紫坪铺水利枢纽工程面板堆石坝设计

高希章　杨志宏　陈惠君

（四川省水利水电勘测设计研究院）

【摘　要】　紫坪铺水利枢纽工程面板堆石坝作为世界上第一座经受Ⅸ度以上地震影响烈度检验的高面板堆石坝，大坝设计以控制坝体变形为主导，要求坝体各分区用料有良好的级配和水力过渡，同时满足垫层、过渡层、主堆石料模量的刚性过渡，对各分区坝料设计选择较高的填筑标准，施工中严格控制上坝坝料级配及施工质量。良好的坝料与压实性使大坝在“5·12”大地震中变形小、震损可控，在较短时间内完成了修复。对于高坝及高烈度地震区的面板堆石坝，紫坪铺工程面板堆石坝的经验值得借鉴。

【关键词】　紫坪铺水利枢纽工程　高地震烈度　面板堆石坝　控制坝体变形　填筑标准　坝料级配　施工质量

1　工程概况

紫坪铺水利枢纽工程位于四川省成都市西北65km的岷江上游，距都江堰市9km，其下游6km则是闻名于世的都江堰渠首工程。

工程是以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电系统、冲沙放空洞、1号泄洪排砂洞、2号泄洪排砂洞。水库校核洪水位883.10m，相应洪水标准为可能最大洪水，流量12700m3/s；设计洪水位871.20m，相应洪水标准为千年一遇（P= 0.1%），流量为8300m3/s；正常蓄水位877.00m，汛限水位850.00m，死水位817.00m，总库容11.12亿m3，正常水位库容9.98亿m3。混凝土面板堆石坝坝高156m，坝顶高程为884.00m，电站装机4×190MW，保证出力168MW，多年平均发电量34.17亿k W·h。

紫坪铺水利枢纽工程区位于龙门山断裂构造带南段，北川-映秀与灌县-安县断裂之间，基本构造格架主要由平武-茂汶断裂、北川-映秀断裂、安县-灌县断裂等三条北东向压扭性大断裂组成。坝址区即位于北川-映秀断裂、安县-灌县断裂所挟持的断块上，国家地震局原确认坝址场地地震基本烈度为Ⅶ度，100年超越概率0.02时的基岩水平动峰值加速度为0.26g；“5·12”汶川大地震发生后，根据中国地震局地震预测研究所对地震危险性进行的复核成果，紫坪铺工程50年超越概率10%基岩水平动峰值加速度为185gal，地震基本烈度为Ⅷ度，100年超越概率0.02时的基岩水平动峰值加速度为392gal。

该工程为一等工程，主要建筑物1级建筑物。大坝按Ⅷ度地震、100年超越概率2%、相应基岩水平动峰值加速度0.26g进行抗震设计，其余建筑物按Ⅶ度地震、50年超越概率5%、相应基岩水平动峰值加速度0.155g进行抗震设计。

大坝坝体填筑总量为1183万m3，工程于2002年9月25日开始坝基开挖，2003年3月1日开始坝体填筑，2005年9月30日下闸蓄水，2006年6月工程全部建成。

2　混凝土面板堆石坝设计

2.1　坝体结构

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶长度663.77m，坝顶高程884.00m，防浪墙墙顶高程885.40m，趾板建基高程728.00m，最大坝高156m，上游坝坡1：1.4，下游坝坡在840.00m马道以上为1：1.5，其下为1：1.4，趾板地基由含煤含砾中细砂岩、粉砂岩、煤质页岩等组成，其中层间剪切破碎带L11～L14穿越趾板基础。防渗帷幕最大深度110m。坝基河床覆盖层厚10～15m，由漂卵砾石组成，整体结构较松散，局部架空，根据研究坝轴线上游100m至趾板及下游坝壳堆石ⅢD区坝基覆盖层砂卵石全部挖出，其余坝基砂卵石保留。

2.2　坝体分区及坝料设计

以控制坝体的变形为主导，尽量避免面板开裂的产生及接缝止水的破坏。各分区坝料透水性从上游到下游逐渐增大并满足水力过渡要求，同时满足垫层、过渡层、主堆石料模量的刚性过渡，以协调坝体变形。筑坝料选择尖尖山灰岩料。同时选择模量与主堆石料相同量级的尖尖山料场可利用的强风化灰岩料及开挖河床覆盖层砂卵石用于次堆石区。

坝体分为10个区域，即垫层料区（Ⅱ）、特殊垫层料区（ⅡA）、反滤料区（ⅡB）、过渡料区（ⅢA）、主堆石料区（ⅢB）、次堆石料区（ⅢC）、下游堆石料区（ⅢD）、坝前盖重保护料区（Ⅳ）、坝前辅助防渗料区（ⅣA）和下游坝坡干砌石（Ⅵ）（图1）。

