沙牌碾压混凝土拱坝设计.docx

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沙牌碾压混凝土拱坝设计

沙牌碾压混凝土拱坝设计

摘要：

较为详细地介绍了坝高130m的沙牌碾压混凝土拱坝的设计和特点，主要包括枢纽布置、拱坝布置、混凝土设计和筑坝材料、结构设计、温度控制措施和基础处理。

关键词：

碾压砼拱坝设计特点沙牌水电站

1　工程概况

　　沙牌水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内，是岷江支流草坡河上游的一个梯级龙头电站。

电站采用蓄、引相结合的开发方式，坝址位于草坡河上沙牌村牛厂沟附近，厂址在其下游约5km的克充台地，电站尾水汇入已建成的草坡水电站水库。

坝址距草坡河口约19km，距汶川县城约47km，距成都约136km。

　　沙牌水电站水库正常蓄水位为1866．0m，死水位为1825．0m，总库容0．18亿m3。

电站总装机容量36MW，年发电量1．79亿kW·h，年利用小时数为4791h。

工程为三等工程，主要建筑物为3级建筑物，设计洪水标准按50年一遇，校核洪水标准按500年一遇，地震基本烈度为7度。

枢纽工程主要由碾压混凝土拱坝、右岸2条泄洪洞及右岸发电引水隧洞、发电厂房等建筑物组成。

碾压混凝土拱坝高130m，是目前国内外最高的碾压混凝土拱坝。

　　沙牌水电站分两期建设：

一期工程采用引水式开发，建低闸临时取水，于1995年11月开始施工，1997年5月发电；二期工程采用高拱坝挡水，形成具有季调节性能的水库，于1997年6月16日开工建设，2002年5月30日碾压到坝顶。

拱坝于2003年5月8日下闸蓄水，工程将于2003年12月全面竣工。

2　枢纽布置

   沙牌水电站坝址处河谷深切，两岸基岩裸露，河谷形状为V形，基本对称，其宽高比约为1．7，适合于修建混凝土拱坝。

坝基岩体主要为花岗闪长岩，岩体完整性好，风化卸荷不强；在坝基中上部高程出露有花岗闪长岩夹片岩，对片岩进行混凝土置换处理后，可以满足拱坝建基面的要求。

　　根据坝址区自然条件，并考虑到采用碾压混凝土筑坝技术等因素，拱坝体型设计为三心圆单曲拱坝，拱坝坝身不布置泄洪建筑物。

在拱坝右岸布置2条泄洪隧洞，1号泄洪洞进水口底高程为1846．0m，结合导流洞的利用，洞身采用涡漩式内消能竖井泄洪洞，最大泄流量为242m3／s；2号泄洪洞进水口底高程为1805．0m，洞身采用长陡坡，坡度为10％，最大泄流量为211m3／s。

