龙滩碾压混凝土重力坝大坝及坝基防渗排水系统设计

龙滩碾压混凝土重力坝大坝

及坝基防渗排水系统设计摘要碾压混凝土层面是坝体渗漏的薄弱环节，龙滩工程大坝要承受200m级的高水头，如何减少坝体渗漏量，降低坝基及坝体层面的扬压力，是大坝设计的关键技术问题之一。参照目前国内已建工程的经验，结合大量的室内室外试验成果，龙滩工程采用了变态混凝土和二级配碾压混凝土组合防渗的技术，并通过坝内分层廊道连接坝体排水孔幕，在坝体内形成“前堵后排”的有效系统。坝基采用常规的水泥灌浆帷幕进行防渗，并通过上下游帷幕和左右横向连接帷幕形成坝基抽排系统，以有效的降低坝基及坝体下部层面的扬压力。关键词变态混凝土二级配碾压混凝土坝基防渗抽排系统龙滩工程概况龙滩水电站位于红水河上游，广西省天峨县境内，下距天峨县城15km。坝址以上控制流域面积98500km2,多年平均流量1630m7s,多年平均径流量514亿m3。工程按正常蓄水位400.00m设计，分两期建设。初期建设正常蓄水位375.00m,相应库容162.10亿m3,调节库容111.50亿m3。电站装机7台，单机容量600MW,总装机4200MW，保证出力1234MW，多年平均发电量156.70亿kW・h；后期正常蓄水位400.00m时，相应库容272.70亿m3,调节库容205.30亿m3,电站装机9台，单机容量600MW，总装机装机5400MW,保证出力1680MW，多年平均年发电量187.10亿kW・h。龙滩水电站枢纽主要建筑物由挡水建筑物，泄水建筑物，引水发电系统及通航建筑物组成。河床坝段布置泄水建筑物，由7个表孔和2个底孔组成，采用挑流消能；通航建筑物布置在右岸，采用二级垂直提升式升船机，二级升船机之间由中间渠道连接；通航建筑物和河床泄水坝段之间为6个重力式挡水坝段；引水发电系统布置在左岸，电厂进水口为“一字型”排列的坝式进水口，发电厂房布置在左岸山体内，为全地下厂房，装机9台；500kV开关站及出线平台布置于左岸下游距坝约500m的冲沟处。大坝防渗与排水系统设计大坝防渗结构设计2.1.1坝体防渗结构方案选择龙滩工程前期最大坝高192.0m,后期最大坝高216.5m,大坝全断面采用碾压混凝土施工（局部不便碾压的部位除外）。由于碾压混凝土坝采用通仓薄层碾压浇筑工艺，存在众多上下游贯通的层面，受骨料分离和层面结合质量的影响，易产生渗漏通道。龙滩大坝后期正常运行期间坝面承受210.0m的高水头，其下部层面所承受的水压力较已建的其它工程成倍的增加，故龙滩大坝的防渗结构设计一直是大坝设计的关键技术问题。（1）碾压混凝土坝防渗结构的工程应用及发展国内外已建和在建的碾压混凝土坝的防渗结构按所用的材料可分为混凝土防渗结构和高分子材料防渗结构两大类。高分子材料防渗存在耐久性较差的问题，故龙滩大坝考虑采用混凝土结构防渗。混凝土防渗的主要型式有：厚常态混凝土防渗、薄常态混凝土防渗、钢筋混凝土面板防渗、碾压混凝土自身防渗等。厚常态混凝土防渗可靠性高、耐久性好，但对RCC的施工干扰大，限制了大坝的上升速度；而薄常态混凝土防渗结构的表面裂缝对防渗效果的影响较大；钢筋混凝土面板防渗结构类似于薄常态混凝土，但面板内的钢筋对表面裂缝的开展有一定的限制作用，可靠性相对较高；碾压混凝土自身防渗，其防渗作用不仅受表面裂缝的影响，而且还受层面渗流的影响。我国碾压混凝土筑坝技术经过近年来的发展，形成了以中等胶凝材料或富胶凝材料和高掺粉煤灰为特点的碾压混凝土筑坝模式，施工中较为普遍地采用通仓薄层（层厚30cm）碾压连续上升的模式。