根据室内试验及有限元计算结果，并结合现场爆破试验成果，同时类比国内外同类工程，确定坝体各区填筑料的级配及设计控制参数。

针对高烈度地震，与同类量级面板堆石坝比较，设计选择较高的可实施填筑标准。依据各分区用料及级配，采用表面振动器法测求最大干密度，按压实度不小于0.97确定填筑干密度标准，再以孔隙率及相对密度衡量干密度的合理性，控制孔隙率为规范要求的下限。

面板厚度按T=0.30+0.0035H（H为水头差）确定，顶厚0.30～底厚0.83m，最大板长262.2m。面板混凝土强度为C25，抗渗等级W12。

垫层水平宽度3m，采用尖尖山料场灰岩破碎筛分配制而成。控制最大粒径80～ 100mm，小于5mm粒径的含量不大于45%，小于0.075mm含量不大于8%。填筑压实层厚40cm，设计干密度2.30t/m3，不均匀系数74.1～83，曲率系数1.11～1.36，渗透系数不小于2.5×10-3cm/s。

在面板周边缝部位增设特殊垫层区，高2m，顶宽2m，下游坡度1：1.4，其最大粒径40mm。垫层斜坡面消坡及碾压，并采用M2.5水泥砂浆碾压护面，厚度5cm。

过渡区水平宽度5m，采用尖尖山料场灰岩爆破料填筑，最大粒径300mm，小于5mm含量10%～20%，填筑压实层厚40cm，干密度2.25t/m3，渗透系数不小于5.3×10-1cm/s。

主堆石区采用尖尖山料场灰岩爆破料填筑，设计干密度2.16t/m3，最大粒径800mm，小于5mm含量5%～15%，渗透系数不小于2.1cm/s，填筑压实层厚80cm。次堆石区用料要求与主堆石区基本相同，利用尖尖山料场强风化灰岩料和河槽砂卵石料作为本区填筑料源。本区控制最大粒径800mm，灰岩料设计干密度2.15t/m3，砂卵石料设计干密度2.30t/m3。

趾板为混凝土纯板式结构。趾板厚度0.6～1.0m，宽度按水头的1/12，分别为6～ 12m。趾板混凝土强度为C20，抗渗等级W12。

主要坝料控制级配见表1。

2.3　施工期现场检测情况

经施工期现场检测及大样室内大型力学参数检测，成果表明：

（1）各分区坝料检测平均干密度均大于设计指标，压实度均超过设计0.97的标准，达到0.98以上，标准差均远小于0.1g/cm3，表明大坝填筑密实且均匀。

（2）坝体各分区填筑料渗透系数满足设计要求，符合坝料渗透系数随小于5mm颗粒含量增加而减小的规律，满足坝料分区水力过渡要求。

（3）上坝料级配控制较好，坝体压实均匀，质量优良。

大坝于2005年10月初水库蓄水，到地震前运行两年半时间，各项监测成果表明大坝运行正常。

3　“5·12”大坝震损情况

2008年5月12日14：28，四川汶川发生里氏8级地震。地震时库水位828.62m，震中位于汶川映秀，震中地震烈度Ⅺ度。紫坪铺大坝距离震中约17.17km，大坝坝顶监测到最大地震加速度达2.064g，工程区地震烈度达Ⅸ度以上，面板堆石坝经受了超设计标准大地震的严峻考验，经过“5·12”汶川大地震后，各相关单位对大坝趾板、面板、防浪墙及下游坝坡进行了系统的检查。主要震损如下：①部分防浪墙与人行道之间拉开，最大宽度3cm。坝顶路面与溢洪道顶有20cm的错台。坝顶下游侧路缘石倾斜、青石石拦杆大部分倒塌。②坝体下游坡中上部部分表面干砌石护坡产生块石松动，没有发生滑动和块石滚落的现象，坝体整体稳定。③坝体上游面板高程845.00m二期面板与三期面板施工缝产生错断，最大错台17cm；面板5号与6号之间及面板23号与24号板间垂直缝错台，最大错台35cm；高程839.00m以上部分面板有挤压起拱、裂缝现象；面板脱空区主要分布在高程845.00m以上，高程845.00m以下仅6号面板脱空（高程833.00m脱空为2cm，高程879.00m脱空为23cm）。

根据大坝监测资料：

（1）大坝内观高程850.00m最大沉降量81.49cm，外观坝顶最大沉降量为74.43cm，震陷率0.477%，大坝内部观测最大水平变位27.44cm，坝坡向下游方向发生水平位移约30cm。

