横山水库扩建工程混凝土面板堆石坝设计(精)

横山水库扩建工程混凝土面板堆石坝设计* 横山水库扩建工程混凝土面板堆石坝设计* 唐巨山，丁邦满 （浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州310002） 关键词：扩建工程；混凝土面板堆石坝；防渗墙；设计；横山水库 摘  要：横山水库扩建工程系在大坝下游填筑堆石加高大坝，扩建 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 期原工程仍能蓄水发挥效益。坝基防渗采用混凝土防渗墙，扩建加高部分坝体采用混凝土面板防渗，混凝土防渗墙与面板间采用趾板连接，以适应坝体变形。其扩建加高方式、坝体断面设计、大坝防渗系统设计中的一些经验，可供同类工程扩建加高时借鉴。 1 工程概况 横山水库位于浙江省奉化市境内的奉化江支流县江上游，距奉化市区13km，坝址集雨面积150.8km2，多年平均径流量1.55亿m3。原大坝为粘土心墙砂砾石坝，坝高48.6m，总库容5008万m3。水库以灌溉为主，兼防洪发电，工程于1966年建成受益。随着工农业生产的发展，需扩建该工程。根据规划，扩建后水库以防洪和灌溉为主，结合发电和供水，是一座综合利用的大型水利枢纽工程。扩建后坝高70.2m，总库容11180万m3；下游防洪 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 从5年一遇提高到20年一遇；配合亭下、东钱湖等水库和河网共同承担鄞奉灌区共44933.3hm2农田的灌溉；发电装机容量为5MW，多年平均发电量1204万kW·h；为宁波工业和城市生活用水年供水3200万m3。 2 扩建工程枢纽布置 工程是对60年代初建成的枢纽建筑物进行扩建，拦河坝是在原粘土心墙砂砾石坝的基础上加高。扩建后坝型为混凝土面板堆石坝，大坝加高21.6m；泄洪闸位于右岸，紧邻拦河坝，系利用原侧槽溢洪道陡槽位置新建，共设3孔，最大泄量3500m3／s；新建输水放空隧洞布置在右岸，为提高灌溉水温，进水口按面层取水设计，隧洞出口布置发电厂房，内装2台2.5MW的水轮发电机组，在隧洞出口前岔出放空支洞和供水支洞。 3 混凝土面板堆石坝设计 混凝土面板堆石坝坝顶高程123.2m，最大坝高70.2m，坝顶宽7m，坝顶长382m。上游坝坡为1∶1.4，下游坝坡分别为1∶1.3和1∶1.4，在高程70、87、104m处分设三级马道，宽各为5.5、3.5、3.5m。坝体堆石料为熔结凝灰岩，用振动碾碾压，总填筑方量105万m3，坝体标准剖面见图1。 3.1 老坝体及坝基的防渗加固 老坝体及坝基的防渗加固采用在老坝粘土心墙中构筑混凝土防渗墙作为防渗结构，混凝土防渗墙顶部与趾板连接，墙底嵌入基岩。混凝土防渗墙设在坝轴线上游29.3m处，其轴线与坝轴线平行，长277m，与左右岸倒挂井及岸墩相接，其轴线总长为312.44m；平均墙深51.95m，最大墙深72.26m，其中基岩造孔最大孔深12.76m，为当时国内最深的混凝土防渗墙之一。混凝土防渗墙设计墙厚0.8m，墙体总截水面积14715 m2。 3.2 趾板设计 (1)河床段趾板设计。河床段趾板坐落在老坝顶砂砾石上，趾板X线平行于老坝及扩建大坝坝轴线，趾板厚0.8 m，宽4.41 m，顶面与上游混凝土防渗墙顶齐平，以便设置止水。趾板斜面与面板成同一平面，以利于滑模施工，使周边缝附近混凝土的施工质量更有保证。考虑到河床段趾板基础为砂砾石，故趾板每6 m设1条纵缝，配上下双层钢筋，含筋量高于一般岩基上的趾板。 (2)左岸趾板设计。左岸趾板X线与山坡相连，要求基础开挖至弱风化岩，为节省开挖量，趾板底面垂直于坝轴线向设计为水平，基础开挖时离设计开挖高程1m采用小炮开挖，并预留0.3m作为保护层，待趾板混凝土浇筑前清除。基础允许超挖15cm，欠挖5cm，趾板设计厚度0.4m，宽3m，分缝长度15m，趾板表层布置一层双向钢筋，趾板基础插筋按所承受的灌浆压力设置，共设3排，排距1.2m，纵向间距1.5m。 (3)右岸趾板设计。右岸趾板X线与泄洪闸左侧进口导墙相接，设计该段X线时主要考虑使右岸趾板尽量置于导墙左侧平台上，以节约工程量。趾板厚0.5m，宽2.5m，分缝长度与导墙一致，便于设置止水。