沙牌碾壓混凝土拱壩設計

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 陳秋華
上傳時間:2006/2/16 14:23:00

摘要:較為詳細地介紹了壩高130m的沙牌碾压混凝土拱壩的設計和特点,主要包括樞紐布置、拱壩布置、混凝土設計和築壩材料、结構設計、溫度控制措施和基礎處理。

关鍵詞:碾壓砼拱壩 設計 特点 沙牌水电站

1 工程概況
  沙牌水電站位於四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內,是岷江支流草坡河上遊的一個梯級龍頭電站。電站采用蓄、引相結合的開發方式,壩址位于草坡河上沙牌村牛廠沟附近,廠址在其下遊約5km的克充臺地,電站尾水汇入已建成的草坡水電站水庫。坝址距草坡河口約19km,距汶川縣城約47km,距成都約136km
  沙牌水電站水庫正常蓄水位為18660m,死水位为18250m,總庫容018m3。電站總裝機容量36 MW,年發電量179k W·h,年利用小時數為4 791h。工程為三等工程,主要建築物為3級建築物,設計洪水標準按50年一遇,校核洪水標準按500年一遇,地震基本烈度為7度。枢紐工程主要由碾壓混凝土拱壩、右岸2条泄洪洞及右岸發電引水隧洞、发電廠房等建築物組成。碾壓混凝土拱壩高130m,是目前國內外最高的碾壓混凝土拱坝。
  沙牌水電站分兩期建設:一期工程采用引水式開發,建低閘臨時取水,於199511月開始19975月發電;二期工程采用高拱壩擋水,形成具有季調節性能的水庫,於1997616日開工建設,2002530日碾壓到壩頂。拱壩於200358日下閘蓄水,工程將於200312月全面竣工。
2 樞紐布置
  
沙牌水電站坝址處河谷深切,兩岸基巖裸露,河谷形狀為V形,基本對称,其寬高比約為17,適合於修建混凝土拱壩。壩基巖体主要為花崗閃長巖,巖體完整性好,風化卸荷不強;在壩基中上部高程出露有花崗閃長巖夾片巖,對片岩進行混凝土置換處理后,可以滿足拱壩建基面的要求。
  根據壩址區自然條件,並考慮到采用碾壓混凝土築壩技术等因素,拱壩體型設計為三心圓單曲拱壩,拱壩壩身不布置泄洪建築物。在拱壩右岸布置2条泄洪隧洞,1号泄洪洞進水口底高程為18460m,結合导流洞的利用,洞身采用渦漩式內消能豎井泄洪洞,最大泄流量為242m3s2號泄洪洞進水口底高程为18050m,洞身采用长陡坡,坡度為10%,最大泄流量為211m3s。發電引水系统布置在拱壩右岸,進水口底板高程為1818m,引水隧洞全長3 50092m,洞径3m,引用流量156m3s。調壓井布置在下廠址草坡河右岸的山體中,為圓筒阻抗式,直徑45m,高9936m。調壓井後為埋藏式壓力管道,2臺機共用1根總管,管徑2m,支管直徑12m。廠房布置在草坡河左岸的克充階地上,主厂房長26m、寬185m、高3155 m,安裝2臺單機容量為18k W的混流式機組。主體工程施工期采用斷流圍堰挡水、隧洞導流、壩體全年施工的導流方案。樞紐布置見图1。該枢紐布置較大地簡化了碾壓混凝土拱壩,為碾壓混凝土快速施工創造了極為有利的條件。
3 碾壓混凝土拱壩布置
  拱壩建基面確定在基巖弱風化下段下限,即壩基開挖至微風化頂板,壩基主要為類巖體,局部位於兩岸的中、上部高程2類巖体上。當建基面上出現Sc密集帶時,要進行混凝土置換處理,同時加強壩基固结灌漿,增強壩基整體性和均勻性。

沙牌碾压混凝土拱坝设计

  碾壓混凝土拱壩設計應滿足安全和經濟的目的,同時应充分發揮碾壓混凝土快速施工的优勢,並容易保證施工質量。經比較論證,三心圓單曲拱壩體型形状簡單,有利於簡化壩體構造,更便于碾壓混凝土施工及保证施工質量。從國內外施工技術水平和實踐經驗出发,為積極穩妥地推動高碾壓混凝土拱壩建設的順利发展,沙牌拱壩體型設計采用三心圓单曲拱壩。為改善拱壩壩體應力,合理利用地形條件,減轻河床深槽下部開挖和施工难度,在河床底部設置墊座。拱坝體型參數特征值見表1