富胶凝材料二级配碾压混凝土由于胶凝材料用量大，骨料粒径减小，从而减少了混凝土输送和摊铺过程中的骨料分离，增强了混凝土本体和层面的密实性，通过层面铺水泥浆或砂浆处理，使碾压层面结合进一步得到改善，其抗渗性比早期的贫胶凝材料碾压混凝土有了极大的提高。采用富胶二级配碾压混凝土作为大坝的防渗体，施工简便快速，且不需要增加其他施工设备，适应了碾压混凝土的施工特点，使碾压混凝土的快速施工优势得到充分发挥。“九五”期间兴建的江垭、棉花滩、大朝山等100m级碾压混凝土坝都采用了富胶凝材料二级配碾压混凝土防渗，其中江垭大坝为我国目前完建的最高的碾压混凝土大坝，最大坝高达131m。（2） 碾压混凝土渗流特性研究“九五”期间我们收集了国内近期完建的江垭、汾河二库、大朝山等几座碾压混凝土坝的系统完整的室内和现场渗流试验资料及现场压水试验资料，并与龙滩现场碾压三级配碾压混凝土试验成果进行了比较。通过对以上资料的分析表明：中等胶凝材料和富胶凝材料的碾压混凝土本体的抗渗性已与常态混凝土无异，部分层面结合较好的碾压混凝土已达到或接近常态混凝土的水平；二级配碾压混凝土的抗渗性明显优于三级配碾压混凝土；施工工艺对碾压混凝土的抗渗性有较大影响，应尽量保持层面连续上升并加强缝面处理；龙滩三级配碾压混凝土的抗渗性已超过江垭三级配碾压混凝土，接近于江垭二级配碾压混凝土。可以预计龙滩大坝二级配碾压混凝土，随着胶凝材料用量的增加，骨料最大粒径的减小，其抗渗性可以超出江垭二级配碾压混凝土的水平。（3） 变态混凝土渗流特性研究虽然采用二级配碾压混凝土作为龙滩大坝防渗结构的一部分是可行的，但二级配碾压混凝土的离散性大，为了防止部分碾压混凝土层面直接与水库连通，则要求设置另外的防渗结构以封闭混凝土层面，同时要求该结构具有良好的抗渗性和均匀性。江垭、大朝山等已建的碾压混凝土坝具有用变态混凝土封闭二级配碾压混凝土组合防渗的成功经验，为此我们对变态混凝土的渗流特性作了进一步研究。变态混凝土是在碾压混凝土中浇筑振捣过程中掺配一定比例的灰浆形成，江垭碾压混凝土坝变态混凝土采用10%灰浆+90%碾压混凝土。江垭变态混凝土室内芯样试验和龙滩变态混凝土室内抗渗性试验表明：变态混凝土无论从抗渗性还是均匀性方面均已达到常态混凝土的水平，横观各向异性已不太明显，其抗渗性能优于二级配碾压混凝土；变态混凝土的抗渗性与掺浆的均匀程度关系密切，同时还受水灰比、外加剂等因素的影响。（4） 大坝防渗结构方案选择“八五”期间由于变态混凝土和二级配碾压混凝土工程应用尚属起步阶段，对变态混凝土和二级配碾压混凝土的材料性能缺乏充分的试验研究，特别是缺乏对变态混凝土的物理力学和渗流特性的试验研究，因此，当年选择钢筋混凝土面板与二级配碾压混凝土组合防渗方案作为龙滩碾压混凝土重力坝防渗结构方案的推荐方案。“九五”期间通过对变态混凝土和二级配碾压混凝土的材料性能进行充分的试验研究和对实际工程资料的分析论证后，认为变态混凝土方案较之钢筋混凝土面板方案更适合于龙滩碾压混凝土重力坝对防渗结构的要求。变态混凝土方案的显著优势是施工简单，施工干扰少。因此，现阶段确定把变态混凝土与二级配碾压混凝土组合防渗方案作为龙滩碾压混凝土重力坝的防渗结构方案。2.1.2变态混凝土和二级配碾压混凝土组合防渗方案设计除局部不便碾压的坝段或部位采用常态混凝土防渗外，龙滩大坝其他上游面均采用变态混凝土与二级配碾压混凝土组合防渗。高程270.00m以上变态混凝土厚度为1.00m,高程270.00m以下变态混凝土的水平宽度为1.50m。