瀑布沟水电站大坝设计

瀑布沟水电站大坝设计

1边坡发酵设施瀑布沟水库是一座集能源、防洪、沙子保护等综合利用功效于一体的大型节水项目。工程枢纽主要由拦河大坝以及泄水、引水发电、尼日河引水入库等永久建筑物组成。左岸布置引水发电建筑物及1条岸边开敞式溢洪道、1条深孔无压泄洪洞,右岸布置1条放空洞和尼日河引水入库隧洞。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝,坝顶高程856.00m,坝顶宽14m、长540.50m。大坝最低建基面高程670.00m,最大坝高186m。拦河大坝的抗震设防类别为甲类,抗震设防烈度为8度。2坝体结构及工程地质特征坝址区位于瓦山断块西侧大渡河由南北向急转为东西向的“L”形河湾段。河谷两岸山体雄厚,谷坡陡峻,自然坡度为35°~45°。左岸为凸岸,地表无深切沟状水系切割,山顶面较高,山体雄厚;谷坡形态呈上缓下陡的折线形,在860m高程以下谷坡相对较陡,坡度多在45°~55°之间,860m高程以上谷坡为河流Ⅳ级阶地和早期古河道堆积,地势宽缓,地形坡度小于30°。右岸为凹岸,由于尼日河和卡尔沟切割,山顶面相对较低,山体单薄,谷坡坡度多在45°以上。瀑布沟水电站拦河大坝为砾石土心墙堆石坝,坝轴线方向为N29°E。在河床中间偏左位置发育有F2断层,F2断层以N30°W向斜切河床穿过坝基。以断层为界,左岸及下游河床为中粗粒花岗岩,右岸大部及上游河床为浅变质玄武岩。心墙区左岸坝基高程为670~810m,建基面岩性为花岗岩夹少量辉绿岩脉,边坡岩体总体上呈镶嵌、次块状结构,以Ⅲ类围岩为主;仅桩号坝0-008~坝0+097、750~810m高程范围内的强卸荷岩体呈块裂、碎裂结构,为Ⅳ类围岩。心墙区右岸坝基岩性主要为浅变质玄武岩,岩体风化、卸荷程度总体随着高程的降低而逐渐减弱,边坡岩体总体上以碎裂、镶嵌结构为主,730~810m高程区段为Ⅲ类围岩,670~730、730~856m高程区段为Ⅳ类围岩。两岸坝肩边坡主要为岩质边坡,左岸为花岗岩,右岸以玄武岩为主,整体稳定。枯水期河水面高程为676~678m,宽度为60~80m,水深为7~11m。坝基河床覆盖层深厚,厚度一般为40~60m,最大达77.9m,自老到新共划分为4层:第(1)层(Q32)为漂卵石层,第(2)层(Q41-1)为卵砾石层,第(3)层(Q41-2)为漂卵石层,第(4)层(Q42)为漂(块)卵石层。第(3)层下部近岸部位夹砂层透镜体,坝体之下较厚的有上游砂层透镜体和下游砂层透镜体,物质组成分别为中细砂和细砂;第(4)层表部有透镜状砂层靠岸断续分布。大坝建基面上主要出露第(1)层和第(3)层漂卵石层及第(4)层漂(块)卵石层。坝基河床覆盖层深厚,且夹有砂层透镜体,层次结构复杂,厚度变化大,颗粒大小悬殊,缺少5~0.5mm的中间颗粒,局部架空明显,透水性强且均一性差,存在坝基的不均匀变形、渗漏、渗透稳定及地震时的砂土液化等工程地质问题。在大坝上游右岸距大坝约540m处存在一古拉裂体,约800m处存在库首拉裂变形体。3水库设计3.1水库类型和水库线的选择3.1.1厚厚层堆石坝防渗技术根据坝址区地形地质条件,初步设计阶段(可研)比较了心墙土石坝(直心墙和斜心墙)、面板坝(趾板建在基岩上)和沥青混凝土心墙坝3种坝型。(1)混凝土面板堆石坝。趾板、垫层、过渡层均置于基岩上,坝轴线上游主堆石区夹有砂层部位坝基挖至基岩,其余主堆石区及次堆石区直接填筑在覆盖层上。