滩坑水电站混凝土面板堆石坝设计、运行

陈振文1　彭　育2　汤　旸1　李中方3

（1.国家能源局大坝安全监察中心；2.电建集团华东勘测设计研究院有限公司； 3.水利水电第十二工程局）

【摘　要】　本文通过滩坑水电站混凝土面板堆石坝的设计、运行及坝体性状的分析，重点介绍了坝体分区设计、筑坝材料、碾压参数、分缝止水等方面的设计特点，并通过坝体变形、渗漏等监测资料分析大坝的性状。

【关键词】　面板堆石坝　筑坝材料　分区及填筑　弹性挤压缝　周边缝止水　监测资料

1　工程概况

滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪中游河段，是一座具有多年调节性能的水库，水库总库容41.9亿m3，电站装机容量604MW，为Ⅰ等工程，按1000年一遇洪水设计，可能最大洪水校核。库坝区地震基本烈度小于Ⅵ度，大坝地震设防烈度为Ⅶ度。

枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、引水系统、发电厂房及开关站等组成。拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高162m，坝顶高程171.00m，坝顶宽12m，坝顶长度507.0m，坝体总填筑量约950万m3。枢纽布置见图1。

滩坑水电站工程由电建集团华东勘测设计研究院有限公司设计。混凝土面板堆石坝由水利水电第十二工程局施工。

该工程于2004年10月31日正式开工建设，2005年10月13日截流，同年12月开始大坝填筑，2008年4月29日下闸蓄水，2008年7月底第一台机组发电，2009年7月竣工。

2　钢筋混凝土面板坝设计

2.1　坝体分区及填筑

混凝土面板堆石坝最大坝高162m，建在厚约27m的砂砾石覆盖层上，仅挖除趾板及其下游30m范围的坝基覆盖层。大坝坝顶高程171.00m，坝顶宽12m，长507m，上游坝坡1：1.4，下游设之字形上坝公路，平均坝坡1：1.58。坝体填筑全部利用建筑物开挖料和天然砂砾石料，坝体断面分成7个区，即垫层区（周边缝下设小区料）、过渡层区、主堆石区、砂砾石区、次堆石区、面板上游粉土铺盖和盖重区，下游坡脚回填石渣区。大坝典型剖面见图2。

大坝各区填筑料设计控制指标及碾压参数见表1。

为避免面板出现弯曲及脱空问题，在一期面板浇筑前预留了堆石体3个月预沉降，沉降速率要求降至5mm/月。除此之外，加大一期面板与填筑体之间的高差措施，避免因坝体继续填筑产生的附加沉降使面板顶部与垫层发生脱空。一期面板顶高程115m，开始预留8m的临时坝顶超高，后来超高增至13m。采用上述措施后，没有出现面板与垫层脱空现象和面板结构性裂缝。

预留堆石预沉降期后，整个汛期靠碾压砂浆保护的垫层挡水度汛。2007年汛期，垫层承受的最高挡水水头53.4m。

2.2　新型周边缝止水

周边缝止水的可靠性是面板坝的关键，针对面板坝常规三道止水型式中部PVC（或铜片）止水带下部的混凝土不易浇捣密实，不能有效发挥止水作用的缺点，滩坑面板坝采用了一种新型的周边缝止水型式，即底部止水紫铜片、中部氯丁橡胶棒、顶部SR塑性填料组合的止水型式，见图3。为避免垂直缝变形局部张开，在靠近趾板的10m范围内，面板垂直缝增设一道铜止水带，一端插入周边缝顶部的SR塑性填料内，一端与垂直缝底部的铜止水带焊接。同时在高程80.00m以下周边缝顶部，设置粉煤灰区作为辅助防渗措施。

2.3　设置弹性挤压缝

一些高面板堆石坝，蓄水后出现河床中部的垂直缝两侧面板混凝土被挤压破坏的现象，这种挤压破坏与堆石流变有关。蓄水后在水压力和自重作用下，堆石体向下游变形和沉降位移，面板也随之变形，但由于面板刚度大于堆石体，在面板中间的纵缝处因受压面积减小、导致压强增大而造成混凝土被挤压破坏。