变态混凝土的分缝与坝体结构分缝布置相同，为限制上游变态混凝土开裂后裂缝的发展,在变态混凝土内设置一层钢筋网。上游二级配碾压混凝土水平宽度根据作用水头不同采用3〜15m不等，以其下游边界距坝体排水孔幕的距离不小于1m控制，由此确保排水孔幕的排水降压效果。为提高二级配碾压混凝土层面的结合效果和抗渗性，在连续上升的二级配碾压混凝土层面范围内逐层铺洒水泥粉煤灰浆。为进一步加强上游防渗结构的可靠性，上游死水位以下设置一道坝面喷涂层，喷涂材料采用高分子材料或渗透结晶材料等。根据下游最高水位和9台机满发的下游水位，坝体下游面的防渗以高程233.00m为界分成两部分。高程233.00m以下也采用变态混凝土与二级配碾压混凝土组合防渗，高程233m以上采用坝体三级配碾压混

凝土自身防渗，其表面0.30〜0.50m范围内根据坝体外观要求可采用变态混凝土，但该部分变态混凝土不再按照防渗要求的变态混凝土进行设计。坝体排水系统设计排水系统是降低坝内扬压力的重要设施，碾压混凝土坝必须设置完善的排水系统，只要排水布置得当且留有余地，防渗结构的局部缺陷将不会导致坝体或层面扬压力的急剧上升。排水系统的设计应满足在各种工况下均可将坝体和层面扬压力控制在设计范围内。龙滩工程根据渗流控制要求设置坝体排水孔幕，挡水坝段上游排水孔顶部高程381m,溢流坝段上游排水孔顶部高程351m；挡水坝段下游排水孔顶部高程265m,溢流坝段下游排水孔顶部高程246m。排水孔通过上下排水廊道连成一个整体。大坝上游共设置5层排水廊道，在溢流坝段下游侧高程230.00m布置一层排水廊道。为提高下部层面抗滑稳定安全储备，在高程230.00m以下沿基础纵向排水廊道朝上设置坝内层面排水孔，以形成坝内抽排，更好地降低层面扬压力。坝体排水孔和横缝排水管汇集的渗水，高程270m以上由交通廊道自流排出坝体，高程270m以下进入基础集水井，由坝体抽排系统排出坝体。坝体横缝止水排水设计坝体上游横缝内布置2〜3道止水铜片和一个直径300mm的横缝排水管，坝体下游高程265m以下的横缝内布置2道铜片止水和一个直径300mm的横缝排水管，上、下游横缝止水均埋设在坝踵和坝趾的止水基座内，对座落在两岸陡坡上的坝段，在上游坝踵部位沿坝轴线方向布置1道基础止水，一侧埋设在基础止水基座内，另一侧埋设在坝体混凝土内，横缝处与第一道横缝止水焊接。此外，坝体廊道穿越横缝处的廊道周边和跨横缝布置的廊道顶部均布置1道橡胶止水。大坝防渗止水排水系统布置详见图1〜图3。E3I卜msttMJ-£八：■TG皿■-机T斤溢流坝段典型断面防渗止水排水图图1大坝防渗止水排水系统布置详见图1〜图3。E3I卜msttMJ-£八：■TG皿■-机T斤溢流坝段典型断面防渗止水排水图图1河床挡水坝段典型断面防渗止水排水图图2州EH~j：n»r/㈣•七7 、、TK4图3上游面防渗止水排水图 图4下游面防渗止水排水图2.4大坝渗流分析渗流分析计算了多种工况，以下仅列出两种代表性工况及其计算成果。2.4.1计算工况V375M230000I450C1V375M230000I450C1表1变态混凝土和二级配碾压混凝土防渗结构方案计算工况工况号成果图号工 况 说 明1图5按设计推荐情况，坝上游面变态混凝土后面为二级配碾压混凝土，然后为三级配碾压混凝土；坝上下游水位375m和225.5m。二级配及三级配碾压混凝土的渗透各向异性比为50和500。2图6同工况1,层面施工非均匀性致使排水孔周围单元层面渗透性受阻。