混凝土面板堆石坝方案虽然趾板建在基岩上,但坝高236m,而且大部分坝基仍位于深厚覆盖层上,存在防渗结构复杂、防渗可靠性较差、面板因变形过大产生拉裂缝而影响面板的防渗性能等问题;同时,由于基坑深50m左右,施工难度大,类似工程经验较少。(2)沥青混凝土心墙堆石坝。坝高186m的沥青混凝土心墙堆石坝建在深厚覆盖层上,主要技术问题是防渗墙需承受很大的压应力,防渗结构复杂,防渗可靠性较差,沥青心墙因变形过大产生拉裂缝而影响心墙的防渗性能,且国内外深厚覆盖层上建高沥青混凝土心墙堆石坝的经验还不成熟。(3)砾石土直心墙和斜心墙堆石坝。两种堆石坝的坝高均为186m,但斜心墙防渗土料用量较直心墙多1/3,受力复杂;砾石土直心墙防渗可靠,且适应变形能力和抗震能力强。通过以上分析可知,深厚覆盖层上建面板堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝,其防渗结构复杂;考虑到坝区防渗土料储量裕度不大,根据大坝基础条件,采用直心墙堆石坝较为经济合理,故可研阶段推荐采用砾石土直心墙堆石坝。3.1.2可研阶段第二坝址右岸发育有古拉裂体,下游有尼日河汇口,两者相距约1300m,而心墙土石坝的最大底宽约880m,河床覆盖层中有两个砂层透镜体分布。受此地形地质条件的限制,坝轴线的选择余地不大。ⅩⅣ勘探线位于河湾中部,走向N24°E。可研阶段以ⅩⅣ勘探线作为坝轴线,大坝可避开古拉裂体和尼日河口,枢纽布置可以充分利用河湾地形,防渗线和心墙范围覆盖层中无砂层分布,两个砂层透镜体分别位于坝体上、下游压重之下,对土石坝和混凝土防渗墙的应力应变及动力稳定影响小,也有利于砂层抗地震液化;两岸的接头条件好,谷坡稳定,无不利地质构造;导流洞洞线短,进出口稳定条件较好。因此,可研阶段选定ⅩⅣ勘探线作为坝轴线,走向N24°E。随着工作的深入和地质地形资料的明朗化,技施阶段以左岸坝轴线和溢洪道边墙的交点为固定点,坝轴线向上游旋转5°,为N29°E,使右坝肩正好处于一山脊,坝顶长度由565.80m减至540.50m。3.2坝体及坝体防渗技施阶段为减少工程造价,节约有限的土料,对坝剖面进行了优化设计。砾石土心墙堆石坝坝轴线走向为N29°E,坝顶高程856.00m,坝底高程670.00m,最大坝高186m,坝顶长540.50m,上游坝坡为1∶2和1∶2.25,下游坝坡为1∶1.8,坝顶宽度14m。心墙顶高程为854.00m,顶宽4m,心墙上、下游坡度均为1∶0.25,底高程670.00m,底宽96.00m,约为水头的1/2。为减少坝肩绕渗,在最大横剖面的基础上,心墙左右坝肩从670~854m高程顺河流向上下游各加宽12~2.8m,各高程在垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收缩。心墙坝肩部位开挖面形成后,浇筑50cm厚的垫层混凝土,并进行6m深的固结灌浆,避免心墙与基岩接触面上发生接触冲蚀。心墙上游设2层厚4.0m的反滤层,下游设2层厚6.0m的反滤层。心墙底部在坝基防渗墙下游亦设两层厚度为1m的反滤料与心墙下游反滤层连接,心墙下游坝基反滤层厚2m。反滤层与坝壳堆石间设过渡层,与坝壳堆石接触面坡度为1∶0.4。由于本工程拦河坝按8度地震设防,为防止地震破坏,增加安全措施,在坝体上部增设了土工格栅。土工格栅设置范围为大坝上部810.00~834.00m高程(垂直间距2.0m)和835.00~855.00m高程(垂直间距1.0m),最大水平宽度30m。