猴子岩水电站面板堆石坝变形控制研究

姜媛媛

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司）

【摘　要】　大渡河猴子岩水电站最大坝高223.5m，具有坝高、河谷狭窄、抗震设计烈度高等特点。经过大量试验研究并结合工程特点，从数值分析、坝体分区、坝料填筑设计、坝基处理、施工填筑程序等方面进一步归纳、总结了猴子岩高面板堆石坝变形控制的设计思路。

【关键词】　面板堆石坝　分区设计　坝料设计　基础处理　静力分析

1　引言

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。坝址控制流域面积54036km2，占全流域面积的69.8%，多年平均流量774m3/s。正常蓄水位为1842.00m，相应库容6.62亿m3，水库总库容7.06亿m3，死水位为1802m，调节库容为3.87亿m3，电站具有季调节能力。电站采用坝式开发，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。拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高223.50m；泄洪建筑物由右岸溢洪洞和泄洪放空洞，左岸深孔泄洪洞和非常泄洪洞（由1号导流洞改建）组成。

对于狭窄河谷中的猴子岩高面板堆石坝工程，坝体变形控制是关键技术问题之一。本文通过数值分析、坝体分区，坝料压实标准、施工填筑程序等方面进行探讨，总结了猴子岩超高面板堆石坝变形控制的基本思路，以减小施工期坝体的不均匀沉降，改善面板在施工期的应力变形状态。

2　基础处理

坝基河床覆盖层深厚，钻孔揭示厚度一般为41.20～67.77m，最大厚度75.15m。自上而下分为4层：第④层为孤漂（块）卵（碎）砂砾石层，第③层为含泥漂（块）卵（碎）砂砾石层，第②层为黏质粉土，第①层含漂（块）卵（碎）砂砾石层）。

趾板基础大部分坐落在强卸荷带岩体上，均需加强固结灌浆，增加其整体性。对于河床覆盖层，由于第②层黏质粉土力学指标低，且为可能液化土层，不能作为面板堆石坝的基础，坝基部位②层及其以上覆盖层全部挖除；趾板下游及坝轴线之间部位的第①层夹有①-a层卵砾石中粗砂层，存在不均匀变形问题，趾板下游90m范围①层全部挖除，其余部分予以保留。为减小基坑涌水对河床段趾板施工的影响，改善河床基坑施工条件，河床深槽部位设置基础回填混凝土。

两岸部位要求挖除覆盖层与极强卸荷裂隙发育带。趾板区接下坡开挖时，坡度不陡于1：0.5；接上坡开挖时，先将30m范围内挖平再接上坡，坡度为1：1.6，以防止对面板造成硬性支撑。两岸坝基要求坝轴线上游反坡采用削挖或适当回填混凝土或浆砌块石，坡度不陡于1：0.3。为防止渗透水流通过岩体裂隙而产生基础渗漏破坏，自趾板下游相当于该部位坝高的1/3宽度范围内填筑厚2.0m的垫层料和过渡料。

3　大坝坝体分区

面板坝坝顶高程为1848.50m，坝顶总长278.35m，坝顶宽度13.2m，最大坝高223.50m。防浪墙采用U形整体结构，将上游防浪墙与下游挡墙连为一体，墙底高程1845.00m。上游坝坡1：1.4，下游坝坡设置之字形上坝道路，综合坡比1：1.625。下游坝脚设置压重区，顶高程1713.50m。

猴子岩面板堆石坝在进行分区设计时，在对已建超高面板堆石坝设计经验总结的基础上，提出了超高面板堆石坝材料分区原则：

（1）料源选用原则。坝体分区应根据料源和筑坝材料的工程特性，进行技术经济比较，尽量选用抗剪强度高、压缩性低、压实特性好，距坝址较近以及开采、运输和碾压施工方便的筑坝材料。充分合理利用枢纽的开挖料，分区尽可能简单以达到经济的目的。

（2）坝料之间水力过渡原则。各分区材料应满足水力过渡要求，从上游向下游坝料的渗透系数递增，各区坝料间应满足水力过渡的要求，保证坝体能排水畅通且相邻区下游坝料对其上游区有反滤保护作用，以防止产生内部管涌和冲蚀。

（3）变形控制原则。坝轴线上游部位是承受水荷载的主体，上游堆石体应具有较高的变形模量，以确保坝体上下游均匀变形。

（4）对于狭窄河谷，为减小坝体顺坝轴线方向的变形梯度，宜设置变形过渡区，即在堆石体与岸坡接触部位设置过渡区。

根据以上分区原则，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、混凝土防渗面板、垫层区、特殊垫层、过渡区、堆石区、浆砌石护坡、干砌石护坡及坝脚压重区。大坝分区见图1。

4　坝料设计

对于建在狭窄河谷中的猴子岩高混凝土面板堆石坝来说，坝体变形控制的关键是尽量减小堆石体的变形，提高其压缩模量，减小面板的变形及接缝位移。孔隙率对坝体变形模量影响较大，较低的孔隙率可获得较高的坝体变形模量，即堆石越密实，变形模量越高。另外，河谷的形态对坝体的变形模量也有显著影响。对宽阔型河谷，大坝变形模量较低；对狭窄型河谷，大坝变形模量较高。

