青海康扬水电站边坡设计

青海康扬水电站边坡设计

康阳水电站位于山西省尖扎县和化隆县交界处的黄河支流。距李家峡水电站约17公里，距公伯峡水站约53公里。整个枢纽建筑物由左岸及河床碾压土石坝,右岸滩地泄洪闸、混凝土重力坝、电站厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位2033.0m,总库容2880万m3,电站设计水头18.7m,总装机容量283.5MW,多年平均发电量9.92亿kWh,年利用小时数3500h,工程的主要任务是发电。文章主要对康扬水电站左岸及河床碾压土石坝设计进行系统扼要地总结。1坝上地区基岩地层康扬水电站坝址左岸为冲洪积物覆盖,地面高程2020～2035m,地面开阔,缓倾,地形自然坡度1°～3°,向岸里渐高,局部呈微阶梯。坝址右岸位于Ⅰ～Ⅱ级阶地和河床漫滩处,地形平缓开阔,多呈“扇状”,均向黄河缓倾,自然坡度2°～4°,Ⅱ级阶地阶面高程2026～2028m,Ⅰ级阶地及漫滩地面高程2012～2024m,Ⅰ,Ⅱ级阶地分界处最大高差10余m。坝线河床及左岸漫滩部位基岩顶板近水平,高程2013m左右,左岸基岩顶板高程2013～2017m,右岸2015～2020m,河床2012～2018m。坝址区出露地层有上第三系贵德组(N2g)河湖相沉积层及第四系冲洪积层(Qal+pl4)。其中上第三系贵德组(N2g)岩性以粘土质粉砂岩为主,夹少量粉砂质粘土岩、淤泥质粘土岩、软粘土岩(层)、松散砂岩(层)和砂砾岩,统称为红层。红层成岩作用差、岩性软弱、变性模量低、强度和地基承载力不高,在卸荷条件下或开挖暴露后易受环境条件的影响,岩体工程地质特性变化较大。尤其是粘土岩,遇水后表面膨胀、崩解、软化,失水后干缩开裂,工程特性明显削弱,施工过程中应注意及时采取工程措施妥善保护。土石坝河床坝基范围内上部为2～6m厚冲积相砂卵砾石层(Qal4),下部为第三系红层。左岸坝基部位为呈二元结构的第四系地层,上部为3～8m的含块碎石土层,中部为砂卵砾石层,下部为红层。冲积砂卵砾石层为强透水层,覆盖层下伏基岩表层为2～3m厚的强风化层,属中等～强透水性。两透水地层总厚度5～8m。粘土岩属微～极微透水层。坝基河床及左岸砂卵砾石层中无淤泥质、砂质连续夹层,且砂卵砾石层厚度较均匀,在坝体荷载作用下,无不均匀沉降和砂土液化问题。2土石坝坝型确定根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》及GB50201-94《防洪标准》的规定,本工程为Ⅲ等中型工程。左岸及河床碾压土石坝按3级建筑物设计,设计洪水标准采用100年一遇,相应洪峰流量为4460m3/s,校核洪水标准采用1000年一遇,相应洪峰流量为4690m3/s。地震基本烈度为Ⅶ度。正常蓄水位(设计洪水位)为2033m,校核洪水位为2034m。土石坝全长765m,最大坝高23m,为低坝。可行性研究阶段通过对黏土心墙堆石坝、黏土斜墙堆石坝和黏土均质坝3种坝型的比较,认为黏土均质坝坝体具有结构简单、与泄洪闸连接条件好、施工简单等优点,适合康扬水电工程的特点,故选择黏土均质坝为该阶段的推荐坝型。然而,均质土坝所需粘土料场距坝址运距较远,天然含水量又偏低,2002年8月通过的《黄河康扬水电站项目建议书》针对该粘土料建议:按照就地取材的原则,进一步研究比较其它土石坝坝型。于是西北勘测设计研究院于2003年4—7月组织有关设计人员进行可行性研究优化设计,在保证坝体、坝基渗透稳定和整体稳定,并尽可能减少坝体断面,节省投资的前提下,主要对均质土坝、粘土心墙坝、粘土斜墙坝、土工膜防渗斜墙坝4种坝型进行经济技术比较。通过分析计算和比较发现:土工膜防渗斜墙坝工程量最少、最经济,心墙坝和斜墙坝投资相当。但考虑到土工膜防渗多运用于小型工程,对中型工程而言安全储备较低,粘土心墙坝的施工干扰又较大,所以综合考虑经济、施工、安全等方面的原因可研优化设计推荐粘土斜墙坝方案代替原可研设计均质土坝坝型。发包设计阶段对坝址区左岸坝前土料场进行了详查,认为左岸坝前土料场运距近,储量能满足设计要求,质量指标符合防渗土料技术要求,又不占农田耕地,故作为推荐料场。左岸坝前土料为壤土,于是粘土斜墙坝改为壤土斜墙坝。