巴山水电站钢筋混凝土面板堆石坝设计、运行

齐立景　陈振文　杜雪珍

（国家能源局大坝安全监察中心）

【摘　要】　巴山水电站工程由于地形、地质条件复杂，设计分阶段分别对坝轴线、坝体剖面、筑坝材料、趾板、坝基覆盖层处理等进行了优化和调整，取得了较好的经济效益和社会效益。

【关键词】　折线坝　趾板　坝料　覆盖层处理

1　工程概况

巴山水电站工程位于重庆市城口县境内的任河干流上。坝址位于巴山镇上游约1km的冉家坝处，采用引水式发电，厂址位于巴山下游雷打石任河左岸山坡处。坝址以上控制集水面积1712km2。水库总库容（校核洪水位以下）3.165亿m3，电站装机容量140MW。大坝为混凝土面板堆石坝，坝高155m，属Ⅱ等工程，大坝为1级建筑物。按500年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核；水库正常蓄水位680.00m，死水位650.00m，工程区地震动峰值加速度为0.05g（地震基本烈度为Ⅵ度）。

溢洪道和导流隧洞位于右岸，溢洪道共设3孔，每孔13m；导流洞长845.0m，衬砌后断面尺寸为10.0m×13.0m（宽×高）。引水隧洞长约2.55km，全长采用马蹄形开挖断面，洞径7.6m，底宽4.5m。

巴山水电站设计单位：华东勘测设计研究院；大坝施工单位：中水第十二工程局。

工程于2005年12月1日开工，2006年10月18日截流，2009年4月28日下闸蓄水，2009年8月10日两台机组投产运行，2009年12月底主体工程完工（图1）。

2　设计特点

2.1　首座高水头折线面板堆石坝

巴山水电站拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高155m，是重庆地区第一高坝。坝体总填筑量约550万m3，巴山电站坝址区河道顺直，河谷狭窄，常水位水面宽30～40m。坝区两岸山体雄厚，河谷呈V形，两岸无阶地分布，地形基本对称，宽高比约2.32，是标准的拱坝坝型河谷，原规划设计单位将之规划为拱坝。通过大量的地勘工作，发现两岸覆盖层广布且深厚，分布不对称。右岸分布于Ⅰ-Ⅰ'线上下游约350m范围，分布高程为630.00～930.00m，覆盖层厚1.3～25.5m，上厚下薄；左岸覆盖层分布高程为575.00 ～1190.00m，上、下游最大宽度为1150m左右，厚度一般为5～20m，覆盖层厚度大于15.0m的主要分布在Ⅲ-Ⅲ'线，高程630.00～800.00m附近，以及Ⅲ-Ⅲ∥线～Ⅱ-Ⅱ'线之间，高程660.00～980.00m一带；厚度大于30m的分布于Ⅱ、Ⅲ间，高程710.00～ 910.00m，揭露最大厚度达33.7m。崩坡积体主要成分为碎块石、大块石及少量壤土，结构松散，大块石之间多架空，块石直径最大可达2～5m。由于两岸覆盖层分布的不对称性，已不可能采用拱坝方案，改为混凝土面板堆石坝。为避开两岸的覆盖层，避免覆盖层开挖带来的边坡稳定问题，将面板坝坝轴线布置为折线，即右岸位于Ⅲ-Ⅲˊ线处，左岸以Ⅲ-Ⅲˊ线为端点向上游旋转21.56°至Ⅱ-Ⅱ'下游侧，然后再沿岸坡折线至Ⅱ-Ⅱ'线上游冲沟处（Ⅵ-Ⅵ'线），使趾板基础坐落在基岩上，因地制宜地根据现场地形地质情况布置成折线型面板堆石坝。

采用斜折线坝轴线后，避开了左岸高额覆盖层处理费用，有效地保护了自然环境，节省工期，节约了工程投资。通过分析、研究和计算，将左岸覆盖层作为坝体的一部分，只清除表层松散土、腐殖土和耕植土，边填筑边清理，以保证边坡施工期不塌滑，确保工程顺利进行，减少了安全隐患，取得了巨大的经济效益和社会效益。该坝型设计取得国家专利（专利号：ZL 2008 1 0062182.X）。

从2009年完工后安全运行至今，实践证明这一方案很成功，对减少坝基开挖工程量、缩短建设周期、降低工程造价，有着重要的意义，也为我国面板坝的进一步发展做了有益的探索（图2～图3）。