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 4 拱壩混凝土設計強度及築壩材料
  沙牌拱壩混凝土設計強度采用90天齡期的20 MPa碾壓混凝土。在基本荷載組合作用下,混凝土抗壓安全系數取40。應力控制标準和混凝土抗壓強度安全系數見表2
  根據拱梁分載法壩體應力分析表明,在基本組合及特殊組合工況下,壩體應力、位移分布規律合理,應力狀態良好,滿足控制標準。

沙牌碾压混凝土拱坝设计
沙牌碾压混凝土拱坝设计

  碾壓混凝土在施工期的水化熱溫升對高碾壓混凝土拱壩應力將產生不利影響,主要可通過合理的分縫及在高溫季節埋設冷却水管予以解決。
  在築壩材料上,水泥采用阿壩州白花水泥廠生產的白花425号中熱水泥;粉煤灰采用華能成都電廠電吸層粉煤灰和關口電廠風選粉煤灰,粉煤灰品質達到國家級灰標準;骨料采用長河壩溝口的花崗巖人工骨料。通過多方案的試验研究比較,按高  鐵、低鋁的原则調整水泥配方,研制开發出低脆性延 遲微膨脹專用水泥;采用具有矽質界面膠結作用的花崗巖作為人工骨料,優化配制了具有低彈性模量、高極限拉伸值及大徐变度等高抗裂性能的碾壓混凝土。混凝土設計配合比見表3,混凝土材料性能見表4