3斜墙水库的设计3.1下游土壤斜墙坝体及护坡分类斜墙坝坝体标准断面拟定见图1。上游坝坡1∶2.5,下游坝坡1∶1.8,坝顶宽8m,壤土斜墙坝从上游至下游分为上游护坡、上游坝壳、上游反滤层、防渗体、下游反滤层、下游坝壳和下游护坡及排水棱体。3.2混凝土防浪墙坝顶下游侧高程为2036.00m,坝顶宽度为8m,为沥青混凝土路面。因排水需要,坝顶面向下游倾斜2%。坝顶设置3.5m高的混凝土防浪墙,并与壤土防渗体紧密结合。防浪墙顶高程2037.5m,长度方向每20m设沉降缝1条,垂直向配筋Φ16@20cm,水平向配筋Φ10@20cm,在防浪墙顶每隔20m设1灯柱,供运行期照明使用。坝顶下游设置1m×0.3m×0.75m(长×宽×高)的混凝土边石,埋入坝体0.45m,中对中间距2m,起到安全防护作用。斜墙坝坝顶横构造图见图2。3.3防渗体顶部高程壤土斜墙防渗体自上而下逐渐加厚,顶部水平厚度为3.6m,底部厚度在最大坝高23m处为12.46m,满足厚度不小于1/5水头的要求。防渗体顶部高程2034.6m,比正常蓄水位(设计洪水位)2033.00m高出1.6m。防渗体标准断面上游坡为1∶2.1,下游坡为1∶1.8,均倾向上游。防渗体向上游方向依次布置有反滤料、上游坝壳料、垫层、预制混凝土板护坡,它们起到保护防渗体的作用,防护最小厚度为2.07m,本工程最大冻土深度为131cm,大于该地区的冻结和干燥深度。3.4坝体表面盖层反滤层主要设置在壤土防渗体的上、下游及坝基覆盖层与坝壳料的接触处。壤土防渗体上游设置1层,下游设置2层,2层的级配相同,均厚60cm,坝基覆盖层与坝壳料的接触处也设置反滤1层,厚60cm。根据SL274-2001《碾压土石坝设计规范》,为了保护壤土,防止发生渗透破坏,反滤料的级配满足D15≤9d85(滤土要求),D15≥4d15(排水要求)。反滤料的上下包线见图3。3.5上游护坡垫层上游坝坡为1∶2.5,下游坝坡为1∶1.8,鉴于当地缺少大块石,没有条件采用堆石或抛石护坡,故上游护坡用12cm厚混凝土预制板防护,下设40cm垫层。下游护坡采用卵石格构护坡,格构厚35cm,高25cm,间距4m×4m,下设40cm垫层。3.6水库周边规划为排除雨水,坝顶面向下游倾斜2%。下游坝坡每隔80m设一条竖向排水沟,断面为20cm×20cm。4坝体防渗系坝体深基坑设计防渗体与左岸坡连接处附近采用扩大防渗体断面,以延长接触渗径,防止接触冲刷。扩大防渗体断面从坝左0+738.05m过渡到坝左0+768.05m,在坝左0+738.05m处,防渗体断面上游坡为1∶2.1,下游坡为1∶1.8,均倾向上游,在坝左0+768.05m处,上游坡仍为1∶2.1,倾向上游,下游坡为1∶0.25,倾向下游。防渗体与右岸泄洪闸通过混凝土刺墙连接,以避免沿接触面产生集中渗流,混凝土刺墙顶部高程为2033m,顶宽1m,上下游侧坡为1∶0.025,插入壤土防渗体长度为14.5m,泄洪闸左边墩外侧混凝土坡比为1∶0.5,以保证土坝填筑密实防止坝体因不均匀沉降产生裂缝。防渗体与右岸泄洪闸连接处附近也采用扩大防渗体断面,扩大防渗体断面从坝左0+138.05m过渡到坝左0+88.05m,在坝左0+138.05m处,防渗体断面上游坡为1∶2.1,下游坡为1∶1.8,均倾向上游,在坝左0+88.05m处,上游坡仍为1∶2.1,倾向上游,下游坡为1∶0.25,倾向下游。5墙底安装强风化墙极限斜墙坝砂砾石坝基防渗措施采用混凝土防渗墙垂直防渗,墙厚60cm,墙顶插入壤土防渗体不少于2m,墙底嵌入强风化层下限至少0.5m。左岸混凝土防渗墙延伸至坝左0+925.000m,右岸混凝土防渗墙与右岸泄洪闸帷幕灌浆连接。坝体断面范围内必须清除坝基与岸坡上的草皮、树根、含有植物的表土、蛮石、垃圾及其他废料,并将清理后的坝基表面土层压实。坝体断面范围内的低强度、高压缩性软土要清除或置换。6水库材料的选择和填充要求6.1上下水库的外壳材料上、下游坝壳料主要采用杨家河滩砂砾石料和右岸坝后河滩砂砾石料。试验成果表明,这两处的砂砾石质量好,颗粒级配较好。6.2渗透系数及有机质含量防渗体主要采用左岸坝前库区现有黏土和上格区料场黏土。