水库混凝土面板建筑结构优化设计

水库混凝土面板建筑结构优化设计某水库大坝是一座采用C25W12F100混凝土面板的堆石坝，最大坝高95m。坝址位于高山峡谷地区，存在崩塌堆积、采空塌陷及岩体风化等地质问题，坝基地质条件较复杂，需要在勘察设计阶段对其布置方案及结构参数进行深入研究。围绕减少开挖及填筑工程量、增强坝基坝肩稳定性、确保防渗止水效果等关键技术难题，经多次体型结构优化调整，确保堆石坝枢纽布置、结构分区、坝基处理等均满足技术规范要求，对提高工程投资经济效益起到关键性作用。1工程概况某水库是以发电、农业灌溉和城镇供水为主，兼有农村人畜饮水等功能的一项综合性水利工程，坝址以上集雨面积101.65km2，水库正常蓄水位1416.00m，死水位1376.50，设计洪水位1416.36，校核洪水位1418.32m，总库容1995×104m3，兴利库容1345×104m3，死库容425×104m3，最大坝高95m，坝顶高程1419.80m。工程等别Ⅲ等，工程规模为中等，其永久性建筑物大坝按2级设计，坝型为砼面板堆石坝，建设工期29个月。2坝址地形地质条件河流总体为向左岸（NW）凸出，流向为N60°E转E，下游侧转至N45°E；坝址段河谷为不对称或基本对称“V”字型谷，河床高程1322―1330m，坝址坝段长约480m。设计正常蓄水位1416.0m时，谷口宽约210m，宽高比约3；左、右岸山脊高程大于1515.00m。左岸坡地形零乱，为一约凸出的山脊地形，冲沟较发育；右岸地形相对单一，总体为一凸出的山脊地形。坝址区主要出露（P3l+d）砂岩、粉砂质页岩、砂质粘土岩及煤层；（T1f1）粉砂质、钙质泥岩、泥质粉砂岩及粘土岩；（T1f2-1）粉砂质泥岩、紫红色泥质粉砂岩、粉砂岩及砂岩、紫红色泥岩等；第四系残坡积层（Qel+dl）；冲洪积层（Qal+pl）；崩塌堆积（Qcol）。坝址区岩体较完整，岩层产状为N75°―85°W/SW∠60°―70°，坝址区未见较大的褶皱及断层等通过，区内主要发育4组裂隙。坝址区物理地质现象主要为崩塌堆积、采空塌陷及岩体风化：①崩塌体：主要分布于坝轴线上游侧两岸坡，左岸（3#崩塌体）估计方量约3万m3；右岸（4#崩塌体）估计方量约4.5万m3，成份主要为粘土夹块石，未见架空现象，堆积较密实；②采空塌陷：主要分布于下坝址下游左岸，地表已形成多个塌坑，房屋大部分已经开裂，局部已塌陷。③岩体风化：左岸强风化深9.00―20.00m；河床强风化深3.00―9.00m；右岸强风化深13.00―18.00m。坝址区为碎屑岩地层，地下水主要为基岩溶隙水，岩体透水性弱，属相对隔水层。两岸地下水补给河水。坝址区为三叠系下统飞仙关组第二段第一亚段（T1f2-1）粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂岩等，岩体呈互层状结构，岩层倾右岸略偏上游。根据试验物理力学指标：砂岩强度较高，岩块饱和抗压强度大于40MPa；泥质粉砂岩强度一般，岩块饱和抗压强度小于20―30MPa；粉砂质泥岩、泥岩强度较低，岩块饱和抗压强度小于20MPa，经过综合分析及工程类比法，坝基岩体承载力建议值：砂岩为2500―3500kPa；泥质粉砂岩为2000―2500kPa；粉砂质泥岩、泥岩为1000―1500kPa。由于坝基以软质岩及较软岩为主，刚性坝建基面应置于弱风化中下部岩体，但岩体物理力学指标较低，需重视坝基岩体压缩变形问题；柔性坝建基面可置于强风化岩体上，但上游侧趾板处在崩塌体上，开挖难度及开挖量较大[1，2]。根据地形地质条件分析，由于坝基以软质岩及较软岩为主，不宜于修建刚性坝，所以以面板堆石坝为代表坝型进行枢纽布置。3混凝土面板堆石坝方案优化设计面板堆石坝方案枢纽布置为：面板堆石坝+右岸溢洪道+右岸取水兼放空隧洞等。首部枢纽布置如图1所示。3.1面板堆石坝（1）坝体结构参数坝轴线方位NW51.290，坝顶长272.7m，宽6.5m，坝顶高程1419.8m，防浪墙高程1421.0m，建基面高程1321.00m，最大坝高98.6m。上游坝坡1：1.4，下游坝坡1：1.3，下游坝坡分别在1357m、1387m高程设置2m宽的马道。大坝坝体结构为：上游防渗面板+垫层区+过度区+主堆石区+下游堆石区+下游块石护坡+大块石护脚。