发电引水系统布置在拱坝右岸，进水口底板高程为1818m，引水隧洞全长3500．92m，洞径3m，引用流量15．6m3／s。

调压井布置在下厂址草坡河右岸的山体中，为圆筒阻抗式，直径4．5m，高99．36m。

调压井后为埋藏式压力管道，2台机共用1根总管，管径2m，支管直径1．2m。

厂房布置在草坡河左岸的克充阶地上，主厂房长26m、宽18．5m、高31．55m，安装2台单机容量为1．8万kW的混流式机组。

主体工程施工期采用断流围堰挡水、隧洞导流、坝体全年施工的导流方案。

枢纽布置见图1。

该枢纽布置较大地简化了碾压混凝土拱坝结构，为碾压混凝土快速施工创造了极为有利的条件。

3　碾压混凝土拱坝布置

　　拱坝建基面确定在基岩弱风化下段下限，即坝基开挖至微风化顶板，坝基主要为Ⅱ类岩体，局部位于两岸的中、上部高程Ⅲ－2类岩体上。

当建基面上出现Sc密集带时，要进行混凝土置换处理，同时加强坝基固结灌浆，增强坝基整体性和均匀性。

碾压混凝土拱坝设计应满足安全和经济的目的，同时应充分发挥碾压混凝土快速施工的优势，并容易保证施工质量。

经比较论证，三心圆单曲拱坝体型形状简单，有利于简化坝体构造，更便于碾压混凝土施工及保证施工质量。

从国内外施工技术水平和实践经验出发，为积极稳妥地推动高碾压混凝土拱坝建设的顺利发展，沙牌拱坝体型设计采用三心圆单曲拱坝。

为改善拱坝坝体应力，合理利用地形条件，减轻河床深槽下部开挖和施工难度，在河床底部设置垫座。

拱坝体型参数特征值见表1。

4　拱坝混凝土设计强度及筑坝材料

　　沙牌拱坝混凝土设计强度采用90天龄期的20MPa碾压混凝土。

在基本荷载组合作用下，混凝土抗压安全系数取4．0。

应力控制标准和混凝土抗压强度安全系数见表2。

　　根据拱梁分载法坝体应力分析表明，在基本组合及特殊组合工况下，坝体应力、位移分布规律合理，应力状态良好，满足控制标准。

　　碾压混凝土在施工期的水化热温升对高碾压混凝土拱坝应力将产生不利影响，主要可通过合理的分缝及在高温季节埋设冷却水管予以解决。

　　在筑坝材料上，水泥采用阿坝州白花水泥厂生产的白花425号中热水泥；粉煤灰采用华能成都电厂电吸层粉煤灰和关口电厂风选粉煤灰，粉煤灰品质达到国家Ⅱ级灰标准；骨料采用长河坝沟口的花岗岩人工骨料。

通过多方案的试验研究比较，按高　　铁、低铝的原则调整水泥配方，研制开发出低脆性延迟微膨胀专用水泥；采用具有硅质界面胶结作用的花岗岩作为人工骨料，优化配制了具有低弹性模量、高极限拉伸值及大徐变度等高抗裂性能的碾压混凝土。

混凝土设计配合比见表3，混凝土材料性能见表4。

5　坝体结构设计

5．1　混凝土分区

　　沙牌碾压混凝土拱坝基本上是按全碾压混凝土模式设计。

混凝土分区主要围绕碾压混凝土施工、防渗、坝内孔洞结构的特点设计。

（1）坝体碾压混凝土设计强度均采用90天龄期的20MPa，坝体主要采用三级配碾压混凝土。

因坝体防渗的需要，在坝体上游部位采用二级配碾压混凝土，以减少施工中的骨料分离现象，达到防渗的目的。

（2）垫座采用掺MgO微膨胀碾压混凝土，其微膨胀量控制在70×10－6，可以达到取消垫座分缝、加快施工进度的目的。

　　（3）坝内廊道及竖井均采用预制混凝土成型，可避免立模对施工的干扰。

　（4）在上、下游坝面、坝与基岩接触部位、坝内孔洞配筋部位，均采用改性混凝土。

5．2　坝体分缝

　　为减小温度对坝体的不利影响，防止温度裂缝的发生，保证拱坝的安全，并保证碾压混凝土快速施工，结合施工进度计划安排，拱坝结构分缝方案设计采用两条诱导缝和两条横缝的组合方案：

2号和3号缝为诱导缝，1号和4号缝为横缝。

　　碾压混凝土拱坝分缝结构，既要保证缝的作用，又要保证全断面通仓碾压、连续上升的实现，最大限度地减少对施工的干扰。

沙牌拱坝设计采用了预制混凝土重力式模板成缝新技术，该技术的特点是：

（1）事先在仓面以外将混凝土成缝模板预制成型，施工时先将重力式成缝模板安装定位，然后再进行碾压混凝土施工作业。

（2）模板断面设计为重力式，缝面为直面，设置灌浆及排气管路孔、键槽等；缝的背面为斜面加趾板，并设置嵌合型齿结构，斜面上凿毛，保证与碾压混凝土嵌合紧密。

（3）模板的大小与施工现场人工搬运相适应，一般模板长1．0m，高度0．25～0．30m（必须为一个碾压层），底宽（加趾板）0．30～0．35m，以适应施工现场快速组装。

（4）在趾板上设置固定插件孔，确保现场安装及碾压施工时定位准确。

　　在诱导缝或横缝的上游面设置边缘切口缝。

设置边缘切口缝以后，缝断面的张开条件有很大变化，可以防止裂缝绕过止水片和止浆片。

　　对诱导缝和横缝的接缝灌浆，从考虑拱坝的整体性和蓄水的需要出发，采用重复灌浆方式。

灌浆系统为单回路布置，只预埋一套灌浆管路系统，在灌浆管路中布置重复出浆盒，能多次重复用于接缝灌浆，可解决坝体温度在未冷却到稳定温度时就蓄水的要求。

每个灌浆区至少应设2根单回路灌浆管，一是可使灌浆管长度不至于过长，在灌浆时管内压力分布相对均匀，管路上的每个出浆盒均有条件开启；二是当一条灌浆管路出现堵塞时，可以使用另一条。