2.2　下游坝坡不设之字形上坝公路

为减少坝体填筑方量，降低工程投资，坝顶宽度为10.00m，坝顶下游侧设挡墙，下游坝坡不设之字形上坝公路，而是沿高度方向每隔30m设2m宽的马道，上面两级坡度为1：1.3，下面两级坡为1：1.4，下游平均坝坡为1：1.4，上游面坝坡为1：1.4。

2.3　筑坝材料设计优化

根据地质勘探，巴山电站下游共有巴山和钟亭两处砂砾石料场，钟亭料场地处四川界内，不便开采。砂砾石料场有用层水上储量24.37万m3，水下储量54.11万m3，总储量78.48万m3，砾石含泥量为0.6%～8.5%，平均值为1.81%，小于5mm含量为0.6%～ 10.8%，经测定砾石中含碱活性成分的岩石主要为硅质岩，含量0.1%～0.5%。砂砾石料可作为坝体的填筑料源，但因含有碱活性及砂含硫酸盐及硫化物含量超标，不能直接作为混凝土骨料。根据相关工程经验，在坝体中部河床部位布置砂砾石区，砂砾石总利用量约50万m3。根据料源情况及面板坝的基本分区要求，本工程坝体分区为垫层区、过渡层区、主堆石区、砂砾石区、次堆石区、周边缝下设小区料，面板上游595.00m高程以下设粉土铺盖和盖重区，下游面干砌石护坡和坝脚下游回填超径石压坡。

在不增加坝体断面条件下合理采用天然河床砂砾石料，结构安全可靠，利用了砂砾石料高压缩变形模量的特点，减小坝体和面板的变形，从观测资料表明，坝体位移较小，达到了预期效果。具有较好的经济效益和社会效益。大坝典型剖面见图4。

2.4　坝基覆盖层处理

巴山河床冲洪积层由砂卵砾石、漂石组成，厚度5～10m。下伏基岩为含砾凝灰质岩屑砂岩，岩石风化以正常风化为主，局部沿构造面出现夹层风化。原设计暂按全部挖除处理，施工过程中实测其干密度等各项指标满足堆石体要求，改为挖除趾板下游2/3坝高（约110m）及下游坝脚处20m范围内的河床砂卵砾石，其余保留作为坝体的一部分，只清除表层松散层，在坝体堆石填筑前用25t自行式振动碾在清基面上碾压10～12遍，并铺过渡料后填堆石料。砂卵砾石覆盖层经碾压后，基础表层压缩模量应不小于坝基处坝料的压缩模量。

左岸覆盖层主要分布于趾板线以下边坡，坝基范围内厚度1.5～30m，为崩坡积碎块石夹壤土，表层3.0m结构松散，碎块石之间有壤土充填，下部稍密，但块石之间少壤土充填，局部有架空现象；根据物理试验，剥离表层2～3m后的干密度为2.05g/cm3；变形模量为40～50MPa；渗透系数为2.453×10-2～7.061×10-1cm/s，为强透水层。三维有限元计算表明，覆盖层全挖和清除表层2～3m松散体的局部开挖方案，虽然左岸坝体沉降及应力、应变会有所增加，但增加的量很小，坝体以及混凝土面板的应力变形特性没有受到明显的不良影响，因此左岸覆盖层采用局部开挖，坝轴线下游清除表部松散体，下部碎块石层作为坝体的一部分。崩坡积体待坝体填筑到该部位时，边填筑边开挖，以保证崩坡积体的稳定。

通过以上处理，降低了工程风险，节约工程投资，加快施工进度，减少因覆盖层开挖对环境和大气污染，产生巨大的经济效益和社会效益。

2.5　折线处面板采用连接板

为有效连接折线处两侧的面板，方便止水设计和施工，在折线处设12m宽的连接板进行折线连接。连接板与两侧面板设置周边缝，以适应变形。

2.6　采用窄趾板型式

巴山坝址区河谷狭窄，两岸高陡，若采用宽趾板方案，将形成高陡边坡，开挖、支护量增加，费用大。因此将趾板设置为“4.5+x”的窄趾板布置形式[该结构形式取得国家专利（专利号：ZL 2009 10262194.1）]，即标准趾板宽度为4.5m，趾板后设内置防渗板，两趾板间设缝止水，防渗板宽度按不同作用水头分别为4.0m、7.0m、10.0m，厚度0.3m。标准趾板厚度分别为0.6m、0.8m、1.0m。