（2）位于大坝左岸高程834.87m的Z2测点周边缝沉降量92.85mm、张开度57.85mm、剪切位移-13.42mm，但至5月19日观测值有较大幅度的减少，沉降量回落到62.54mm。位于大坝右岸高程739.14m的Z9测点，周边缝沉降量53.86mm、张开度34.89mm、剪切位移104.24mm，但至5月19日观测值亦有少许减小。其他点测值小于50mm，大部分小于20mm。

（3）震前5月10日库水位为826.00m，对应渗流量为10.38L/s，震后5月21日水位为825.72m，对应渗流量为17.38L/s、5月24日水位为821.97m，渗流量18.34L/s，震后与震前渗流量比较，同水位情况下渗流量增加，但总体上均较小。

2008年10月，大坝应急修复后库水位稳定在高程860.00m时，大坝渗漏量与震前相同水位时一致，约为20L/s。

（4）测量复核成果表明，坝体在地震前后的变形明显。呈现出坝顶变化较大；坝顶又以大坝中间变化较大，靠近两侧山体变化较小的趋势。水平位移方向指向大坝中间及下游，竖向表现为下沉。震后相对变形已随时间慢慢收敛，无较大的突变（图2～图4）。

4　震损处理措施

紫坪铺面板堆石坝经历“5·12”汶川大地震影响，经外观水上部位全面检查，大坝主要破损情况包括：高程845.00m施工缝面板断裂错台，防浪墙前趾与面板接缝两侧混凝土与表面止水破损，部分混凝土面板裂缝；防浪墙分缝处挤压、张拉及错台；下游坝坡干砌石局部松动、下沉；坝顶路缘石滑移等。由于原设计坝坡稳定计算坝料参数是根据技施设计阶段的试验资料选取，施工期根据实际用料和填筑情况，进行了检测试验复核，试验复核结果表明施工期实际填筑料的力学参数均高于原设计指标，故震后复核采用坝料施工实际填筑料的力学参数进行复核，复核认为在新核定的地震工况下坝坡稳定安全系数满足规范要求。通过有限元分析复核表明：在新核定的地震工况下，满足“校核地震下不溃坝”的抗震安全性要求。故大坝震损处理根据新的复核及动力分析结果，结合震损情况，本着满足抗震稳定安全要求，加固措施尽量不改变原有结构型式进行恢复及加固处理。

4.1　面板脱空

根据脱空检查情况，面板脱空区主要分布在高程845.00m以上的左侧各块面板，对面板脱空区采用水泥粉煤灰稳定浆液注浆法进行处理，钻孔后注浆，原则由孔口自流注入，不起压。浆液采用重量比为水泥：粉煤灰：水为1：9：（5～10）。每块面板沿坡向布置钻孔10排，每排4个孔，从面板脱空下部开始往上逐级注浆，下排孔注浆时上排孔须打完。

4.2　面板845.00m高程施工缝错台

在相应块段的面板脱空处理结束后，才能进行该块段的面板845.00m高程错台缝的处理。处理方法如下：

面板5～12号和面板14～23号采取在高程845.00m错台缝以下打除混凝土80cm，其上打除混凝土100cm；面板35～38号采取在高程845.00m错台缝以下打除混凝土60cm，其上打除混凝土80cm；并在此范围外清除所有破损混凝土。将变形为Z字形的钢筋采用氧焊割除，并用16（Ⅱ级）钢筋错缝焊接，焊接长度按10倍钢筋直径计，恢复为原设计配筋型式，再将上下层钢筋用8@250竖向钢筋进行连接，形成钢筋网。浇筑C25混凝土（原面板混凝土）。新浇筑混凝土达到龄期后，将上部新老混凝土接合施工缝用10cm宽、12mm厚的三元乙丙复合橡胶板粘盖。材料、技术要求按面板原设计施工要求执行。

4.3　面板垂直缝

面板5号与6号板间垂直缝及面板23号与24号板间垂直缝处理：先打开表面止水设施，在面板垂直缝两边各40cm开口凿除混凝土，并在此范围外清除所有破损混凝土；若其底部紫铜片止水损坏，修复止水后浇筑C25混凝土（原面板混凝土）；缝顶不留V形槽。材料、技术要求按面板原设计施工要求执行。面板5号与6号之间垂直缝用12mm三元乙丙复合橡胶板嵌填，面板23号与24号之间垂直缝用24mm三元乙丙复合橡胶板嵌填。表面止水按原施工图实施。