使用单回路灌浆管路和橡胶套阀出浆盒，具有费用低、容易安装、节省时间等优点，适合于碾压混凝土拱坝的施工。

灌浆材料采用普通硅酸盐水泥及超细水泥。

5．3　坝体防渗

　　碾压混凝土的抗渗性主要与胶凝材料用量有关。

大量的研究及工程经验表明，中高胶凝材料的碾压混凝土自身具有较强的抗渗透能力。

层面是碾压混凝土坝防止渗透的薄弱环节，防渗的关键在于层间结合的质量。

沙牌拱坝采取了以下防渗措施：

（1）碾压混凝土的胶凝材料用量不低于150kg／m3。

（2）拱坝迎水面坝体部位防渗设计采用二级配碾压混凝土自身防渗，防渗层厚度和抗渗指标为：

高程1820m以上防渗层厚度3m，抗渗标号W6；高程1820m以下的防渗层厚度6～8m，抗渗标号W8。

坝体三级配碾压混凝土的抗渗标号一般为W4～W6。

二级配与三级配碾压混凝土同仓碾压，同时上升，可使两者结合良好，成为一体。

　　（3）在上游坝面高程1850m以下，采用LJP型合成高分子防水涂料作为坝体辅助防渗措施，涂层厚度1mm，在坝面平顺连续部位采用素涂方式，在坝面与垫座转折部位、坝面与基础连接部位采用加无纺布的2布6涂方式，并覆盖基岩宽度0．5m。

LJP型合成高分子防渗涂料的涂膜不仅具有优异的耐水浸泡性和耐气候老化性能，而且黏接强度高，抗紫外线幅射好，材料性能能满足大坝防渗要求。

　　（4）为保证碾压混凝土施工的层间结合质量，要求连续碾压，保证在初凝前覆盖完下层混凝土。

同时还采取了以下保证层间结合质量的措施：

①二级配碾压混凝土自身防渗部位，在初凝前层面要求铺洒水泥粉煤灰浆；②对在初凝后至终凝前，二级配及三级配部位的层面均需铺洒水泥粉煤灰浆；③完全终凝以后，层面按施工缝处理，要求凿毛清理，在铺上层混凝土前先铺10～20mm的水泥砂浆；④加强施工现场管理，对入仓后存在骨料集中的部位，要求进行翻清，分散均匀。

5．4　坝体排水

　　坝体排水系统由竖向排水孔、排水沟、集水井及泵房组成。

　　坝体竖向排水孔设置在二级配碾压混凝土防渗层后、高程1850～1750m之间，排水孔间距为3m，孔径为100mm。

设计采用多孔无砂混凝土管，施工后钻孔形成排水管。

　　排水沟主要布置在各层水平廊道，在高程1810～1750m之间靠近基础部位左右两岸各设置了一道排水暗沟。

　　坝内集水的排出在高程1810m以上采用自流排水，通过坝体排水孔和廊道内的排水沟将渗水引至下游坝面贴角处的排水沟排出；在高程1810m以下，通过排水孔和排水沟将渗水汇集于集水井，然后通过深井泵将水排至坝外。

为减少施工干扰，集水井布置在坝外垫座下游端。

5．5　坝内廊道及交通

　　根据灌浆、观测、排水及交通的需要，按简化坝体、集中布置的原则，分别在高程1750m、1810m、1850m布置三层多用途水平廊道，在坝内设置电梯井与各层廊道连通。

