设计

猴子岩水电站面板堆石坝设计与施工综述

李红心　朱永国

（国电大渡河猴子岩水电建设有限公司）

【摘　要】　猴子岩水电站面板堆石坝坝高223.5m，宽高比1：1.25，是深窄河谷上的世界第二高面板堆石坝。为此，在设计指标上采用了高标准和新思路，在施工手段上采用了新设备和新工艺。对此进行概括介绍，为深窄河谷高混凝土面板堆石坝的设计与施工提供参考和借鉴。

【关键词】　深窄河谷　混凝土面板堆石坝　设计　施工

1　概述

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案的第9个梯级电站，上游为丹巴水电站，下游为长河坝水电站。电站枢纽建筑物主要由拦河坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸地下引水发电系统等组成，电站装机容量为1700MW。

拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为1848.50m，坝顶长度278.35m，坝顶宽度14.0m，最大坝高223.50m。坝体自上游至下游依次为上游压重区、砾石土铺盖区、石粉铺盖区、混凝土面板、垫层料区、过渡料区、堆石料区、干砌石护坡及坝后压重区，设计填筑总量约970万m3。为改善面板布置与河床基坑施工条件，河床深槽部位设置基础回填混凝土，基础回填混凝土顶高程为1635.00m。

2　面板堆石坝设计

2.1　坝体填筑设计参数

坝体填筑料分为垫层料、特殊垫层料、过渡料、堆石料、下游压重堆石料、下游弃渣压重、上游弃渣盖重、砾石土铺盖料、石粉铺盖料等。坝体典型断面见图1。

（1）垫层料。垫层料的最大粒径采用80mm，小于5mm颗粒的含量控制在35%～ 50%，小于0.075mm含量确定为4%～8%，渗透系数宜为1×（10-3～10-4）cm/s，孔隙率不大于17%，相应干密度不小于2.34g/cm3，相对密度不小于0.90。

（2）特殊垫层料。特殊垫层料采用垫层料剔除大于40mm以上颗粒后剩余的部分，最大粒径40mm，小于5mm颗粒的含量为45.5%～56%，小于0.075mm颗粒的含量为5.5%～7%，孔隙率不大于16.5%，相应干密度不小于2.35g/cm3，相对密度不小于0.90。

（3）过渡料。过渡料的最大粒径采用300mm，小于5mm颗粒的含量控制在10%～ 30%，小于0.075mm含量不超过5%，渗透系数宜为1×10-2cm/s，孔隙率不大于18%，相应干密度不小于2.31g/cm3，相对密度不小于0.90。

（4）堆石料。堆石料最大粒径800mm，小于5mm粒径的颗粒含量不超过20%，小于0.075mm粒径的颗粒含量小于5%，不均匀系数Cu大于5，曲率系数Cc介于1和3之间，级配连续，渗透系数宜为i×10-1～i×100cm/s。灰岩堆石料设计孔隙率不大于19%，干密度不小于2.28g/cm3；流纹岩堆石料设计孔隙率不大于19%，干密度不小于2.18g/cm3。

（5）铺盖料。坝前铺盖分为粉煤灰铺盖区、石粉铺盖区和砾石土铺盖区。粉煤灰为Ⅱ级灰，石粉铺盖料利用大坝基坑②层黏质粉土开挖料，砾石土铺盖料利用以大坝基坑②层黏质粉土为主的开挖混合料，砾石土要求渗透系数不大于1×10-4cm/s，大于5mm颗粒含量不大于50%，小于0.075mm颗粒含量应大于15%，最大粒径不大于100mm，压实度宜大于90%。

（6）下游压重料。下游坝后压重体由堆石料和弃渣料组成，压实后的孔隙率应不大于24%。弃渣压重采用砂砾石料填筑时，压实后的相对密度不小于0.75。

2.2　趾板结构设计

趾板是混凝土面板堆石坝的重要组成部分，既与面板一起形成大坝的防渗体，同时趾板又是灌浆施工的平台，与经过固结灌浆、帷幕灌浆处理后的基岩连成整体，封闭趾板基础以下的渗流通道，从而形成一个完整的防渗体系。