为避免面板厚度的减小，将压性缝V形槽深度减小、砂浆垫座不占面扳厚度，止水铜片鼻子高度适当减小，为避免蓄水后面板的挤压破坏，在面板中部压应力最大的5条压性缝设置为弹性挤压缝，缝宽12mm，缝内充填三元乙丙橡胶片，以协调面板间的挤压变形。

自2008年蓄水后，滩坑面板堆石坝已运行7年，面板没有出现挤压现象。

2.4　趾板、面板设计

面板是大坝主要的防渗结构。根据承受的水头，面板厚度按公式T=0.3+ 0.0035H变化，H为计算断面到面板顶部的垂直高度，顶部厚度0.3m，底部最大厚度0.86m。面板设垂直缝，其间距根据施工条件及强度定为12m，在左岸坝肩地形突变处间距6m。面板分两期浇筑，设一条水平施工缝。第一期面板顶部高程115.00m，一期面板最大斜坡长约182m，一期面板浇筑前，上游坝体已填筑到128.00m高程，下游填筑到115.00m高程，并预留了3个月的预沉降期，避免面板顶部脱空。面板混凝土水泥采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，选用二级配混凝土，中、小石比45：55左右，骨料最大粒径40mm，砂率约38%，掺入15%Ⅰ级粉煤灰。水灰比不大于0.48，外加剂为防裂剂、高效减水剂和引气剂。混凝土出机口含气量为3%～5%，入仓混凝土坍落度为3～5cm。混凝土抗压强度30 MPa，抗拉强度2 MPa，抗渗等级W12，抗冻等级F150。

面板按单层双向配筋，钢筋布置在中部，面板纵向配筋率0.4%，横向配筋率0.35%。在面板顶端、周边缝附近以及垂直缝附近面板内，布置加强筋。

趾板基础置于弱风化岩石上部，为方便趾板的施工，采用水平趾板。趾板宽度由基础的允许渗透比降确定，按不同作用水头，趾板宽度分别为6.0m、8.0m、10.0m，趾板厚度分别为0.5m、0.7m、0.9m。

除基础岩性差异大和地形突变部位以及趾板转折处设结构缝外，其余仅设施工缝，以简化趾板结构，防止裂缝产生。施工缝间距15～20m，钢筋穿过缝，施工缝凿毛处理，并增设跨缝钢筋。趾板混凝土的要求与面板混凝土相同，趾板按单层双向配筋，纵横向配筋率均为0.36%，钢筋布置在趾板顶部，保护层厚10cm。趾板上锚筋按方格布置，间距1.2m。

2.5　大坝基础防渗处理

在趾板上设置帷幕灌浆和固结灌浆。帷幕灌浆采用现场磨细后强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。趾板中部设一排帷幕灌浆，孔距2.0m，帷幕底部深入相对不透水层（q≤3Lu）以下5.0m，且不小于0.3倍坝高，帷幕深度50～80m，帷幕灌浆质量以透水率小于3Lu为合格。两岸帷幕灌浆向山体内延伸，与地下水位线相接。接触段灌浆压力为0.5MPa，其他各段1.0～3.5MPa。在断层、破碎带、岩脉等岩体完整性较差的地段采取加密灌浆孔处理或将上游侧一排固结灌浆改为加强帷幕灌浆，孔距2m，与主帷幕孔呈梅花形布置，孔深为主帷幕孔深度的2/3。

固结灌浆采用现场磨细后强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。对宽10m的趾板，在帷幕灌浆线的上、下游各布置2排孔深15m的固结灌浆；对宽8m的趾板，在帷幕灌浆线的上游布置1排、下游布置2排孔深12m的固结灌浆；对宽6m的趾板，在帷幕灌浆线的上、下游各布置1排孔深10m的固结灌浆；固结灌浆孔排距2m，孔距3m，呈梅花形布置，最大灌浆压力0.5MPa。

3　大坝主要监测资料

为了解和掌握水工建筑物的运行状况及其变化规律，根据有关规范和标准，结合滩坑工程的具体情况，对大坝设置的监测项目有：堆石坝体内外部水平、垂直位移监测；面板之间垂直缝、面板与趾板之间周边缝开合度监测；面板挠曲变形、应力、温度监测；坝体、坝基渗流监测；环境量监测等。