　　水平廊道设置在二级配碾压混凝土防渗层后，断面设计为2．5m×3．0m的城门洞形。

高程1850m和1810m层水平廊道在两岸设有横向廊道或坝后栈桥通至下游坝外。

帷幕灌浆通过布置在高程1750m、1810m、1867．5m的三层灌浆平洞内进行，其中1750m和1810m高程灌浆平洞与水平廊道相通。

　　电梯井为2．0m×2．0m的方形竖井。

6　拱坝温度控制措施

   沙牌碾压混凝土拱坝采用全断面薄层通仓碾压、连续上升的施工方法，由于拱坝较高、规模较大，温度应力问题突出。

解决温度应力问题除提高混凝土抗裂性能并进行合理的结构分缝外，还采取了下列温度控制措施：

（1）尽量利用低温季节多浇混凝土，高温季节少浇或不浇，高温季节浇筑混凝土必须有可靠的温度控制措施。

（2）拱坝最高温度控制：

高程1810m以下，最高温度Tm≤25℃；高程1810m以上，最高温度Tm≤28℃。

　　（3）浇筑温度以自然入仓温度为主，在高温季节对骨料采取喷雾、冷风、凉棚等简易措施，降低浇筑温度；在寒冷季节采取热水拌和等措施，保证浇筑温度不低于5℃。

　　（4）在高温季节施工，采用仓面喷雾、铺设冷却水管等措施以保证混凝土温度控制满足要求。

当不能满足要求时，应停止施工。

　　（5）在寒冷季节施工，当气温低于2℃时，已碾压完成的表面须立即用保温材料覆盖，以保证混凝土表面温度不低于5℃。

当不能满足要求时，应停止施工。

　　对于碾压混凝土坝埋设冷却水管的问题，在沙牌拱坝首次提出在碾压混凝土中预埋高密度聚乙烯冷却水管降温技术，并在大朝山水电站上游碾压混凝土拱围堰上成功地进行了试验，后又在沙牌拱坝上进行了试验和应用，现已推广应用于塔西河、龙首等碾压混凝土拱坝，成功地实现了碾压混凝土高拱坝筑坝技术的突破。

7　拱坝基础处理

　　在基础处理上，针对坝址的地质缺陷及薄弱环节，考虑尽可能减少对碾压混凝土的施工干扰，提出了适合大坝碾压混凝土快速施工的基础处理措施。

7．1　防渗帷幕

　　防渗帷幕主要在两岸的灌浆平洞进行施工，少部分在坝体水平廊道内进行。

　　帷幕采用悬挂式。

主帷幕基岩内最大深度为82．50m，设计灌浆压力在1．0～5．0MPa之间。

帷幕控制标准：

高程1810．00m以上，坝高为57．50m，要求ω≤3Lu，帷幕采用单排孔，孔距为2．0m；高程1810．00m以下，要求ω≤1Lu，帷幕采用双排孔，孔距为2．0m，排距为1．0m，交错布置。

7．2　排水设计

　　基础排水按工程部位分为大坝基础排水系统和抗力体排水系统两部分。

　　大坝基础排水系统由两道排水幕、坝内集水井和深井泵房组成。

第一道排水幕在灌浆平洞及排水平洞内进行，第二道排水位于坝趾处高程1770．00～1850．00m范围内。

　　抗力体排水系统利用勘探平洞扩挖而成，采用自流式排水。

　　坝基下排水孔深度取0．5倍主帷幕深度，孔距为3．0m；坝趾排水孔孔深均为30．0m，孔距为5．0m；抗力体排水孔孔深为30．0m，孔距为5．0m。

排水孔

孔径均为110mm。

7．3　固结灌浆

　　固结灌浆主要对坝基爆破松动和卸荷松弛的浅表部岩体进行常规处理，在全坝基范围进行。

固结灌浆采用无盖重灌浆加浅层引管灌浆的方式，采用这种方式对碾压混凝土的上升干扰相对较小。

灌浆参数见表5。

7．4　接触灌浆

　　为提高坝基接触面强度，防止沿基础接触面渗漏，并增强表层固结灌浆效果，须进行接触灌浆。

接触灌浆主要部位是坡度大于50°～60°的建基面、在基岩中开挖置换混凝土的斜坡坡面。

　　沙牌工程采用结合固结灌浆和帷幕灌浆方式进行接触灌浆。

　　结合固结灌浆具体方法是：

在进行接触灌浆部位，先对2．0m基岩以下进行固结灌浆，2．0m以上的固结灌浆在浇筑坝体混凝土前，采用预埋1英寸钢管引管至下游贴角，待坝体混凝土浇筑一定高度，且当混凝土冷却到稳定温度后，按固结灌浆压力或稍大于固结灌浆压力进行浅层固结灌浆和接触灌浆。