对于狭窄河谷修建的混凝土面板堆石坝，趾板的布置和结构设计成为筑坝技术的关键技术之一。合理的布置和结构型式，不仅可以减少高陡边坡的开挖工程量，节约工程投资，而且对缩短工程建设周期、提高工程效益可起到不可忽视的作用。

猴子岩水电站坝址区河谷狭窄，宽高比1：1.25。为减少趾板基础开挖，采用两岸等宽窄趾板加内坡防渗板及喷锚混凝土的型式。左右岸趾板宽6m，河床水平趾板宽10m，标准板厚度0.6～1.0m。

为防止连续趾板施工期出现收缩裂缝，趾板采用宽槽施工，宽槽底边长1m，待龄期和两侧混凝土温度降到设计要求后再回填宽槽，并按施工缝面要求处理。

2.3　面板结构设计

大坝面板底部高程1636.00m，顶部高程1845.00m，上游坝坡1：1.4，面板最大斜长359.6m，面板底部厚度1.05m，顶部厚度0.4m，中间厚度按公式t=0.4+0.0031H（H为计算断面到面板顶部的垂直高度）渐变，共分33块，两岸受拉区面板（左岸13块，右岸9块）垂直缝间距6m，河床中部受压区面板（11块）垂直缝间距12m。

为提高抗裂性能，面板混凝土采用低热水泥浇筑，同时外掺0.9kg/m3的PVA纤维。

2.4　大坝变形监测设计

猴子岩大坝坝体监测仪器主要有：监测坝基变形的电位器式位移计、监测堆石体应力的土压力计、监测渗透压力的渗压计、监测堆石体分层压缩率的横梁式沉降仪。坝体垂直位移、水平位移监测，采用了传统的水管式沉降仪和引张线式水平位移计，并增加了光纤陀螺仪监测系统和弦式沉降仪。其中弦式沉降仪布置在坝体内部水位线以下（因水管式沉降仪难以在水位线以下监测），主要用于水库蓄水后坝体水位线以下的坝体沉降监测。弦式沉降仪由测头与储液罐组成，通过测头传感器感知液体压力获得位置变化。这种系统很好地解决了局部填料差异的沉降代表性问题，也便于实现自动化观测。总结弦式沉降仪在其他工程应用的经验、教训，猴子岩工程在埋入式的储液罐上方通过增加钢管标的方式获得储液罐的绝对高程变化，克服了该系统在大坝施工期不能观测的弊端，保证了监测数据的连续性。

混凝土面板监测仪器主要有固定式测斜仪、面板脱空计、周边缝三向测缝计、混凝土应变计等。面板周边缝渗流监测采用了光纤光栅渗流监测技术。针对面板板间缝的渗流监测，引进了分布式光纤渗流监测技术。

2.5　坝体施工期反向排水设计

猴子岩水电站坝体施工期反向排水系统由坝前穿过水平趾板的8根外径D300镀锌钢管、穿面板1665.00m高程的2口内径2m的竖向排水井和坝后2口内径2m的竖向排水井组成。

在上游铺盖回填前由8根排水管自由排水，排水管封堵施工及封堵后由坝前2口排水井抽排。待坝前铺盖填筑至1660.00m高程且上游基坑水位上升至1655.00m高程时进行坝前排水井封堵。上游排水井封堵施工及封堵后由坝后排水井抽排。待坝前铺盖填筑至1690.00m高程且上游基坑水位上升至1688.00m高程时进行坝后排水井封堵。

3　面板堆石坝施工

3.1　主要项目施工规划

（1）面板施工分期规划。根据猴子岩水电站下闸蓄水与面板分期优化研究成果，大坝混凝土面板分三期施工。

考虑大坝施工实际进度、坝前铺盖设计填筑高度（1735m）、混凝土面板斜长等综合因素，确定一期面板顶部高程为1738.00m。

根据导流洞下闸后水库死水位高程（1802.00m）、首台机组发电水位高程、混凝土面板斜长等综合因素，确定二期面板顶部高程为1810.00m。剩余三期面板到坝顶防浪墙底部高程1845.00m。

