浅谈高寒地区混凝土水库的抗震设计

浅谈高寒地区混凝土水库的抗震设计

1设计规模、水质新疆喀什喀什河上游瑶河上游的节水规划项目为“1库5级”，规划建设布伦口-公格尔水库-布伦口水库作为主水库，规划建设五个级水库。布伦口公格尔水库-赞金斯特水库-图加茨水库-图加茨特水库-图姆克水库-图姆克水库由广西水利电业集团有限公司投资建设，主管水库总收集面为6.4亿3m，规划储水库为3.3亿3m。5级电水站的年处理能力为632米。规划年平均产量为20.89亿h。项目总投资约50亿元。第一梯级布仑口一公格尔水电站由布仑口水库和公格尔水电站组成。水库正常蓄水位为3290m,工程等级为大(2)型Ⅱ等中型工程,水库拦河坝型为沥青混凝土心墙坝,坝顶高程为3295.0m,最大坝高35.0m,坝长331.32m。水电站采用混合式开发,自布仑口水库引水发电。隧洞长约18km,电站毛水头为660m,装机容量为200MW,保证出力为66.7MW,多年平均有效发电量为6.39亿kW-h。2绿色混凝土心墙设计2.1不对称河谷区布仑口一公格尔水电站工程位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州(简称克州)阿克陶县境内,库区由木吉河和康西瓦河2条支流及2支流汇合后形成的布仑口湖组成,水库呈牛头状,2支流为牛的两角,布仑口湖恰似牛的头部。库区正常蓄水位在3290.0m以下。布仑口一公格尔水电站拦河坝坐落于盖孜河河口以下约0.95km处,河流走向近东西向,河谷地貌呈“U”形,河流纵坡为10%。,为第四系地层发育的不对称河谷,一般谷底宽90～105m,左岸为较陡的高山包,右岸比较平缓,坝轴线布置为直线,左坝肩利用左岸Qlgl冰碛层组成的山包,右坝肩利用右岸Ⅳ级阶地Q3gl冰碛层下的Q1含碎石砂壤土地层。工程地点纬度高,海拔在3280m左右,气候条件较为恶劣,一年的有效施工天数少;度汛要求紧,施工强度大。这就对该项目的施工质量、进度、成本的控制即施工管理水平提出了更高的要求。随着土石坝沥青混凝土施工工艺的逐渐完善和施工技术的不断提高,沥青混凝土防渗技术的优点也逐渐被人们认知。沥青混凝土材料具有防渗性能好、适应变形能力大、抗蚀耐久和对水质无污染等特点,是一种新型优良的水工防渗材料。沥青混凝土防渗体抗震性能好,裂缝可自愈;工程量小,施工速度快,安全可靠。沥青混凝土心墙工程的投资明显少于其他类型的坝型,经济效益显著,应为经济不发达地区或高原高寒地区发展水电事业的首选。因此,布仑口一公格尔水电站坝型采用浇筑式沥青混凝土心墙坝。2.2主花园的高度2.2.1正常蓄水位设计由径流经调节和调洪计算结果确定,水库特征水位:校核洪水位为3293.16m,设计洪水位为3290.89m,正常蓄水位为3290.00m。库区正常蓄水位3290.0m以下的最大宽度为8.7km,沿风向两侧的水域较宽广,吹程采用计算点到对岸的距离,有效吹程为3500m。2.2.2正常运用情况的基肥超高+地震安全超高根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)的规定,坝顶高程等于水库静水位加坝顶超高,按下列4种情况计算,取其最大值。坝顶高程按以下运用情况计算:设计洪水位3290.89加正常运用情况的坝顶超高;正常蓄水位3290.00加正常运用情况的坝顶超高;校核洪水位3293.16加非常运用情况的坝顶超高;正常蓄水位3290.00加非常运用情况的坝顶超高+地震安全超高。按照规范要求,地震雍浪高度一般可取为0.5～1.5m,本次计算取1.0m;本工程地震基本烈度为8°,地震坝顶沉降取0.8m。地震安全超高包括地震坝顶沉陷和地震涌浪高度,则地震安全超高为1.8m。坝顶高程以第一种运用情况控制,最终确定坝顶高程为3295.0m,防浪墙顶高程为3296.2m,最大坝高35.0m。2.3坝体及护坡加固设计坝顶高程为3295.0m,坝顶宽度为10.0m,最大坝高35m,坝长331.32m。坝顶上游侧设置“L”形C25钢筋混凝土防浪墙,防浪墙顶高程为3296.20m,墙底高程为3293.0m,墙高3.2m,坝顶以上高1.2m,“L”形墙底宽3m,底板厚0.4m,混凝土标号为C25、F300。