沙牌碾压混凝土拱坝设计
沙牌碾压混凝土拱坝设计


5 壩體結構設計
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1 混凝土分區
  沙牌碾壓混凝土拱壩基本上是按全碾壓混凝土模式設計。混凝土分區主要圍繞碾壓混凝土施工、防滲、壩內孔洞結構的特點設计。
  (1)壩體碾壓混凝土設計強度均采用90天龄期的20 MPa,壩體主要采用三級配碾壓混凝土。因壩體防滲的需要,在壩體上遊部位采用二級配碾压混凝土,以減少施工中的骨料分離現象,達到防滲的目的。
  (2)墊座采用摻MgO微膨胀碾壓混凝土,其微膨脹量控制在70×106,可以達到取消墊座分缝、加快施工進度的目的。
  (3)壩內廊道及豎井均采用預制混凝土成型,可避免立模對施工的幹擾。
  (4)在上、下遊壩面、壩與基巖接觸部位、壩內孔洞配筋部位,均采用改性混凝土。
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2 壩體分縫
  為减小溫度對壩體的不利影響,防止溫度裂縫的發生,保證拱壩的安全,並保證碾壓混凝土快速施工,結合施工進度計劃安排,拱壩結構分縫方案设計采用兩條誘導縫和兩條橫縫的組合方案:2號和3號縫為誘導縫,1號和4號縫為橫縫。
  碾壓混凝土拱壩分縫結構,既要保證縫的作用,又要保證全斷面通倉碾壓、連續上升的實現,最大限度地減少對施工的幹擾。沙牌拱壩設计采用了預制混凝土重力式模板成縫新技術,該技術的特點是: 1)事先在倉面以外將混凝土成縫模板預制成型,施工時先將重力式成縫模板安裝定位,然後再進行碾壓混凝土施工作業。(2)模板斷面設計為重力式,縫面為直面,設置灌漿及排氣管路孔、鍵槽等;縫的背面為斜面加趾板,並設置嵌合型齒結構,斜面上鑿毛,保證與碾壓混凝土嵌合緊密。(3)模板的大小與施工現场人工搬運相適應,一般模板長10m,高度025030m(必須為一个碾壓層),底寬(加趾板)030035m,以適應施工現場快速組裝。(4)在趾板上設置固定插件孔,確保现場安裝及碾壓施工時定位准確。
  在诱導縫或橫縫的上遊面設置邊緣切口縫。設置邊緣切口縫以後,縫斷面的張開條件有很大變化,可以防止裂縫绕過止水片和止漿片。
  對誘導縫和橫縫的接缝灌漿,從考慮拱壩的整體性和蓄水的需要出發,采用重復灌浆方式。灌漿系統為单回路布置,只預埋一套灌漿管路系統,在灌漿管路中布置重復出漿盒,能多次重復用於接縫灌漿,可解決壩體溫度在未冷卻到穩定溫度時就蓄水的要求。每個灌浆區至少應設2根單回路灌漿管,一是可使灌浆管長度不至於過長,在灌漿時管内壓力分布相對均勻,管路上的每個出漿盒均有條件開启;二是當一條灌漿管路出現堵塞时,可以使用另一條。使用單回路灌浆管路和橡膠套閥出浆盒,具有費用低、容易安裝、節省時間等優点,適合於碾壓混凝土拱壩的施工。
灌漿材料采用普通矽酸鹽水泥及超細水泥。
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3 壩體防滲
  碾壓混凝土的抗滲性主要與膠凝材料用量有關。大量的研究及工程經驗表明,中高膠凝材料的碾壓混凝土自身具有較強的抗滲透能力。層面是碾壓混凝土坝防止滲透的薄弱環節,防滲的关鍵在於層間結合的質量。沙牌拱壩采取了以下防滲措施:
  (1)碾壓混凝土的膠凝材料用量不低於150kgm3
  (2)拱壩迎水面壩體部位防滲設計采用二級配碾压混凝土自身防滲,防滲層厚度和抗滲指標為:高程1820m以上防滲層厚度3m,抗滲標号W6;高程1820m以下的防滲層厚度68m,抗滲標號W8。壩體三级配碾壓混凝土的抗滲標號一般为W4W6。二級配與三級配碾壓混凝土同倉碾壓,同時上升,可使两者結合良好,成為一體。
  (3)在上遊壩面高程1850m以下,采用LJP型合成高分子防水塗料作為壩體輔助防滲措施,塗層厚 1mm,在壩面平顺連續部位采用素塗方式,在壩面與墊座轉折部位、壩面與基礎連接部位采用加無紡布的26塗方式,並覆蓋基岩寬度05mLJP型合成高分子防滲塗料的涂膜不僅具有優異的耐水浸泡性和耐氣候老化性能,而且黏接強度高,抗紫外線幅射好,材料性能能满足大壩防滲要求。
  (4)為保证碾壓混凝土施工的層間結合質量,要求連續碾壓,保證在初凝前覆蓋完下層混凝土。同時還采取了以下保證層間結合質量的措施:二級配碾壓混凝土自身防滲部位,在初凝前層面要求鋪灑水泥粉煤灰浆;對在初凝後至終凝前,二級配及三級配部位的層面均需鋪灑水泥粉煤灰漿;完全終凝以後,层面按施工縫處理,要求鑿毛清理,在鋪上層混凝土前先鋪1020mm的水泥砂漿;加強施工現場管理,對入倉後存在骨料集中的部位,要求進行翻清,分散均匀。
5
4 壩體排水
  壩體排水系統由豎向排水孔、排水溝、集水井及泵房組成。
  壩體豎向排水孔設置在二級配碾壓混凝土防渗層後、高程18501750 m之間,排水孔間距為3m,孔徑為100mm。設計采用多孔無砂混凝土管,施工後鉆孔形成排水管。
  排水溝主要布置在各層水平廊道,在高程18101750m之間靠近基礎部位左右兩岸各設置了一道排水暗溝。
  壩内集水的排出在高程1810m以上采用自流排水,通過壩體排水孔和廊道內的排水溝將滲水引至下遊坝面貼角處的排水溝排出;在高程1810m以下,通过排水孔和排水溝將滲水匯集於集水井,然後通过深井泵將水排至壩外。為減少施工幹擾,集水井布置在壩外墊座下遊端。
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5 壩內廊道及交通
  根據灌漿、觀測、排水及交通的需要,按簡化壩體、集中布置的原則,分別在高程1750m1810m1850m布置三層多用途水平廊道,在壩內设置電梯井與各層廊道連通。
  水平廊道設置在二級配碾压混凝土防滲層後,斷面設計为25m×30m的城門洞形。高程1850m1810m層水平廊道在两岸設有橫向廊道或壩後棧桥通至下遊壩外。帷幕灌漿通過布置在高程1750m1810m18675m的三層灌漿平洞內進行,其中1750m1810m高程灌漿平洞與水平廊道相通。
  電梯井為20m×20m的方形豎井。

