游坝壳上部铺设若干层土工格栅。根据相关技术规程要求，对土工格栅的材料、规格提出以下要求。

（1）材料试验和检验：土工格栅建议采用聚丙烯土工合成格栅，其试验和检验方法应严格遵照《土工合成材料应用技术规范》（GB50290—1998）、《土工合成材料、塑料土工格栅》（GB/T17689—1999）、《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T 225—1998）、《土工合成材料试验规程》（SL/T235—1999）等现行规程规范执行。

（2）材料强度。土工格栅应采用双向抗拉型土工格栅。每幅格栅内的网眼边长宜控制在120～150mm范围，幅宽约4.3m左右，卷长30～50m。

土工格栅纵向（主拉力向）极限抗拉强度，每延米纵向拉伸屈服力应不小于150kN；土工格栅纵向伸长率为2%时，每延米抗拉强度应不小于50kN；土工格栅横向极限抗拉强度，每延米横向拉伸屈服力应不小于80kN；土工格栅横向伸长率为2%时，每延米抗拉强度应不小于20kN。土工格栅单条的抗拉强度应不小于250MPa。

（3）材料延伸率。土工格栅单条极限延伸率不大于8%。

（4）抗折、抗冲击能力。土工格栅埋设在强度较高的硬质堆石体内，要求材料具备较高的抗折、抗冲击能力，土工格栅在堆石的撞击和碾压机具的冲击作用下不会产生断裂，并保持原有的强度和延伸率。

（5）整体性要求。土工格栅要求在纵、横两个方向均具有一定强度和抵抗变形的能力。在两个方向受力后，应不产生脱落和较大的变形。尤其格栅在各种受力条件下保证较强的整体性和一定的抗拉强度，横向屈服极限延伸率不大于10%。

（6）耐久性要求。抗紫外线能力、化学稳定性和生物稳定性等应满足相关规程规范的要求，以延缓结构老化和降低施工破坏。

1.3.3　大坝基础处理设计

1.3.3.1　坝基开挖设计

1.坝体防渗心墙基础开挖

（1）河床覆盖层基础。河床部位的心墙建基面设计高程为670.00m。心墙断面范围内的低强度、高压缩性软土及地震时易液化的土层应清除或处理。建基面开挖至高程665.00～667.00m，用过渡料掺和B5反滤料加干水泥回填至高程670.00m，并在回填范围内进行9m深固结灌浆。河床覆盖层开挖时，为确保铺盖式固结灌浆施工质量，要求预留厚度不小于3m，待相应部位固结灌浆施工完毕后再开挖至设计开挖高程。

（2）坝体防渗心墙及反滤层部位两岸坝肩岩石开挖。为使坝体防渗墙与岸坡紧密结合，防止发生不均匀沉陷而导致心墙防渗体开裂，左、右岸坝肩部位心墙及反滤层的基础，覆盖层和强风化岩石必须清除。心墙和下游反滤层基础不允许欠挖，开挖面应严格控制平整度。

心墙部位岩基基础开挖后应及时进行保护，如不能及时进行保护应留有1.5m以上的岩体保护层。反滤层部位开挖后喷混凝土进行保护。

2.上、下游堆石体基础开挖

（1）覆盖层。覆盖层基础视地质情况平均挖除覆盖层基础2～3m，应尽量在坝体填筑开始时进行开挖，否则应设不少于1m的保护层。开挖应清除表层的杂物、淤泥层、砂层，并在坝体填筑前对清理后的坝基进行压实。

（2）岩石开挖。上下游堆石体基础表面所有树木、树根、草皮、蛮石以及凹处的积土、突出的岩石、垃圾等进行彻底清除。建基面上不得有反坡、倒悬坡、陡坎尖角；地质结构面上的泥土、锈斑、钙膜、破碎和松动岩块以及不符合质量要求的岩体等均必须采用人工清除或处理。

1.3.3.2　覆盖层处理

河床砂砾石覆盖层采用两道各厚1.2m的混凝土防渗墙，墙中心间距14m，墙底嵌入基岩1.5m。防渗墙分为主、副防渗墙。主防渗墙位于坝轴线剖面，防渗墙顶与廊道连接，廊道置于心墙底高程670.00m，主防渗墙与心墙及基岩防渗帷幕共同构成主防渗平面；副墙位于主墙上游侧，墙顶插入心墙内部15m。

防渗墙由上、下游各一道厚度1.2m的全封闭式防渗墙组成，防渗墙底部嵌入基岩内1.5m，最大深度81.5m。下游防渗墙位于心墙底部，防渗墙顶高程为670.00m，墙体厚度1.2m，防渗墙轴线长169.45m。防渗墙顶部（高程670.00m以下）6m（靠两岸部位）、8m（河床中间部位）深范围作为廊道应力过渡区，配置钢筋28＠20。上游防渗墙顶高程685.00m，插入高塑性黏土15m，防渗墙轴线长169.45m；防渗墙顶部（高程670.00m以下）6m（靠两岸部位）、8m（河床中间部位）深范围设钢筋笼，配置钢筋28＠20；防渗墙插入高塑性黏土部分（高程670m以上）配置钢筋28＠20。上、下游防渗墙墙体内埋设ϕ110的帷幕灌浆管，间距2m，用作河床基岩帷幕灌浆。上游防渗墙采用90d强度40MPa混凝土，下游防渗墙采用90d强度45MPa混凝土，要求弹性模量不大于30000MPa，抗渗等级不小于W12，抗冻等级不小于F50。墙体渗透系数小于n×10－7cm/s（n＝1～9）。