试验成果表明其相应技术指标如下,符合SL274-2001《碾压土石坝设计规范》的相关要求:(1)渗透系数<1.0×10-5cm/s;(2)水溶盐含量(指易溶盐和中溶盐,按质量计)不大于3%;(3)有机质含量(按质量计)有机质含量不大于2%;(4)塑性指数<20,液限<40%。6.3上下游护坡层反滤层设置于防渗体上游(反滤料Ⅰ共1层)和下游(反滤料Ⅰ和反滤料Ⅱ共2层)及砂砾石地基与坝体的结合面(反滤料Ⅰ共1层),厚度均为60cm,垫层位于上下游护坡的下面,厚40cm。反滤料和垫层均采用右岸坝后河滩砂砾石料场及杨家河滩料场。经过施工试验表明具有如下特性,可以满足工程运行要求。(1)反滤料和垫层料质地致密,抗水性和抗风化性能较好;(2)反滤料的级配连续;(3)反滤料透水性好;(4)反滤料和垫层料中颗粒小于0.075mm的颗粒含量不超过5%。6.4新鲜、完整石术排水体排水体位于下游坡角,高于建基面至少2m,顶部宽2m,下游坡比1∶2。排水体采用粒径600～120mm的新鲜、完整卵石或砾石。排水体填筑均匀,避免架空,保证排水通畅。排水体与坝壳料结合处设反滤料1层,厚60cm,以避免遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。6.5单元标准的确定(1)完成后，防护结构完成填筑含水率16.6%,施工参数根据现场碾压试验确定,压实度≥96%。(2)果进行密度铺料厚度按振动平碾,碾压遍数根据试验结果进行,相对密度≥0.75;砂砾石中粗粒料含量小于50%时,应保证细料(小于5mm的颗粒)的相对密度也符合上述要求。(3)反滤和垫层压实整地反滤和垫层填筑铺料厚度由施工生产性试验确定。斜坡面上的反滤和垫层每上升8～10m进行斜坡面碾压,碾压前洒水、预碾,然后对坡面进行修整,修整后的坡面,在法线方向高于设计线5～10cm。7斜墙水库的计算和分析7.1流量计算和分析(1)游相应的最低水位1)上游正常蓄水位(设计洪水位)与下游相应的最低水位;2)库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况(从正常蓄水位2033m降到死水位2031m)。(2)渗流的计算网格坝高为23m,坝基面坐落在覆盖层上,覆盖层厚度为6m,不透水层为15m厚的基岩。二维渗流的计算网格见图4,剖分四边形和三角形网格2243个,共有2330个节点。防渗体渗透系数为k=5.5×10-5cm/s,上下游坝壳料渗透系数为k=4.0×10-2cm/s,覆盖层和棱体排水渗透系数k=4.0×10-2cm/s,基岩渗透系数k=1.0×10-6cm/s。(3)期斜墙坝渗漏量通过二维有限元渗流程序计算结果表明,稳定渗流期斜墙坝渗漏量为0.089m3/s,仅占多年平均流量685m3/s的0.013%,防渗效果显著。其中斜墙坝稳定渗流期流网见图5。7.2稳定计算与分析(1)计算方法斜墙坝坝坡抗滑稳定采用简化毕肖普法。(2)坝体结构及含水层数据分析上游坡:1∶2.5;下游坡:1∶1.8;排水体:1∶2.0;防渗体:凝聚力c′=10kPa;摩擦角φ′=25.5°;湿容重:γ=17kN/m3;饱和容重:γrat=18kN/m3。上下游坝壳料、覆盖层、棱体排水:凝聚力c=0kPa;摩擦角φ=36°;湿容重γ=23kN/m3;饱和容重γrat=23kN/m3。(3)计算噪声1)正常蓄水位(设计洪水位)形成稳定渗流期的上、下游坝坡;2)水库水位降落期的上游坝坡;3)正常运用遇地震的上、下游坝坡。(4)坝坡抗滑稳定验算根据SL274-2001《碾压土石坝设计规范》,斜墙坝按3级建筑物设计,各工况下允许安全系数见表1。经计算分析,各工况下坝坡抗滑稳定安全系数见表2。从表2中可以看出,各工况下计算安全系数均大于相应的允许安全系数,故斜墙坝的坝坡在各工况下处于稳定状态,满足规范和工程运行的要求。7.2.1计算沉降的计算与分析(1)围岩防渗体变形模量1)计算参数砂砾石湿容重:23kN/m3;砂砾石饱和容重:23kN/m3;壤土防渗体饱和容重:18kN/m3;砂砾石变形模量:37MPa;壤土防渗体变形模量:11MPa。2)计算假定壤土斜墙坝主要由上下游坝壳料和斜墙防渗体组成。由于防渗体相对较少,对坝体沉降处于次要地位,为简化计算,本次计算把斜墙防渗体看作砂砾石料(非粘性土)。(2)斜墙坝最终沉降量计