免費论文下載中心 http://www.hi138.com 6 拱壩溫度控制措施
  
沙牌碾壓混凝土拱坝采用全斷面薄層通倉碾 壓、連續上升的施工方法,由於拱壩较高、規模較大,溫度應力問題突出。解決溫度應力問題除提高混凝土抗裂性能並進行合理的結構分縫外,还采取了下列溫度控制措施:
  (1)盡量利用低温季節多澆混凝土,高溫季節少澆或不澆,高溫季節澆筑混凝土必須有可靠的溫度控制措施。
 (2)拱壩最高溫度控制:高程1810m以下,最高温度Tm≤25℃;高程1810m以上,最高溫度Tm≤28℃
  (3)澆築溫度以自然入倉溫度为主,在高溫季節對骨料采取噴雾、冷風、涼棚等簡易措施,降低澆築溫度;在寒冷季节采取熱水拌和等措施,保证澆築溫度不低於5℃
  (4)在高溫季節施工,采用倉面噴霧、鋪設冷卻水管等措施以保證混凝土溫度控制滿足要求。當不能满足要求時,應停止施工。
  (5)在寒冷季節施工,當氣溫低於2℃時,已碾壓完成的表面須立即用保溫材料覆蓋,以保證混凝土表面溫度不低於5℃。當不能滿足要求時,應停止施工。
  對於碾壓混凝土壩埋設冷卻水管的問題,在沙牌拱壩首次提出在碾壓混凝土中預埋高密度聚乙烯冷却水管降溫技術,並在大朝山水電站上遊碾壓混凝土拱围堰上成功地進行了試驗,後又在沙牌拱壩上進行了試驗和应用,現已推廣應用於塔西河、龍首等碾壓混凝土拱壩,成功地實現了碾壓混凝土高拱壩築壩技術的突破。
7 拱壩基礎處理
  在基礎處理上,針對壩址的地質缺陷及薄弱環節,考慮盡可能減少對碾壓混凝土的施工幹擾,提出了適合大壩碾壓混凝土快速施工的基礎處理措施。
7
1 防滲帷幕
  防滲帷幕主要在兩岸的灌漿平洞進行施工,少部分在坝體水平廊道內進行。
  帷幕采用懸掛式。主帷幕基巖內最大深度為8250m,設計灌漿壓力在1050 MPa之間。帷幕控制標準:高程181000m以上,壩高为5750m,要求ω≤3Lu,帷幕采用單排孔,孔距為20m;高程181000m以下,要求ω≤1Lu,帷幕采用雙排孔,孔距為20m,排距為10m,交錯布置。
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2 排水設計
  基礎排水按工程部位分为大壩基礎排水系統和抗力體排水系统兩部分。
  大壩基礎排水系統由两道排水幕、壩內集水井 和深井泵房組成。第一道排水幕在灌漿平洞及排水平洞內進行,第二道排水位於壩趾處高程177000185000m範围內。
  抗力體排水系統利用勘探平洞擴挖而成,采用自流式排水。
  壩基下排水孔深度取05倍主帷幕深度,孔距為30m;壩趾排水孔孔深均为300m,孔距為50m;抗力体排水孔孔深為300m,孔距為50m。排水孔
孔徑均為110mm
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3 固結灌漿
  固結灌漿主要对壩基爆破松動和卸荷松弛的淺表部巖體進行常規处理,在全壩基範圍進行。固結灌漿采用無蓋重灌漿加浅層引管灌漿的方式,采用这種方式對碾壓混凝土的上升干擾相對較小。灌漿參数見表5

