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水利工程论文-龙马水电站面板堆石坝设计摘要:龙马水电站面板堆石坝最大坝高135m,其特点是坝址、料场岸坡陡峻,趾板开挖、料场开采、坝料运输道路施工难度大。坝料主要来源于料场和溢洪道开挖料,根据坝料特点进行了分区设计;对坝料进行了室内试验及现场碾压试验,根据试验结构确定了坝体填筑标准。 关键词:坝体分区 坝坡稳定 应力和变形 基础处理 面板堆石坝 龙马水电站 1坝体分区设计龙马水电站面板堆石坝最大坝高135m,坝顶长315m,坝顶宽10m,坝顶高程643.0m,上游设防浪墙。上游坝坡1:1.4,下游坝坡1:1.35,分别在603.0m、563.0m高程设两台2.5m宽马道。上坝料为坝址下游左岸的旧家箐料场、右岸清水河料场和溢洪道开挖料,其主要成分为石英砂岩。面板顶部厚度0.3m,渐变至面板底部,厚度为0.7m。面板分缝分块根据地形、有限元计算的坝体变形、施工条件进行分块,垂直缝间距12m。根据运行期间对坝体各部位的要求,坝体材料进行分区设计。分区的原则是:对料场开挖料的特性认真研究,在保证工程安全、经济的前提下,充分利用建筑物开挖的有用料;各区坝料从上游到下游满足水力过渡要求,相邻区下游坝料对其上游区有反滤保护作用;蓄水后坝体变形尽可能小,从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。根据料源及对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求,将坝体从上游到下游分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游次堆石区,并在面板上游设坝前覆盖料。2A区为面板下的垫层区,考虑施工机械设备施工需要的最小宽度,确定垫层水平宽度为3.0m;3A区为垫层下的过渡区,亦考虑施工要求,水平宽度为4.0m;3B区为主堆石区,为级配良好的砂岩堆石料;3C区为次堆石区,位于坝体下游部位,可利用建筑物开挖料和砂泥岩料。下游坝面块石护坡,厚度1m。1A区为上游坝脚粘土铺盖区,1B区为上游坝脚回填石渣盖重区。1.1垫层料工程区天然砂砾料储量较小,垫层料采用料场弱风化以下岩体轧制而成。对垫层料的设计有如下要求:应有较高的变形模量及抗剪强度,能维持自身的稳定,对面板起到良好的支撑作用;垫层料应具有半透水性质,在面板及接缝开裂破坏时,可以起到限制坝体的渗漏量并保持自身抗渗稳定,对细粒料起到反滤作用,渗漏发生时通过细粒料堵塞渗流通道自愈,起到一定的挡水作用;施工中不易分离,便于平整坡面,使面板受力均匀。垫层料的宽度按以上要求并考虑抗震、施工要求确定;级配根据工程经验和试验结果确定,最大粒径80mm,特殊垫层料最大粒径30mm。小于5mm含量30%50%,小于0.075mm含量不大于8%。经过试验,压实后渗透系数为(1.467.15)10-3cm/s,相对密度不小于0.8。垫层料设计干密度为2.24gcm3,孔隙率不大于18%。1.2过渡料 在垫层料与主堆石料间设过渡料区,料源为料场开挖的弱风化以下岩石,物理力学指标要求与垫层料相近,即具有低压缩性、高抗剪强度,对垫层料能起到反滤保护作用。根据垫层料的级配确定过渡料区的级配,最大粒径为300mm,小于100mm含量大于15%,小于1mm含量不大于3%。过渡料设计干密度为2.18gcm3,孔隙率不大于20%。经过试验,渗透系数为(2.365.7)10-1cm/s。1.3堆石料 上游主堆石料区为水压力的主要承载区,为避免面板产生较大的变形,要求有较高的压缩模量及良好的透水性,筑坝石料应有较高的干、湿抗压强度,在面板浇筑后,即使水库蓄水坝体的变形增量也不大。可用于主堆石区的料源有弱风化、微风化及新鲜的砂岩。下游堆石料区位于上游堆石区下游,坝料要求较主堆石区低,为充分、灵活利用建筑物开挖料,下游堆石料分为三个区:底部要求与主堆石区底部类似并具有足够的透水性,顶部高程据下游最高水位确定为550.00m;上部采用建筑物开挖的强风化砂岩料(湿抗压强度应大于40MPa),对石料的抗压强度要求稍低;下游区为维持坝坡稳定,抵抗风化侵蚀,保护其上游侧的软岩料区,对石料的抗压强度要求仍较高,采用弱风化及以下砂岩填筑。堆石料最大粒径为800mm,小于5mm含量不超过15%,小于0.075mm含量不大于5%。堆石料设计干密度为2.16gcm3,孔隙率不大于21%。1.4坝前覆盖料区 面板上游的坝前覆盖料区由堵缝材料和保护料组成,当面板较低部位(不具备检修条件)出现裂缝、周边缝止水破坏等原因产生大的渗漏水时,堵缝材料随水流进入渗漏通道堵缝自愈。堵缝材料采用粘土,顶部高程由水库放空的最低水位560.00m确定,宽度在满足施工要求的前提下根据工程经验确定为10m;保护料采用工程弃渣料,坡度由边坡稳定控制,确定为1:2.5。图1 面板堆石坝最大横剖面图2坝料试验成果 原岩物理力学试验成果表明,溢洪道岩样大部分岩石的节理、裂隙孔洞发育,岩石为弱风化及其上部,故孔隙率、最大吸水率偏大。旧家箐石料场岩石的抗压强度值变化较大,粉砂质泥岩及泥质粉砂岩表现尤为明显,这是由于岩石本身的不均匀性所引起的。 