趾板配筋设单层双向，布置在趾板表层。 3.3 坝体堆石分区和填筑料设计 根据坝体不同部位的作用和对填筑石料的不同要求，将堆石体分为以下若干区。 (1)周边区（ⅠA区）。周边区料位于趾板周边缝附近，水平宽4.0 m，最大粒径50 mm，设计干容重2.13t／m3，空隙率21%，要求小于5 mm细颗粒含量为20%～30%，含泥量≤4%，不均匀系数≥20。因周边区料紧靠趾板及岸坡，不能采用大型振动碾碾压，所以要求用小型振动机具进行薄层碾压，层厚15～20 cm。 (2)垫层区（Ⅰ区）。该区直接位于面板下部，是堆石体最重要的部位，必须采用新鲜、坚硬、级配良好的石料填筑，要求碾压密实，具有低压缩量和半透水性。此区水平宽1m，最大粒径80mm，设计干容重2.10t／m3，空隙率22%，要求小于5 mm细颗粒含量为20%～35%，含泥量≤4%，不均匀系数≥20，填筑层厚40 cm。 (3)过渡区（Ⅱ区）。过渡区主要是起反滤作用，防止Ⅰ区的细颗粒流失。水平宽1 m，最大粒径300 mm，设计干容重2.06t／m3，空隙率23%，要求小于5 mm细颗粒含量为10%～25%，含泥量≤5%，不均匀系数≥10，填筑层厚40cm。 (4)主堆石区（Ⅲ区）。主堆石区为大坝的主要支撑体，填筑料最大粒径为600 mm，设计干容重2.04t／m3，空隙率24%，要求小于5mm细颗粒含量为＜20%，含泥量≤5%，不均匀系数≥8，填筑层厚80cm。 (5)下游堆石区（Ⅳ区）。该区位于坝体下游部位，变形对面板的影响较小，石料和填筑要求稍低。填筑料最大粒径为600mm，设计干容重2.01t／m3，空隙率25%，其余要求同主堆石区。 为满足坝体各分区填筑料的设计要求，在大坝堆石填筑前进行了多次堆石料开采控制爆破及填筑碾压试验。爆破试验分别在南山料场及荷花心料场进行，碾压试验在大坝下游进行。通过试验，为在火成岩地区爆破成有级配的颗粒组成以及碾压效果建立了较为规律性的关系，较好地满足了设计要求，并为工程施工创造了有利条件。 3.4 混凝土面板设计 (1)面板的结构设计。面板作为堆石坝的防渗体其受力情况较为复杂，面板的厚度目前一般按经验公式计算确定。考虑到该工程为扩建工程，加高部分较低，因此采用0.3m等厚，面板混凝土的强度标号为R28200，抗渗标号S8。为了适应温度变化及堆石变形，面板采用单层双向配筋，置于截面中间，含筋率纵向为4.2%，横向为3.8%。 (2)面板的分缝、止水设计。横山面板坝的混凝土面板只设垂直缝，不设永久性水平伸缩缝。垂直缝间距12m，全坝共分垂直缝30条，将面板分为31块，混凝土面板总面积10500m2。现根据各种不同缝的作用和要求，将接缝止水形式分述如下：①周边缝，设两道止水，表面采用PU2弹塑性嵌缝材料止水，底部采用Z形止水紫铜片，下设砂浆垫层及PVC垫片。周边缝缝宽1.5cm，中间夹浸沥青木板。②面板垂直缝，设一道止水，即底部V型止水紫铜片，下设砂浆垫层及PVC垫片。面板垂直缝的缝面刷石灰水。③趾板垂直缝，左岸设一道表面PU2弹塑性嵌缝材料止水，河床段及右岸趾板设两道止水，表面设PU2弹塑性嵌缝材料止水，中间设D形止水紫铜片。④趾板与防渗墙连接缝，在老坝顶101.6m高程处采用混凝土趾板连接面板和混凝土防渗墙，为形成封闭的止水系统，适应直墙头部与趾板间接缝较大的变形和增强防渗能力，在接缝处设置了三道止水系统，即表面PU2弹塑性嵌缝材料止水，中部L形止水紫铜片，底部橡胶土工布止水。连接缝缝宽3cm，中间夹浸沥青木条。⑤防浪墙与面板连接缝，考虑到面板顶部变位与防浪墙沉降方向不一致，易发生错位，所以在表面设一道PU2弹塑性嵌缝材料止水。⑥趾板与防浪墙及岸墙连接缝，设两道止水，即表面PU2弹塑性嵌缝材料止水，底部V形止水紫铜片。 3.5 坝顶结构设计 横山水库正常蓄水位为111.5 m，设计洪水位为120.05m，校核洪水位为121.85 m，混凝土面板堆石坝顶高程为123.2m，坝顶宽7.0 m。右岸紧靠泄洪闸左侧挡墙，左岸与山体连接，为减少左岸山坡开挖，在坝头设一混凝土岸墙与左岸趾板及上游防浪墙相接。面板滑模顶高程119.15m,上游设高5.21m的Ｌ形混凝土防浪墙，墙顶高程124.36m，下游设高3.2m的混凝土挡墙，墙顶高程123.5m。