沙牌碾压混凝土拱坝设计


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4 接觸灌漿
  為提高壩基接触面強度,防止沿基礎接觸面滲漏,並增強表層固結灌漿效果,須進行接觸灌漿。接觸灌漿主要部位是坡度大於50°60°的建基面、在基巖中開挖置換混凝土的斜坡坡面。
  沙牌工程采用結合固結灌漿和帷幕灌漿方式進行接觸灌漿。
  結合固結灌漿具體方法是:在進行接觸灌漿部位,先對20m基巖以下進行固結灌漿,20m以上的固結灌漿在澆築壩體混凝土前,采用預埋1英寸钢管引管至下遊貼角,待壩體混凝土澆築一定高度,且当混凝土冷卻到穩定溫度後,按固結灌漿壓力或稍大於固結灌漿压力進行淺層固結灌漿和接觸灌浆。  結合帷幕灌漿具體方法是:在位於帷幕灌漿軸線上進行接觸灌漿的部位,待壩體澆築一定高度且混凝土冷卻到穩定溫度後,實施帷幕灌漿,其淺表段可作為接触灌漿,灌漿壓力按帷幕灌漿壓力即可。
  需要指出的是,碾壓混凝土要達到穩定溫度需要采取措施,否則將影响大壩蓄水。本工程是采用預埋高密度聚乙烯冷卻水管降溫技術來解決的。
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5 软弱巖體處理
  左岸建基面的主要軟弱巖體為片巖類花崗岩角巖,寬37m,出露在182400186750 m高程間的上遊壩踵附近。右岸建基面的主要軟弱巖體為千枚巖夾片巖,寬335m,出露在177400186750m高程間的上遊壩踵附近。
  對在建基面出露的片巖密集帶采用混凝土置換處理。根據三維有限元法和變位一致法計算,左岸垂直置換開挖深度為40m,右岸垂直開挖深度為30m,並鋪設一層φ2525mm×25 mm的鋼筋網。置换混凝土與壩體碾壓混凝土同時上升,按改性混凝土施工。
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6 邊坡支護和預應力錨索設計
  左岸上遊邊坡高度37112m,下遊邊坡坡高1436m左右;右岸上遊邊坡高度為25107m,下遊邊坡坡高為2051m左右。上遊开挖邊坡主要是片巖類花崗巖角巖,其中2類以上巖級占70%左右,2類巖級占30%左右;下遊開挖邊坡主要是花崗(閃長)岩夾角巖,其中1類以上巖級占55%左右,1類巖级占45%左右。
  為保證施工期和運行期的邊坡穩定,采取的主要支護措施是系統錨杆支護,輔以排水,對強卸荷、弱風化上段巖體邊坡還采用噴混凝土支護。系統錨杆長35m,間、排距225m,直徑25mm
  左岸壩肩中上部存在陡巖區,右岸壩肩中上部山體單薄,導致兩岸中上部壩肩穩定安全系數略低,故采用了預應力錨索加固。兩岸共布置200t錨索99根,左岸布置在高程181500185000m間,單根长度為500m440m兩種,共計64根;右岸布置在高程182000184000m間,單根長度為250m190m兩种,共計35根。
8 結  語
  
綜上所述,沙牌碾壓混凝土拱壩有如下特點:
  (1)在樞紐布置上,結合自然條件,拱坝壩身不布置泄洪建築物,较大地簡化了碾壓混凝土拱壩樞紐布置,為碾壓混凝土快速施工創造了極為有利的條件。
  (2)拱壩體型設计為三心圓單曲拱壩,采用全碾壓混凝土設計模式,除在坝內孔洞結構周圍、基礎找平层、泵房等特殊部位采用常態混凝土或改性混凝土外,拱壩其余部分均采用碾壓混凝土。
  
3)拱壩结構分縫采用誘導縫和橫縫的組合方案,采用預制混凝土重力式模板成縫新技術,在國內首次研究成功結構縫的重復灌漿全套技术,實現了碾壓混凝土拱壩结構縫的多次灌漿。
  (4)按簡化壩體、集中布置的原则,壩內孔洞相對較少,壩体結構極大簡化。
  (5)碾壓混凝土拱壩防滲设計以二級配碾壓混凝土自身防滲為主,並在上遊壩面覆以LJP型高分子防滲塗料輔助防滲。
  (6)在筑壩材料上,因地制宜,研制開發出低脆性延遲微膨脹專用水泥;采用具有矽質界面膠结作用的花崗巖作為人工骨料,優化配制了具有低彈性模量、高極限拉伸值及大徐變度等高抗裂性能的碾 壓混凝土。
  (7)首次提出在碾壓混凝土中預埋高密度聚乙烯冷卻水管降溫技術,並得到成功應用,較好地解決了施工期水化熱溫升對拱壩的影響、碾压混凝土拱壩的接縫灌漿和接觸灌漿問題。
  (8)基礎處理的防滲帷幕主要在兩岸的灌漿平洞內施工,少部分在壩體水平廊道進行,減少了對碾壓混凝土施工的幹擾。固結灌漿采用無蓋重灌漿加淺層引管灌漿的方式,有利于大壩碾壓混凝土的快速施工。對建基面出露的片巖密集帶采用改性混凝土置換处理。壩肩的穩定加固采用預應力錨索,基本上不干擾拱壩碾壓混凝土的施工。

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