2.4.2渗流分析成果图5工况1：变态混凝土+二级配RCC图5工况1：变态混凝土+二级配RCC防渗情况（单位：m）受阻情况（单位：m）2.4.3结论渗流场分析成果说明，单从渗流控制来看，龙滩大坝采用碾压混凝土自身防渗可以满足大坝设计要求。在渗流控制中排水管起着极为重要的作用，只要排水通畅，坝体扬压力的控制就可控制在设计扬压力图形以内。坝体排水管上游的混凝土需要承受绝大部分的渗流坡降，因此要求这部分混凝土材料具有能承受大的渗流坡降的性能和渗透稳定性，作为坝面混凝土还应能抵抗外部环境变化对其性能的影响。坝基防渗和排水坝基防渗帷幕帷幕布置防渗帷幕按后期正常蓄水位400.0m要求设计，在初期建设时高程406.5m以下一次性建成。

防渗帷幕线的布置主要考虑两方面的要求：一是坝基和绕坝渗流的控制，防止产生渗透破坏；二是河床较高坝段基础抽排减压控制，即在帷幕和坝基排水的共同作用下，使坝基面渗透压力和坝基渗漏量控制在允许范围内。防渗帷幕由上游、下游防渗帷幕及河床坝段两侧的横向帷幕组成。3.1.2上游帷幕上游防渗帷幕线布置于坝基上游纵向灌浆廊道内上游侧，两岸坝肩山体内的绕坝防渗帷幕布置在灌浆平洞内的上游侧，两者构成一道连续的防渗幕墙。综合考虑钻孔深度、坝基开挖形状和分期建设的特点，左岸在308m、382m、406.5m高程布置了3层灌浆平洞，右岸在318m、406.5m高程布置了2层灌浆平洞。帷幕伸入山体至水库最高正常蓄水位与地下水位线的交点，且左岸截断F63、F69断层并局部加6369大了灌浆深度。上游帷幕按坝基面上作用水头大小的不同分为3个区，水头低于70m范围为I区，水头在70〜150m之间为II区，水头大于150m范围为III区。I区为1排孔，11区为2排孔，，III区为3排孔。各区帷幕深度深入相对不透水层顶线以下不小于5m（相对不透水层的渗透率不超过1Lu）。。为保证帷幕的连续性，两岸上层灌浆帷幕与下层灌浆平洞之间采用扇形帷幕搭接。3.1.3下游及横向帷幕为防止下游河水和两岸山体地下水向河床坝段坝基面渗透，使坝基面扬压力增大，布置了下游和两岸横向帷幕，与上游帷幕形成封闭的坝基抽排区。下游帷幕布置于坝内下游灌浆廊道，帷幕线向两岸延伸的范围按坝基设置抽排的范围确定，两岸延伸至坝基面高程约270.0m处。下游帷幕深度约为下游最大水头的0.6倍，最小深度不小于15.00m。帷幕灌浆孔设1排孔，孔距1.50m。在下游帷幕线两端设横向防渗帷幕，横向帷幕的设计原则同下游防渗帷幕。坝基帷幕平面布置见图5。图5坝基帷幕灌浆平面图3.2坝基排水

根据龙滩工程坝高水头大的特点，为有效降低坝基面扬压力，坝基排水采用抽排减压措施，即由上下游帷幕及横向连接帷幕构成封闭的抽排减压区。抽排区内除上游主排水廊道外，还布置有纵横向辅助排水廊道，间距约40m。在下游灌浆廊道内也布置有辅助排水孔。抽排区以外两岸较高坝段除主排水廊道外，还布置有1至2排纵向辅助排水廊道，两岸低坝段则只在灌浆廊道内布置主排水孔。坝基排水平面布置见图6。KmafMJ:;..■:■:「KmafMJ:;..■:■:「图6坝基排水平面图主排水孔间距2m,孔深约为主帷幕深度的0.5倍，且不小于20m；下游辅助排水孔间距2m,孔深约为下游帷幕深度的0.5倍且不小于15m；其余辅助排水孔间距3m，孔深15m。所有排水孔孔径均为150mm。在坝基0+110.00纵向辅助排水廊道最低段扩挖形成集水井，坝基及坝体高程270.00m以下渗水均汇集到集水井内，最后抽排至坝外。坝基抽排系统