沥青砼心墙墙顶插人底板内,与防浪墙紧密结合,防浪墙每隔10m设1条伸缩沉降缝。坝顶采用沥青混凝土路面,路面净宽9.5m,为排除雨水,路面向下游单向倾斜,坡度为2%。坝顶下游侧设C15混凝土路沿石,横断面尺寸为0.15m×0.5m,高出坝顶面20cm,路缘石每隔5m设1个通向下游的排水孔,并于路缘石上设1.0m高的护栏。上游坝坡为1:3.0;下游坝坡为1:2.75,为解决施工及运行期的交通问题,在下游坡设8m宽、纵坡为8%的“之”字形上坝公路,则最大断面处下游平均坝坡坡度为1:3.01。上游坝坡采用砼板护坡,护坡厚0.25m,分块尺寸为6m×6m,混凝土标号为C25、F300。护砌范围为坝顶至3280.50m高程,顶部与坝顶防浪墙相接,底部与阻滑键相连,阻滑键采用砼浇筑,宽0.7m,高0.9m,埋入坝壳料中。为防止冰对护坡的破坏,在3289.05m、3291.20m处设置导冰坎,坎高0.25m,坎下设砼齿墙。混凝土护坡设Φ100mmPVC排水管,排距为3m,孔距为3m,矩形布置。排水管末端包裹反滤无纺布。下游坝坡采用混凝土网格梁填干砌块石护坡,护坡厚0.3m,网格为5m×5m,网格梁的截面积为428mm×300mm,网格梁砼标号为C25、F200。2.4水库中心区域坝体填筑分区从上游至下游分为上游砂砾料区、上游过渡区、浇筑式沥青砼心墙、下游过渡区、下游砂砾料区、下游过渡料区、下游压重区等。2.4.1顶高高跨坝心墙深化设计心墙形式为浇筑式沥青混凝土心墙,防渗体为直立式,墙体轴线偏向上游,距坝轴线3.0m,心墙顶高程为3293.0m,心墙底高程为3161.2m。采用等厚设计,心墙宽0.6m,高程为3163.2m处至底部墙厚渐变为2m。2.4.2厚层覆盖层和承压水层厚度的影响过渡料位于沥青砼心墙两侧,顶高程为3293.0m,考虑本工程在8°地震区,坝基有深厚覆盖层和承压水,过渡层的厚度适当加大,上、下游水平宽度均为4m。过渡层填筑至心墙顶部,底部建在相对隔水的Q2砂砾石层上,过渡料采用C6料场砂砾料筛分制备而成,最大粒径为80mm,小于5mm粒径含量为30%～40%,设计相对密度Dr≥0.85。2.4.3砂料场及砂粒材料坝址区砂砾料储量丰富,上、下游坝壳料均采用砂砾石料及开挖利用料填筑,选择C8砂砾料场作为坝壳砂砾料场,C8砂砾料场为第四系上更新统(Q3gl)冰碛物,其岩性为含漂石、块石的砂碎石层,dmax=600mm,设计相对密度Dr≥0.85。2.4.4坝基过渡料的铺设河床砂砾石料厚薄不一,在坝基清基时,河床有部分砂砾石被全部清除,坝壳砂砾石与基础含块碎石沙壤土直接接触,经验算,坝壳砂砾石与坝基含碎石砂壤土层间关系满足滤土要求和排水要求,考虑坝基含碎石砂壤土填筑时坝料分层,较大颗粒处于下部与坝基含碎石砂壤土接触部位,砂壤土层呈互层状或透镜体状,为防止蓄水后在承压水的作用下,相对隔水的含碎石砂壤土或含水层的细颗粒被带出,坝壳料填筑时,在基础面填筑1层厚2.0m的坝基过渡料,起反滤、排水、过渡等作用,铺设范围为坝0+085～0+215m,坝基过渡料采用C6料场筛分,最大粒径为dmax≤80mm,小于5mm粒径含量为30%～40%。设计相对密度Dr≥0.85。2.4.5坝体抗震能力为保证大坝的抗震安全,在坝0+085～0+215m下游设75m长的弃渣压重以提高坝体抗震能力,防止坝体下游坡脚产生过大的侧胀变形,保证坝脚一定范围内的坝基稳定。压重利用溢洪道开挖废方堆筑,戗台顶高程为3275.0m。平均厚度为10m。在河床部位坝0+121～0+160m下游坝脚处及压重坡脚处增设2排减压排水井。2.5模量e的影响砼防渗墙采用C15砼,要求7d抗压强度为3～5MPa。抗渗标号为W6,弹性模量E应控制在1.70×104～2.30×104MPa,入孔时的坍落度为18～22cm,扩散度为34～40cm,最大骨料粒径不大于40mm。为增加砼防渗墙的柔性,降低E值,使之能适应较大变形而不发生裂缝,应在轮中加人适量的膨润土。2.5.1心墙下混凝土基础采用垂直式沥青混凝土心墙。为改善大坝受力条件并能很好地与坝顶防浪墙连接,墙体轴线偏向上游侧布置,防渗体轴线距坝轴线3.0m。