猴子岩坝体填筑所用的堆石料主要取自上游色龙沟料场灰岩料、下游桃花料场斑状流纹岩料和枢纽建筑灰岩开挖料，根据两种堆石料的压实性能和力学指标，灰岩料设置在上游堆石区。为了满足控制坝体变形的要求，对各坝料分别进行室内试验以及现场碾压试验，从而得出合理填筑技术要求。大坝各区填料设计控制参数及碾压参数见表1。

5　大坝三维有限元静力计算

5.1　本构模型与计算参数

对堆石体以及河床覆盖层等散粒材料采用邓肯张E-B模型，面板采用线弹性模型，面板与垫层料之间设置Goodman单元模拟相互间的接触关系，面板与面板之间以及面板与趾板之间的接缝采用无厚度的连接单元模拟接缝之间的相互作用。计算参数见表2。

5.2　计算成果及分析

（1）坝体位移与应力分析。竣工期坝体沉降最大为145.3cm，满蓄期由于水压力的作用，坝体沉降略有增加，最大值为152.4cm，最大沉降为坝高的0.68%，沉降最大值均位于坝体中央约1/2坝高处。主要计算成果见表3。考虑堆石料变形模量对大坝变形的影响，将流纹岩堆石料的变形模量参数K和Kb降低20%，其他参数不变。当流纹岩堆石料的变形模量降低20%后，由于灰岩堆石料（上游区）的参数不变，大坝水平向上游位移变化不大，但向下游位移增加约30%，竖向沉降增加约10%。

猴子岩坝址河谷宽高比约1.3，大坝地处狭窄河谷。由坝轴线剖面的应力分布（图2）可知，在原河床1690.00m高程以下堆石区存在明显的拱效应，建议适当提高1690.00m高程以下堆石区的填筑指标，提高其变形模量，减小河谷拱效应对面板的变形与应力的不利影响。

（2）混凝土面板位移与应力分析。竣工期面板的最大挠度为14.3cm，满蓄期面板的最大挠度为48.2cm，出现在河床中部约1/3坝高附近，挠曲率约为0.04%～0.13%。

满蓄期，面板轴向最大压应力位于河床中部离坝脚1/3坝高附近，最大值达12.8MPa。两岸出现小范围的拉应力区，拉应力值最大值为0.1MPa，见图3所示。在自重和水压作用下坝体沉降时向河谷方向收缩，堆石体的位移趋势受到面板摩擦阻力，对面板产生河谷方向的剪应力，从而在面板中部形成较高的坝轴向压应力，在两岸则出现拉应力，但由于靠近两岸的面板垂直缝受拉后张开，面板坝轴向拉应力并不大。河床中部的面板垂直缝受压，缝中的木板模量较大，致使坝轴向压应力较大。满蓄后面板顺坡向应力最大值为7.2MPa，位于河床中部1/2坝高附近，在面板底部出现小范围的拉应力区，靠近河床部位局部达在3.6MPa。如图3、图4所示。

（3）周边缝和垂直缝位移。蓄水期周边缝位移，左岸剪切、沉陷和张拉位移极值分别为1.65cm、1.25cm和1.25cm；右岸剪切、沉陷和张拉位移极值分别为1.46cm、1.40cm和2.98cm；河床中部剪切、沉陷和张拉位移极值分别为0.02cm、0.92cm和2.55cm。周边缝位移总体看两岸大于河床，左右岸（均为陡岸坡）位移相当，右岸略大。

面板垂直缝的沿顺坡向剪切位移最大值为1.63cm，沿面板法向剪切位移最大值为1.83cm；张开位移最大值为1.02cm，发生在右岸靠近坝顶部位，压缩位移量值比较小，最大值为0.20cm。

6　结语

（1）超高面板堆石坝应从坝料选择、坝体分区、设计与施工参数的确定等方面提出高标准，尽可能减小坝体变形。

（2）从工程数值计算和工程实践来看，在面板堆石坝断面分区设计中，坝体下游堆石区是作为主堆石体的辅助支撑部分，但主次堆石区材料的变形模量不宜相差过大。

（3）猴子岩坝址河谷两岸地形陡峭，特别是两岸与大坝连接部位，堆石体应力降低明显，应力水平较高。宜在堆石与坝基接触部位设置过渡区，以减小坝体顺坝轴线向的变形梯度。

参考文献

[1]　杨启贵，常晓林，周创兵，周伟.水布垭超高面板堆石坝变形控制方法研究[J].岩土力学，2010，31（2）.

[2]　熊泽斌，杨启贵，张远建.水布垭高面板坝设计[J].人民长江，2007，38（7）.

[3]　窦向贤.猴子岩水电站高面板堆石坝设计[J].人民长江，2014，45（8）.