砼面板堆石坝标准断面剖面，如图2所示。（2）坝顶设计根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013），综合考虑坝高、交通及坝顶布置等要求[3]，并参照一般工程经验取坝顶宽度9.00m。坝顶上游设防浪墙，下游设栏杆，坝顶面做成单侧排水坡，坡度为1%。防浪墙采用L型钢筋混凝土结构，墙底高程1417.0m，高出正常蓄水位1.0m，墙高4.0m，与面板相接处设伸缩缝及相应止水。（3）混凝土面板面板厚度：按控制水力梯度小于200，便于钢筋及止水布置时的较小厚度设计，采用由顶部向底部逐渐增厚的形式，顶部厚度0.30m。垂直缝间距为12m面板混凝土强度等级采用C25、二级配；抗渗等级W12；抗冻等级F100；水泥为525#普通硅酸盐水泥；掺用符合标准的粉煤灰[4]。根据规范要求，面板为单层双向配筋，纵向配筋率0.4%，横向配筋率0.4%，周边缝及受压伸缩缝附近面板内，布置加强筋。（4）趾板趾板建基面宜置于坚硬的基岩上，厚度0.8m。趾板建基面为弱风化上部或强风化下部，弱风化岩体允许水力梯度为10―20，强风化岩体允许水力梯度为5―10。（5）坝体分区坝体自上游至下游依次分为石碴盖重区（1B）、粘土铺盖区（1A），混凝土面板（F）、垫层区（2A）、周边缝下特殊垫层区（2B）、过渡层区（3A）、主堆石区（3B）、次堆石区（3C）、大块石护脚（3F）及下游块石护坡区（3D）。垫层区采用上、下等宽布置，其水平宽度取3.00m。过渡区上、下等宽布置，其水平宽度采用3.00m。主、次堆石区在上、下游方向以坝轴线下游3.00m处高程1407.00m的点为起点、1:0.4倾向下游坡线为分界线，上游为主堆石区3B，下游为次堆石区3C；下游最高水位为1331.17m，留有余地，以1332.00m高程作为湿润和干燥区的分界线。在竖直方向1332.00m高程以上为次堆石区3C，以下为堆石排水区3F。下游坡面设水平宽度为0.6m的大块石护坡。在1355.00m高程以下的面板上游，设顶部宽度为2.00m，坡度为1:1.6的铺盖区；铺盖区上游设顶宽4.00m、坡度为1:2的土石盖重区。（5）分缝及止水周边缝为面板与趾板间的分缝，采用三道止水。顶部止水由缝口Φ70mm橡胶棒、柔性填料和橡胶波形止水带覆盖组成；中部止水为“Ω”型紫铜片，布置在周边缝中央偏表部；底部止水采用“F”型紫铜片。由于面板垂直缝的张、压特性事先不能准确预计，从保证止水系统完整性出发，止水结构设计均按张性缝处理[5]。面板垂直缝采用两道止水，底部设“W”型紫铜片止水；顶部止水由Φ40mm橡胶棒、柔性填料和橡胶波形止水带覆盖组成。防浪墙与面板间水平缝，设顶、底两道止水，底部采用“W”型紫铜片止水，顶部与面板顶部止水相同。每12.0m设一条沉降缝。缝内设一道紫铜片止水，止水带与防浪墙底部的止水铜片相接。3.2溢洪道溢洪道采用岸坡式开敞式溢洪道，紧邻右坝肩布置，由引渠段、控制段、泄槽段和消力池段组成。引渠段主要是将库水平顺地引入控制闸，引渠底板高程1407.00m，轴线长98.848m，引渠底板厚200mm。闸室控制段基础置于新鲜的砂质泥岩上，闸室采用3孔布置，溢流净宽16.00m，中墩厚2m，边墩厚度2.0m，总宽24.00m。4基础处理优化设计4.1坝基开挖坝址河段河谷狭窄，河谷两岸及河床出露地层为T1yn1-3，上部岩性以灰色薄至厚层灰岩为主，夹灰至灰绿色薄至中厚层泥质灰岩、薄层泥灰岩，下部为极薄层泥灰岩夹薄至中厚层灰岩条带，岩石强度较高，属中硬岩-硬质岩类。岩体呈层状结构，弱风化至新鲜岩体结构面中等发育（多闭合），无贯穿性结构面，岩体较完整，强度较高，抗滑、抗变形性能力较强；强风化岩体卸荷带较发育，岩体完整性相对较差，抗滑、抗变形性能力受结构面和岩块间嵌合能力控制。坝址岩层产状为N70°―85°W/SW∠55°―∠60°，总体倾向上游偏右岸，坝址区未见大的地质构造形迹，主要以小规模层间错动带、挤压破碎带为主，局部有小规模绕曲现象。根据坝址地质情况，河床段大坝建基面置于弱风化下部，接近坝顶高程的拱圈建基面置于弱风化中、上部，接近河床的拱圈建基面至于弱风化底部或微风化上部。1）根据拟定坝址区地形地貌及地质结构条件，结合建基面选择和首部枢纽筑物布置，推荐采用砼面板堆石坝，并对