　　结合帷幕灌浆具体方法是：

在位于帷幕灌浆轴线上进行接触灌浆的部位，待坝体浇筑一定高度且混凝土冷却到稳定温度后，实施帷幕灌浆，其浅表段可作为接触灌浆，灌浆压力按帷幕灌浆压力即可。

　需要指出的是，碾压混凝土要达到稳定温度需要采取措施，否则将影响大坝蓄水。

本工程是采用预埋高密度聚乙烯冷却水管降温技术来解决的。

7．5　软弱岩体处理

　　左岸建基面的主要软弱岩体为片岩类花岗岩角岩，宽3～7m，出露在1824．00～1867．50m高程间的上游坝踵附近。

右岸建基面的主要软弱岩体为千枚岩夹片岩，宽3．3～5m，出露在1774．00～1867．50m高程间的上游坝踵附近。

　　对在建基面出露的片岩密集带采用混凝土置换处理。

根据三维有限元法和变位一致法计算，左岸垂直置换开挖深度为4．0m，右岸垂直开挖深度为3．0m，并铺设一层φ25＠25mm×25mm的钢筋网。

置换混凝土与坝体碾压混凝土同时上升，按改性混凝土施工。

7．6　边坡支护和预应力锚索设计

　　左岸上游边坡高度37～112m，下游边坡坡高14～36m左右；右岸上游边坡高度为25～107m，下游边坡坡高为20～51m左右。

上游开挖边坡主要是片岩类花岗岩角岩，其中Ⅲ－2类以上岩级占70％左右，Ⅳ－2类岩级占30％左右；下游开挖边坡主要是花岗（闪长）岩夹角岩，其中Ⅲ－1类以上岩级占55％左右，Ⅳ－1类岩级占45％左右。

　　为保证施工期和运行期的边坡稳定，采取的主要支护措施是系统锚杆支护，辅以排水，对强卸荷、弱风化上段岩体边坡还采用喷混凝土支护。

系统锚杆长3～5m，间、排距2～2．5m，直径25mm。

　　左岸坝肩中上部存在陡岩区，右岸坝肩中上部山体单薄，导致两岸中上部坝肩稳定安全系数略低，故采用了预应力锚索加固。

两岸共布置200t锚索99根，左岸布置在高程1815．00～1850．00m间，单根长度为50．0m和44．0m两种，共计64根；右岸布置在高程1820．00～1840．00m间，单根长度为25．0m和19．0m两种，共计35根。

8　结　　语

综上所述，沙牌碾压混凝土拱坝有如下特点：

（1）在枢纽布置上，结合自然条件，拱坝坝身不布置泄洪建筑物，较大地简化了碾压混凝土拱坝枢纽布置，为碾压混凝土快速施工创造了极为有利的条件。

（2）拱坝体型设计为三心圆单曲拱坝，采用全碾压混凝土设计模式，除在坝内孔洞结构周围、基础找平层、泵房等特殊部位采用常态混凝土或改性混凝土外，拱坝其余部分均采用碾压混凝土。

   （3）拱坝结构分缝采用诱导缝和横缝的组合方案，采用预制混凝土重力式模板成缝新技术，在国内首次研究成功结构缝的重复灌浆全套技术，实现了碾压混凝土拱坝结构缝的多次灌浆。

　　（4）按简化坝体、集中布置的原则，坝内孔洞相对较少，坝体结构极大简化。

　　（5）碾压混凝土拱坝防渗设计以二级配碾压混凝土自身防渗为主，并在上游坝面覆以LJP型高分子防渗涂料辅助防渗。

　　（6）在筑坝材料上，因地制宜，研制开发出低脆性延迟微膨胀专用水泥；采用具有硅质界面胶结作用的花岗岩作为人工骨料，优化配制了具有低弹性模量、高极限拉伸值及大徐变度等高抗裂性能的碾压混凝土。

　　（7）首次提出在碾压混凝土中预埋高密度聚乙烯冷却水管降温技术，并得到成功应用，较好地解决了施工期水化热温升对拱坝的影响、碾压混凝土拱坝的接缝灌浆和接触灌浆问题。

　　（8）基础处理的防渗帷幕主要在两岸的灌浆平洞内施工，少部分在坝体水平廊道进行，减少了对碾压混凝土施工的干扰。

固结灌浆采用无盖重灌浆加浅层引管灌浆的方式，有利于大坝碾压混凝土的快速施工。

对建基面出露的片岩密集带采用改性混凝土置换处理。

坝肩的稳定加固采用预应力锚索，基本上不干扰拱坝碾压混凝土的施工。