两墙之间填筑人工堆石，表面为200号混凝土路面。这种坝顶“垂直带帽”的设计既满足了面板滑模施工的要求，也减少了坝体堆石填筑方量。 3.6 原型观测设计 (1)坝内观测。坝体内部的观测项目布设一个断面，分82m高程及104m高程两次埋设。埋设的观测仪器有：球阀水管式沉降仪，共6台，观测点6个用于观测坝体施工及运行期的内部沉降变形；水平位移计，共5台，观测点5个，用于观测坝体施工及运行期的内部水平位移；土压力计，共20只，观测点20个，用于观测坝体施工及运行期的内部各向应力变化。以上各种观测仪器均通过电缆引至82m高程及104m高程处的两个观测房内进行观测。 (2)坝面观测。坝面的观测仪器有：三向测缝计，共2组6只，左、右岸各设一个观测点，主要用于监测左右岸面板周边缝的法向、切向及垂直向的位移量；双向测缝计，共3组6只，3个观测点，用于监测河床段面板与趾板间周边缝的法向及垂直向位移量；单向测缝计，共3组3只，3个观测点，用于监测趾板与混凝土防渗墙头部间连接缝的法向位移量。以上的各种观 测仪器均通过电缆引至左坝头观测房内进行观测。 (3)各类测量观测点。主要布设有以下各种观测点：精密水准基点，左、右岸各1个；校核基点10个；工作暨起测基点10个；坝顶位移标点7个；马道位移标点16个；观测房位移标点2个。 4 拦河坝扩建设计特点 该工程扩建设计的关键问题是薄粘土心墙砂砾石坝如何加高，即加高方式；老坝体及坝基的防渗加固；扩建工程施工期间水库水位的控制；新老坝体防渗结构的连接设计等。 4.1 加高方式 经分析研究，为了不影响原水库效益的发挥，拦河坝采用退建方式加高，即在老坝下游采用堆石填筑加高扩建，加高部分坝体防渗采用混凝土面板。 4.2 老坝体及坝基防渗加固 老坝体粘土心墙齿槽宽10m，为坝高的1／5，坝基有宽达9.2 m的F5大断层，由于当时条件所限未经彻底处理，在蓄水运行期间，断层部位测压管曾出现不正常现象。工程扩建后，库容、坝高、水头等将增加很多，老坝基的防渗将难以满足扩建设计的要求。同时，老坝粘土心墙为薄心墙，顶宽仅为1.5m，上、下游边坡为1∶0.18，曾担心因拱效应使心墙产生水平裂缝，在渗透水压力作用下产生水力劈裂，导致防渗体失效，危及大坝安全。考虑到上述因素，坝基坝体防渗均需进行处理。经过多种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 比较和大坝应力应变分析，决定在粘土心墙内建混凝土防渗墙，使坝体坝基防渗满足设计要求，确保大坝安全运行。 4.3 施工期库水位控制 混凝土防渗墙施工期间水库水位的控制直接影响到墙体的施工及大坝的安全。经分析，提出了施工中槽孔内泥浆面高于库水位2m以上的要求。实际防渗墙施工遇到“9015”、“9017”、“9018”连续台风暴雨，最高库水位达到98m，比槽内泥浆面低3m，防渗墙施工未出现问题，水库仍发挥拦洪效益。 4.4 大坝防渗系统 扩建工程加高部分坝体采用混凝土面板防渗，面板与混凝土防渗墙之间的连接，设计进行了多种型式比较，曾考虑采用沥青混凝土，因方量小，需设沥青系统，造价贵而放弃，后经进一步分析研究，得出设4.4 m长的趾板受力状态较好。趾板基础采用垫层料置换1m厚的老坝体粘土与砂砾石，在垫层填筑前用振动碾对砂砾石基础进行压实。趾板同混凝土防渗墙之间设能适应较大变形的宽缝，缝内设三道止水，此结构型式较好地解决了新老坝体防渗体间的协调连接，通过近几年蓄水运行观测，变形量较小，取得了良好的防渗效果。 5 结语 (1)本工程属老坝加高扩建，坝体变形及各种细部结构设计较为复杂，特别是大坝防渗系统设计尤为复杂。通过向有关专家咨询及坝体应力、应变分析等，为大坝设计提供了依据，可供同类工程借鉴。 (2)横山水库扩建工程自1987年2月开始大坝堆石填筑，至1994年4月完建，并于1995年12月通过了有关主管部门组织的竣工验收。经水库蓄水运行，坝体堆石最大沉降量37.0 cm，为坝高的0.53%；水平位移最大值17.44 mm(向下游)；周边缝最大法向变位7.65 mm(张开)，最大垂直向变位6.78 mm，最大切向变位8.99 mm；趾板与混凝土防渗墙之间的连接缝最大法向变位14.41 mm(张开)。可以看出，坝体变形均较小，工程运行情况良好。