3.1　坝顶变形监测

坝顶设置的位移监测点13个，其编号为LD2-1Z至LD2-13Z。坝顶垂直位移过程线见图4，2009年7月至2013年6月，坝顶完工后4年时间，坝顶实测沉降量较小，最大值为147.6mm（位于河床部位的坝顶）。坝顶沉降速率逐年减小，从趋势看运行4年已基本趋于稳定。说明设计在坝顶预留0～0.5m（两岸-河床）的沉降超高是合适的。

3.2　坝体沉降变形监测

实测坝体最大沉降变形位于河床最大断面（坝0+417）的坝轴线处1/2坝高位置（高程84.00m），至2013年9月最大沉降值为96.06cm，为坝高的0.6%，说明坝体填筑碾压较为密实。坝体沉降过程线（坝0+417断面）见图5（图中××V2-i，××表示测点高程；i表示序号从上游到下游依次递增）。施工期（2009年7月前）已完成89%的总沉降量（约86cm），运行4年后沉降基本趋于稳定。

3.3　河床覆盖层变形监测

河床段保留了约25m厚的砂砾石覆盖层作为坝体基础，坝基覆盖层沉降量由电位器式沉降仪监测，监测仪器在坝体填筑之前就已完成埋设安装，采集到坝基在坝体填筑过程中完整的沉降数据以及在坝体填筑完成运行至今的沉降数据。在河床覆盖层上埋设5个沉降仪，编号为33JV2-1至33JV2-5。33JV2-1、33JV2-2在坝轴线前，33JV2-3在坝轴线位置，33JV2-4、33JV2-5在坝轴线后。坝基覆盖层多年累计最大沉降量在206.8～588.2mm之间，见图6和图7。坝体填筑前清除了约1～2m的松散表层，再用22t振动碾碾压8遍。河床覆盖层最大沉降约为覆盖层厚度的2.4%，相对于坝体碾压堆石河床覆盖层的沉降略偏大。坝体填筑完工后，覆盖层沉降已基本趋于稳定。

3.4　坝体渗漏量监测

在大坝下游坝趾处河床砂砾石覆盖层中设一混凝土防渗墙，拦截坝体及坝基渗水，同时排除电站尾水的影响，防渗墙顶部设置缺口安装量水堰，以监测大坝的渗流量。渗流监测过程线见图8。

多年实测大坝渗流量的年变化幅度在58.11～177.56L/s之间，说明大坝渗流量对环境因素（降雨）的影响敏感。扣除环境因素（降雨）影响，大坝渗流量值较小且基本稳定，最大渗流量约76.7L/s。

4　结语

滩坑水电站大坝自2008年4月蓄水以来已运行7年，从有关监测资料分析表明，大坝运行正常。从设计及监测资料分析，有以下特点：

（1）在坝体填筑料源上，充分利用建筑物的开挖料以及当地较丰富的河床砂砾石料筑坝，不再开采石料场，有利于保护环境。

（2）为充分利用河床砂砾石作为坝体的一部分，又确保趾板基础的防渗效果，仅在趾板后开挖30m范围的覆盖层，且在覆盖层上埋设的监测资料表明，坝体填筑完工后，覆盖层沉降已基本趋于稳定，蓄水后坝前有所增加，坝后基本没有增加。

（3）滩坑坝高达162m，为减少运行期的坝体沉降变形，避免周边缝张开过大以及面板挤压破损，坝体填筑料的孔隙率不宜过大，选用了当时国内碾压功率最大的22t拖式振动碾压设备。

（4）在分期浇筑的面板中，坝体高程应高于浇筑面板的高程。滩坑一期面板浇筑时，设计提出坝体应高出面板浇筑高程8m，实际施工时，高出13m。因此，一期面板顶部无脱空现象发生。

（5）为避免大坝中部面板挤压破损，在受压区中部面板设置5条抗挤压弹性逢，大坝蓄水、运行以来，没有发生面板挤压现象。

（6）大坝完工以来的坝顶监测资料表明，4年多坝顶最大沉降量仅14.76cm，坝体最大沉降96.06cm、仅为坝高的0.6%，说明大坝填筑料的设计、施工达到满意的效果。

（7）坝后量水堰监测资料反映，在库水位变幅区范围内，大坝及基础渗漏量最大约76.7L/s，表明大坝的防渗系统设计、施工是可靠的。

参考文献

[1]　滩坑大坝安全监测资料分析报告[R].武汉大学，2013.