4.4　面板裂缝

（1）对于缝宽小于0.2mm的浅表裂缝，直接在表面涂刷增韧环氧涂料。

（2）对于缝宽大于0.2mm、小于0.5mm的非贯穿性裂缝，首先对裂缝化灌处理，然后进行表面处理。

（3）对于缝宽大于0.5mm的裂缝，首先化灌处理，然后沿缝面凿槽，嵌填柔性止水材料，最后进行缝面封闭处理。

4.5　面板与防浪墙的水平缝

打开表面止水设施，在面板顶部打除50cm宽的面板混凝土，并打除防浪墙保护层混凝土，露出钢筋，修复底层紫铜片止水，浇筑C25混凝土（原面板混凝土），材料、技术要求按原设计施工要求执行。表面止水按原施工图实施。

以上各部位原混凝土打开后，视需要对垫层表面进行夯实并修面。需处理的板间垂直缝及面板与防浪墙接缝可先清除表面止水及破损的混凝土，通过进一步检查对处理方案进行调整，开槽浇筑混凝土部位两侧已破损表面混凝土清除后再采用环氧砂浆修复。

4.6　下游坝坡

大坝后坡高程840.00m以上、高程840.00m马道以下10m、高程796.00m马道以下10m这三个部位原来的干砌块石护面被震损下沉、松动了的部位全部撤除，改为M10砂浆砌块石护面；此范围未震损的部位就在原坡面采用M10砂浆填缝，钻孔深度1m，采取自流充填灌M10水泥砂浆，间排距1m。下游坡面其余部位的局部松动干砌块石，人工撤除并重砌。

4.7　其他

坝顶及防浪墙由于坝体沉降，需要恢复到原设计高程；下游拦杆改为钢筋混凝土结构。

5　震后运行监测

大坝共布置观测仪器326套，其中288套完好，38套异常，完好率88.2%。

（1）截至2014年12月坝顶测点累计最大沉降量为108.4cm，大坝内部位移相对变化量最大变化值发生在最大断面850.00m高程，最大沉降量115.6cm，最大水平变位39.6cm；2009年1月至2014年12月，坝顶测点累计最大沉降量为4.4cm，大坝内部位移相对变化量最大变化值发生在最大断面850.00m高程，最大沉降量5.1cm，最大水平变位10.4cm。从总体变形来看，大坝垂直位移变化符合坝体变化规律，主要表现为：坝轴线下游坝体沉降量大于上游，高高程坝体沉降量大于低高程，坝体垂直位移的变形主要受库水位变化影响。坝体内部水平位移测点的变化主要受库水位的变化影响，大坝测点的水平位移随着水位的上升水平位移方向向下游位移，反之，随着库水位下降，各点有微量回弹变化。

（2）截至2014年12月：位于大坝右岸Z6测点周边缝沉降量28.9mm、张开度28.1mm、剪切位移7.77mm，但2009年1月至2014年12月观测值幅度变化很小；位于大坝右岸Z12测点，周边缝沉降量8.64mm、张开度8.76mm、剪切位移39.16mm，属于震后观测值幅度变化相对较大点，其中2009年1月至2014年12月周边缝沉降量为1.15mm、张开度1.39mm、剪切位移3.26mm。周边测缝计测值年变化均保持在±1mm以内，即周边缝面板侧相对趾板侧变形较小。

（3）2014年全年大坝库水位在819.99～877.3m之间变化，全年库水位最大变幅为57.31m，全年大部分时间坝后渗流量保持在5～47L/s之间，总体变化正常。

6　结语

紫坪铺作为世界上第一座经受Ⅸ度以上地震影响烈度检验的高面板堆石坝，其良好的大坝设计与施工，使大坝在“5·12”地震中大坝变形小，震损可控，能在较短时间内修复，使工程正常发挥作用。

（1）严格控制堆石体沉降变形是保证大坝安全的重要条件。大坝设计中以控制坝体变形为主导，以尽量避免面板产生结构性裂缝及接缝止水破坏，要求坝体各分区用料有良好的级配和水力过渡，满足各分区用料模量的刚性过渡及透水要求，同时选择模量与主堆石相同量级的材料用于次堆石区，以协调坝体变形的设计理念是正确的。

（2）针对高烈度地震区的面板堆石坝，与同类量级面板堆石坝比较，应选择较高的可实施填筑标准。对坚硬岩堆石料坝，对各分区坝料采用较高填筑干密度，设计孔隙率控制在现行规范下限值，同时严格控制上坝坝料级配，在当前施工机具水平下，是完全可以实现的。

（3）良好的设计和施工质量是控制堆石体沉降变形、保证大坝安全的重要条件，尤其是经薄层重碾施工的高混凝土面板堆石坝具有良好的抗震性。经历了“5·12”大地震后，坝体总体是稳定安全的，局部震损是可以接受和可修复的，不影响大坝安全和蓄水功能。

（4）实践证明，紫坪铺面板堆石坝的设计理念先进，达到了控制坝体沉降率小、抗御高烈度地震能力强、保证面板坝安全的目的。