坝基覆盖层防渗采用两道各厚1.2m的混凝土防渗墙,墙中心间距14m,墙底嵌入基岩1.5m,防渗墙分为主、副防渗墙,主防渗墙位于坝轴线剖面,墙顶与廊道连接,廊道置于心墙底670.00m高程,主防渗墙与心墙及基岩防渗帷幕共同构成主防渗平面;副防渗墙位于主墙上游侧,墙顶插入心墙内部10m。为了防止坝体开裂,在心墙与两岸基岩接触面上铺设水平厚3m的高塑性粘土;在防渗墙和廊道周围铺设厚度不小于3m的高塑性粘土。为延长渗径,在上游防渗墙上游侧的心墙底面铺设30cm厚的水泥粘土,水泥粘土上铺一层聚乙烯(PE)复合土工膜,土工膜上填筑70cm厚高塑性粘土;混凝土廊道下游侧10m范围内反滤层上铺设一层聚乙烯(PE)复合土工膜,廊道下游侧8m范围内在土工膜之上铺设60cm厚高塑性粘土。上游坝坡722.50m高程以上及下游坝坡,均采用干砌石护坡,垂直坝坡厚度为1m。上游围堰包含在上游坝壳中,作为坝体堆石的一部分。为增强大坝抗震安全性,增加下游坝基中砂层抗液化能力,提高大坝抗震性能,在下游坝脚处设置两级弃渣压重体(下游围堰也作为下游压重的一部分),顶高程分别为730.00m和692.00m。坝基及两岸基岩帷幕灌浆深入渗流量不大于3Lu的基岩相对隔水层。3.3插入式连接方案研究大坝心墙和基础混凝土防渗墙的连接部位是瀑布沟工程防渗的关键部位。关于防渗墙与防渗心墙的连接形式,在前期设计阶段,结合国家“八五”科技攻关,研究了廊道式连接和插入式连接两种主要方式,同时,还针对廊道式连接形式,运用数据分析和模型试验,比较了刚接头、软接头、空接头,以及其位置、外轮廓形状、周围填料性质等不同方案。鉴于本工程采用廊道式连接和插入式连接形式在技术上都是可行的,而插入式连接结构简单,无论从有限元分析计算,还是离心机模型试验或大型土工试验,防渗墙墙体内应力均较小,且防渗可靠,施工方便,也有大量的成熟经验,因此,推荐并经审查同意,采用插入式连接形式。由于河床防渗墙下基岩帷幕灌浆只有通过廊道钻孔施工才不致影响工程的直线工期,为此,进入施工阶段后,为实现发电目标,在前阶段成果的基础上,对防渗墙与心墙的连接形式重点研究了以下两个方案:(1)插入式连接方案。将两道防渗墙直接插入心墙,并使两墙之间的廊道尽量靠近上游墙,在廊道内钻孔穿过覆盖层对其下部的基岩进行水泥帷幕灌浆,同时为减小对工期的影响,通过防渗墙内预埋的2排钢管对墙底沉渣及其下10~20m基岩进行浅层灌浆。(2)单墙廊道与单墙插入式连接方案。即将插入式连接方案的下游墙轴线移至防渗轴线,墙顶直接同廊道相接,上游墙上移后仍采用插入式与心墙连接。在廊道内通过2排预埋钢管对墙下基岩进行水泥帷幕灌浆;同时在上游墙内预埋钢管,对墙底沉渣及其下10~20m基岩进行浅层灌浆,通过两岸连接灌浆帷幕与下游墙防渗帷幕连成整体。结合施工进度等要求,技施设计阶段采用单墙廊道与单墙插入式连接方案。3.4土物料用量结果经过技施设计阶段的调整及优化设计,砾石土心墙堆石坝各主要部位土石料需用量为:砾石土心墙料268万m3,高塑性粘土17万m3,反滤料147万m3,过渡料299万m3,堆石料1251万m3。上下游围堰与坝体结合,坝体填筑总量约2300万m3。3.4.1坝底至坝底土料对于土心墙堆石坝,防渗土料的选择及其工程性质的研究是工程的重大关键性技术问题之一。在可研、初步设计阶段做了大量的工作,分别对距坝址16km之内的黑马Ⅰ区、黑马0区、深启底、田街子、老堡子、乌斯河、新寨子、卡尔等砾石土料场,管家山粘土料场,以及距坝址35km的红花料场进行了调查及勘探试验。