心墙采用等厚设计,厚度为0.6m。心墙顶高程为3293.2m,插入防浪墙底板0.2m,心墙底高程为3161.2m,高程3163.2m处至底部墙厚由0.6m渐变为2m。沥青心墙扩大端与混凝土基座以折线连接。混凝土基座为厚1.2m、宽6m的C20F200混凝土。沥青混凝土要求容重大于2.28t/m3,孔隙率小于3%,渗透系数小于1×10-7=cm/s,水稳定系数不小于0.90,分离度不大于1.05。2.5.2设计采用沥青路桥连接结构2.5.2.沥青混凝土心墙和现浇梁的设置沥青混凝土心墙坐落在坝基防渗墙顶部,混凝土防渗墙在墙体浇筑完毕并具有一定的强度后,凿去上部一定厚度的混凝土,然后现浇1个砼梁,起支撑和连接作用,沥青混凝土心墙和砼现浇梁及两侧混凝土基座之间设沥青胶涂层。沥青混凝土心墙与坝基防渗墙顶部砼梁间设1道“Z”形止水铜片。2.5.2.心墙与混凝土的安装沥青心墙扩大端与混凝土基座采用折线连接形式,心墙从0.6m扩大为2m和混凝土基座相接(如图1所示),基座混凝土顶面沿心墙轴线设底宽0.8m、深0.4m的梯形凹槽,槽内设1道“Z”形止水铜片。为增加沥青混凝土与混凝土间的黏附性和防渗性能,在齿槽内先涂刷1层厚1cm的沥青胶涂层,再浇筑沥青混凝土。心墙与基座及刚性建筑物连接处的混凝土表面应凿毛,除去其表面浮浆、乳皮、废渣及黏着污物等,喷涂0.15～0.2kg/m2稀释沥青,待充分干燥后,再涂1层厚度为1～2cm的砂质沥青玛蹄脂,砂质沥青玛蹄脂采用沥青:矿粉:河砂=1:2:1。沥青选用克拉玛依道路石油沥青。沥青混凝土粗、细骨料采用阿克陶县水泥厂矿山灰岩原料破碎加工。粗骨料的最大粒径为20mm,吸水率不大于2%,细骨料粒径小于2.5mm并大于0.074mm。沥青混凝土采用中粒密级配,最大粒径为20mm,油石比为12%,填料浓度选择为1.45。2.6坝体结构及坝体设计土石坝在地震荷载下的稳定性与心墙和坝壳材料的机械性质、填筑含水量、碾压及防渗体的形式和位置有着密切的关系。大坝设计考虑采用浇筑式沥青砼心墙坝、相对半透水的宽过渡区、坝基混合过渡料及下游盖重和减压排水井。本工程采用以下抗震措施。(1)由于坝体的动力放大作用,坝体上部的地震加速度比下部大,在坝顶附近地震加速度最大,因此在强地震区宜适当加宽坝顶宽度,使坝顶受损后仍能保持坝的稳定,参照国内外强震区工程实例,坝顶宽度采用10m。(2)高震区适当放缓上、下游坝坡。上游坝坡为1:3.0,下游坝坡为1:2.75,与坐落在活断层上的克孜尔水库砂砾石黏土心墙坝上游坡为1:2.75,下游坝坡为1:2.5相比,坝坡设计合适。(3)提高土石坝抗震性能的重要措施之一就是选用抗震性能和渗透稳定性较好的级配良好的土石料筑坝,并对坝料压实。适当提高坝体的填筑标准,要求砂砾料的相对紧密度Dr≥0.85。(4)采用较厚的防渗心墙及过渡料层。(5)设计采用防渗性能可靠,具有较高的密度、不透水性和水稳定性,以及较高的变形能力、抗裂性和裂缝自然愈合能力的浇筑式沥青心墙坝,心墙宽度取0.6m,并增大过渡料的宽度为4m。(6)考虑足够的地震涌浪高度和地震附加沉陷。取地震引起的坝顶沉陷为1.0m,地震涌浪为0.8m。(7)在坝坡下游增设长75m、厚10m的弃渣压重,以增强抗震时下游坝基的稳定。(8)在下游坝脚处增设减压排水井排除坝体下游坝基的水,迅速减小孔隙水压力,增强坝体的稳定。2.7心墙配合比的确定(1)选择合适的施工配合比。配合比的选择,直接关系到整个大坝的投资与工程质量。因此,在应用沥青混凝土技术的时候,应在选择适合的原材料的前提下,通过大量的实验室试验与现场摊铺试验,确定适合于此工程的配合比,这样才能在源头上控制沥青混凝土工程的质量,减少投资。(2)心墙摊铺过程中的质量控制。在选择合适的原材料与确定合适的配合比后,施工过程的质量控制就是控制沥青混凝土心墙工程质量的最后一道关口。因此,在施工现场,除应控制摊铺机的摊铺速度、摊铺厚度、碾压遍数、摊铺的混合料质量外,还应加强现场的跟踪检测工作,不但按规范要求进行检测,还应定时或不定时的抽检,以确保心墙工程的质量。3大坝现状及运行情况布仑口—公格尔水电站工程于2009年4月开工,2011年5月实现截流,2012年7月完成大坝主体