面板混凝土施工规划见表1。

（2）坝体填筑分期规划。根据坝体填筑实际进度，结合汛期临时挡水度汛、填筑高差不大于40m、面板分期及面板以下坝体预沉降期不少于5个月等要求，坝体填筑分六期施工，分期施工规划见表2。

3.2　主要施工设备选型与配置

根据碾压试验及坝体填筑强度需要，大坝填筑主要配置32t振动碾5台，22t振动碾1台，推土机6台，并配置液压夯板、液压破碎锤等辅助设备。挖装设备以1.6～2.2m3反铲为主，运输设备以25t自卸汽车为主。

3.3　坝体填筑碾压试验与碾压参数

猴子岩面板坝现场碾压试验是根据坝料的开挖及生产情况进行的，时间自2012年9月21日到2013年8月，共完成上游堆石料验证及复核碾压试验共39小场、下游堆石料验证及复核碾压试验共11小场、砂砾料验证及复核碾压试验共17小场、过渡料验证及复核碾压试验共20小场、垫层料验证及复核碾压试验共14小场。通过试验确定的填筑碾压参数见表3。

3.4　施工质量控制

3.4.1　GPS 质量监控系统的应用

为了适应猴子岩面板堆石坝填筑工程工期紧、施工强度大等特点，同时保证对大坝填筑过程实时、高效、精细化的管理，建立了猴子岩堆石坝填筑碾压过程实时监控系统。实现了对大坝坝面碾压包括碾压遍数、行车速度、激振力等参数的有效监控，并建立了实时控制和预警机制。

系统应用计算机图形技术等技术与手段，将碾压机行进的三维空间轨迹数据以平面图形的方式显示，即碾压轨迹的计算机数学建模，从而直观、形象、精确的描绘碾压机行进轨迹线，实时计算与显示碾压遍数、行进速度、振动状态、填筑层厚度等碾压控制参数指标，实现碾压施工监控成果的可视化查询与图形报告输出。图2所示为碾压机碾压轨迹图形报告；图3所示为碾压遍数图形报告。

使用该系统可以实现远程、实时、高效地对大坝填筑过程进行管理与控制，解决了传统由现场工作人员控制碾压参数低效及存在人为因素的问题，确保猴子岩大坝填筑质量。

3.4.2　附加质量法的应用

附加质量法是近年来广泛用于快速无损检测堆石体密度的方法，具有无损、快速、准确、成本低，可实时控制施工填筑质量等特点。与传统方法相比，该方法通过实时测试堆石体密度，在施工过程中对填筑质量进行实时跟踪检测和控制施工质量，现场检测后及时反馈检测信息，对不合格部位要求及时补碾，以达到控制施工质量和指导大坝施工填筑的目的。检测工作中获取了大量的关于堆石体内部质量有关信息，检测成果不仅较全面地控制了场地施工碾压质量，而且可为施工提供很多合理化的建议并及时指导施工工艺的改进。

通过202个测点的坑测法和附加质量法检测成果比对分析，附加质量法测试成果与实际的坑测成果比对结果相符，附加质量法测试结果与坑测值相比，测试密度误差最大值为0.05g/cm3，测试密度相对误差最大值为2.20%，测试密度平均相对误差为0.58%。

通过采用附加质量法，实现了每一个填筑单元质量验收评定的量化控制，可按规范下限控制挖坑检测数量，也有利于加快施工进度。

截至2015年4月底，猴子岩面板堆石坝坝前区填筑至高程1780.00m，坝体下游区填筑至高程1756.00m，最大坝高达155m；累计完成坝体填筑685万m3，占设计填筑量76%（未计坝前铺盖）。实测坝体最大沉降量483.3mm，约为坝高的0.3%。大坝一期面板于2015年1月4日浇筑完成，目前仅发现2个反向排水集水井进口周边面板共15条裂缝，一期面板其他部位为发现裂缝。总体而言，坝体填筑碾压与一期面板混凝土质量较好。

4　结语

猴子岩水电站大坝坝高223.5m，宽高比1：1.25，是深窄河谷上的世界第二高面板堆石坝，针对坝体填筑料小孔隙率的高技术指标质量控制要求，32t大型振动碾与GPS监控系统、附加质量法等新技术的引用，提高了坝体填筑施工进度，有效保证了坝体填筑施工质量。