技施设计阶段重点对黑马Ⅰ区、黑马0区、深启底、管家山粘土料场进行了深入的勘探试验研究。深启底料场位于左坝肩,分布高程为890~1380m,由于其分布高差太大,有用层层厚较薄,开采难度大,且开采过程与左岸溢洪道施工干扰大,破坏坝肩植被,可能引发深启底沟泥石流等,故予以放弃。(1)黑马Ⅰ区料场。黑马Ⅰ区位于上游右岸距坝址约16km的黑马沟黑马乡政府附近,分布高程为1345~1510m,长约2km,宽0.4~1.0km,地势相对开阔。土料的块碎石成分为砂岩、流纹岩和白云质灰岩。在平面上根据土料成因、颜色,分为坡洪积(乳白色)、洪积(浅黄色)、洪积堰塞型(浅红色)3个亚区。其中的洪积亚区(浅黄色)储量为300万m3,是大坝防渗土料的主要料场。小于5mm的粒径含量约46%,小于0.1mm和小于0.005mm粒径含量分别为20%和4.6%,稍微偏粗。剔除大于80mm的粗粒后,储量为270万m3,小于5mm颗粒含量约为51.06%,小于0.075mm和小于0.005mm粒径含量分别为21.89%和5.46%,渗透系数能达到10-5~10-6cm/s量级,现场碾压试验成果表明,可满足设计要求。室内试验研究成果表明,黑马Ⅰ区洪积亚区全级配土料在高功能压实时作为心墙防渗土料是可行的。(2)黑马0区料场。该料场距坝址17km,分布高程为1450~1575m,地形相对平缓,开采条件较好。根据土料成因、颜色,分为坡洪积(浅黄色)、洪积(浅红色)两个亚区。原级配土料偏粗,不能直接作为心墙防渗土料。该土料经简单级配调整(剔除大于60mm颗粒)后,坡洪积亚区(浅黄色)储量为42.5万m3,小于5mm粒径含量平均为48.61%,小于0.075mm和小于0.005mm粒径含量分别为16.91%和2.17%;洪积亚区(浅红色)储量为141.3万m3,小于5mm粒径含量平均为49.94%,小于0.075mm和小于0.005mm粒径含量分别为17.29%和3.15%。该土料作为心墙防渗土料基本可行。黑马Ⅰ区和0区料场均为宽级配的砾石土,级配偏粗,细粒含量较少,防渗和抗渗透变形能力较差。防渗心墙土料以黑马Ⅰ区为较优,黑马0区次之。从坝底至坝顶心墙土料采用顺序为:(1)黑马料场Ⅰ区较优良级配的土料;(2)黑马料场0区的土料。后由于技施阶段设计优化后砾石土料用量减少,实际采用料为黑马Ⅰ区洪积亚区剔除大于80mm颗粒后的土料。心墙底部、防渗墙上部和廊道周围、心墙与两岸连接处及心墙顶部采用的高塑性粘土,选用坝址上游23km处的管家山料场粘土,其粘粒含量为38.89%~50.5%,塑性指数为17.8~28,可满足要求。3.4.2下游反滤设计防渗心墙所用土料在上下游侧需设置2层反滤料,上游侧层厚均为4m,下游侧层厚均为6m,在两道防渗墙之间和防渗墙下游心墙底部设2层厚1.5m的反滤料,并与心墙下游侧的反滤层连成整体。根据国内外反滤料设计经验,反滤料设计遵循以下原则:(1)提高下游关键性反滤的可靠性;(2)控制防渗体出现产生集中渗漏的裂缝,使裂缝能自愈;(3)在确保工程安全的情况下,尽量简化非关键性反滤料,降低工程造价。设计时按照反滤准则计算初选反滤料,最终通过心墙料与反滤料联合抗渗试验、心墙裂缝和孔洞缺陷自愈试验等确定反滤料级配。根据反滤料设计原则,第一层反滤料最大粒径D100=20mm,D15=0.2~0.7mm,渗透系数应大于5×10-3cm/s;第二层反滤料最大粒径D100=80mm,D15=0.8~5.5mm,渗透系数应大于8