在工程施工过程中，为实现一枯拦水，加快施工进度，确保度汛断面的按期完成，将内置防渗板修改为挂网喷混凝土，厚20cm，同时取消了防渗板上的固结灌浆，适当加长喷混凝土长度，并在趾板上游面增加贴坡混凝土并设加强固结灌浆和帷幕灌浆。

趾板纵向除转折处设永久结构缝外，其余采取连续、不设永久缝的布置方式，施工过程中若出现裂缝，则将临时施工缝改为永久结构缝。这样可减少伸缩缝中的止水与周边缝止水片连接的施工难度。

2.7　两岸趾板局部采用高趾墙

由于左岸560m高程以下河床边坡较陡，趾板局部落空，采用高趾墙布置。高趾墙基础坐落在弱风化上，高趾墙最大墙高7.60m，最大墙顶宽度24.87m，墙外侧为直立坡，内侧为1：0.3，共设两条伸缩缝，内埋止浆片，缝面设键槽进行接缝灌浆使其形成整体。在施工过程中，由于高趾墙基础上游侧欠挖普遍，为保证建筑物的安全，将中间段（结构缝A～a8点之间）的趾墙断面下游面坡度由1：0.3调整到1：0.5，折坡点到顶部的高度由3m调整到2m。

右岸坝头段设混凝土高趾墙与面板和趾板连接并兼做溢洪道左导墙，高趾墙全长43.84m，墙基础坐落在弱风化上线，最大墙高28.63m，墙顶宽度14.8～4.0m不等，墙的外侧坡（面向河床）面板以上为直立坡，面板以下为1：0.3，墙的内侧坡（面向溢洪道引渠）为直立坡，考虑引水渠的水流流态平顺，在墙上游端部设1/4椭圆曲线与直立坡连接，导墙共设2条伸缩缝，每边各设两道止水铜片止水。

3　运行性态

巴山大坝自2009年投入运行至今安全运行6年多，期间经历了多场洪水考验，最高运行水位已超过正常蓄水位680.00m以上。

坝后量水堰侧值相对稳定，2010年平均测值为106.04L/s，2011年平均测值为134.37L/s（2011年前测值较少，2011年开始每天进行观测，测值较多），2012年平均测值为129.20L/s，2013年平均测值为115.63L/s。以上数据均未扣除两岸山体的浅表渗水。实测过流量见图5。扣除降雨等影响，随着库水位变化，大坝渗漏量一般在63～120L/s。

截至2013年11月底，坝顶累计垂直位移量在0.0～159.8mm之间，坝顶各测点高程在EL684.78～EL685.19m之间（其中低于高程685m的点共13个，位于坝顶上游的共6个）。坝顶下游侧沉降量大于相对应上游侧沉降量，靠近溢洪道一侧垂直位移明显大于靠左岸坝肩一侧，坝体填筑厚度越大位移量越大。左岸靠近山体部位沉降量非常小；沉降速度与运行时间、坝前水位、坝区气温密切相关。

大坝坝顶水平位移于2011年1月取得初始值。直线坝段上、下游方向位移量在20.1～98.3mm之间（向下游为正），折线坝段合位移量在4.4～31.9mm之间。直线坝段上、下游方向位移量2011年在17.2～63.3mm之间，2012年在2.9～35.0mm之间，2013年在2.5～22.5mm之间，位移量逐年减小明显。

通过固定式测斜仪测得坝体内部620.00m高程蓄水前沉降量最大为465.00mm，蓄水后截至2009年11月20日总沉降量达到547.00mm。

根据水管式沉降仪实测资料，截至2012年5月21日，内部最大沉降量（测点V15，0+158断面的累积沉降）约1.2m，为最大坝高的0.77%。蓄水前（2009年4月22日测值）0+158断面最大下沉为715.7mm。

坝基渗压、绕坝渗流不明显，运行正常。蓄水初期由于水位上涨较快，面板局部有挤压破坏现象，经处理后未再出现，面板没有脱空，观测表明，面板应力应变正常。

经多年运行检验，巴山大坝运行正常。

4　结语

巴山水电站工程从勘察、设计到施工建设、投产运行经历十多年，我院在整个工程建设过程中，进行了多项优化设计，取得了许多成功经验和成果。并经多场洪水考验，大坝运行正常，获得了预期的经济效益和社会效益。