密度试验结果,过渡料最大干密度为2.16g/cm32.19g/cm3,平均2.18g/cm3;垫层料最大干密度2.24g/cm32.27g/cm3,平均2.26g/cm3,在满足试验级配条件下,密度值较大。 压缩成果表明,堆石料的压缩系数值随压力增大而减小,相应压缩模量值随压力的增大而渐增,但压缩模量增加的幅度较缓,少部分有下降的情况,堆石料的压缩性符合一般粗粒料的压缩规律。 垫层料的渗透系数为1.4610-3cm/s7.1510-3cm/s,属半透水料。过渡料的渗透系数为2.3610-1cm/s5.7010-1cm/s,堆石料的渗透系数为110-2cm/s1100cm/s,过渡料及堆石料为透水性材料。各组料的渗透系数与其自身的颗粒组成及岩性一致,满足设计要求。 三轴试验成果表明,垫层料CD剪在3=100kPa500kPa范围内,有效强度cd为40.541.2;过渡料CD剪的有效强度cd为38.138.2;堆石料CD剪的有效强度cd为37.040.8,强度值较高。此外,邓肯EB模型参数中,初始弹性模量K和体积模量都比较高。 旧家箐石料场和溢洪道开挖的弱风化及以下的砂岩料,堆石料压缩变形小,压缩模量高,抗剪强度、初始弹性模量K和体积模量都比较大,其透水性、变形、强度及弹性模量能满足龙马水电站堆石坝筑坝材料的要求。以上石料浸水湿化后对其强度有一定影响,施工中应根据岩石情况分区使用。试验成果与岩性、风化程度、密实度、试验条件有关,与原岩的物理力学性成果基本一致。各石料的渗透性、压缩指标及三轴试验成果相互对应,成果平行关系好,反映了试验材料的基本特性。图2 石料颗粒级配曲线3坝料填筑参数 坝体填筑标准根据坝料室内试验及现场碾压试验结果,并参考类似已建工程最终确定如表1。表1 坝料填筑参数表序号坝料种类干密度g/cm3孔隙率%最大粒径(mm)渗透系数(cm/s)铺料厚度(mm)最少碾压遍数1垫层料(2A)2.241880110-3110-440062特殊垫层区料(2B)2.241830110-3110-440063过渡料(3A)2.18203002.3610-140084主堆石区(3B)2.1621800110080085次堆石区(3C)2.1721800110-180086粘土料(1A)3007任意料(1B)6008块石护坡(P)15004坝体计算4.1坝坡稳定分析坝坡稳定分析采用二维线性计算,采用STAB2000进行计算,滑裂面为圆弧(毕肖普法)。选取面板堆石坝典型断面进行计算,堆石体完全透水,不考虑面板作用。坝料计算参数依据堆石坝石料试验成果整理而成。表2 坝坡稳定计算参数坝料名称(t/m3)s(t/m3)强度指标(度)(度)1垫层料2.242.4255.1013.522过渡料2.182.3854.5112.293堆石料2.162.3851.6710.954上游围堰2.162.3851.6710.955堆石料(软岩)2.162.3851.6710.956基 岩2.452.50700表3 坝坡稳定计算成果序 号计 算 工 况安全系数允许安全系数1正常运行期下游坝坡1.7591.302正常运行期下游坝坡7度地震1.6281.20图3 正常运行期下游坝坡稳定计算简图图4 正常运行期7度地震下游坝坡稳定计算简图4.2坝体应力和变形分析 计算应用软件为清华大学编制的土石坝计算程序“EFESD”,计算模型采用E-B模型。坝料计算参数依据堆石坝石料试验成果整理而成。计算过程分竣工期及正常运行期。计算最终结果汇总于表4,详细成果参见坝体应力位移等值线图。表4 坝体应力和变形计算成果工况坝体位移最大值(m)堆石体应力最大值(MPa)水平位移竖直沉降大主应力小主应力竣工期-0.13(向上游)0.33(向下游)0.801.950.70运行期-0.08(向上游)0.34(向下游)0.802.000.70从坝体位移等值线图可以看出,坝体的变形符合一般规律。由于上游围堰与坝体结合部分先期填筑,坝轴线两侧并不呈对称分布,向下游侧变形大一点,最大值位于下游侧坝壳1/3坝高处。从坝体应力等值线图中可以看出,主应力的大值区都集中在面板的下部区域。堆石区应力较小,大主应力未超过2.0MPa,小主应力未超过0.70MPa。正常运行期与竣工期比较,水平位移、应力变化均不大,坝体稳定性较好,后期变形空间较小。图5 竣工期水平位移等值线图(m)图6 竣工期竖直沉降等值线图(m)图7 竣工期大主应力等值线图(MPa)图8 竣工期小主应力等值线图(MPa)图9 运行期水平位移等值线图(m)图10 运行期竖直沉降等值线图(m)图11 运行期大主应力等值线图(MPa)图12 运行期小主应力等值线图(MPa)5坝基处理河床部位:根据地质勘探资料,坝轴线前河床冲积层厚度在9m左右,其下部为弱风化基岩,因冲积层厚度不大,趾板及坝轴线前坝体基础部位冲积层均全部清除。两岸部位:根据地质资料,开挖深度2m12m。岩基上趾板下部设两排固结灌浆孔,排距3.0m,孔距2.0m,呈梅花形布置。趾板中部布置帷幕灌浆孔,帷幕灌浆深入岩体透水率3Lu线以下5m,因左坝肩相对隔水层埋藏较深,帷幕灌浆深度按0.3倍坝高确定;坝顶高程左岸灌浆洞水平向深入110m,右岸160m,帷幕最大深度约为110m。
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