山口岩碾压混凝土拱坝设计

【摘 要】本文详细介绍了山口岩水利枢纽工程的枢纽布置、碾压混凝土拱坝的布置、分缝及复杂地质条件下的基础处理方案。

【关键词】山口岩；碾压混凝土拱坝；设计；基础处理

1 工程概况

江西省萍乡市山口岩水利枢纽工程地处江西省萍乡市上游芦溪县上埠镇境内，位于赣江支流袁水上游，坝址距萍乡市约30km。水库总库容为1.0481×108m3，水库建成后向萍乡市日供水20×104t，并向下游10.12×104亩农田提供灌溉用水，电站装机12MW，是一座以供水、防洪为主，兼顾发电、灌溉等综合利用的大（2）型水利枢纽工程枢纽，枢纽主要建筑物有大坝、溢流堰、放空孔、引水隧洞及发电厂房等。

2 枢纽布置

坝址处河谷狭窄，呈“V”型，两岸地形基本对称，其宽高比约为2.6，坝基岩体为石炭系下统大塘组测水段沉积碎屑岩系，岩性由砾岩、石英砂岩、细砂岩、炭质（或含炭）粉砂岩和长石石英砂岩等组成。

根据坝址地形地质条件，大坝设计采用碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高99.1m，坝顶长度为268.23m；溢流堰布置于坝顶拱冠梁处，共三孔，每孔净宽8.0m，溢流堰采用WES实用堰型，弧形闸门控制，挑流消能；在坝体设置放空孔，放空孔断面尺寸为1.6×2.0m（宽×高），出口为挑流消能；引水隧洞布置在大坝左岸，引水隧洞内径3.0m，全长362.68m；发电厂房位于大坝下游河道约220m处，采用地面式厂房，总装机容量12MW。导流洞布置于大坝右岸，采用断流围堰挡水，隧洞导流的施工方案。枢纽布置见图1。

3 碾压混凝土拱坝布置

3.1 拱坝体型

拱坝体型设计包括拱冠梁曲线、拱冠及拱端的厚度、曲率半径等，拱坝体型是影响大坝应力、坝体体积、拱座稳定、施工难度等主要因素，对于碾压混凝土拱坝体型的选择一般以适应坝址地形、地质条件为基础，在碾压混凝土拱坝体型的设计中考虑碾压混凝土施工特性。本工程根据坝址地形地质条件，对大坝体型进行了优化设计，从安全、经济、施工难度等方面综合考虑，推荐拱坝的体型采用抛物线型碾压混凝土双曲拱坝，拱坝体型参数见表1。

表1 山口岩抛物线拱坝体型参数表

3.2 坝体结构布置

大坝采用碾压砼双曲拱坝，坝顶高程为247.6m，坝基最低开挖底高程为148.50m，最大坝高99.1m，坝底最大宽度30m，坝顶宽度5.0m，坝顶长度为268.23m。大坝上游面设置R90200二级配碾压砼防渗层，防渗层顶宽2.0m，底宽为8.2m，大坝砼采用R90200三级配碾压砼。为满足大坝基础灌浆、排水、安全监测、检查维修、运行操作等要求，大坝内设置三层廊道，分别为：163.0m高程基础灌浆排水廊道、195.0m及220.0m高程观测排水廊道，廊道采用拱顶平底式，宽度为2.5m，高度为3.5m，为方便大坝碾压砼快速施工，廊道采用砼预制构件拼装型式。坝体排水孔沿廊道上游侧布置，孔距为3m，排水孔内径为100mm，为不影响大坝碾压砼施工，排水孔采用钻孔形成。

4 碾压混凝土拱坝分缝

4.1 拱坝分缝布置

图2 山口岩碾压混凝土拱坝分缝布置图

碾压混凝土拱坝合理地设置横缝和诱导缝是有效控制大坝裂缝的重要措施，同时做好坝体结构分缝设计，也是高碾压混凝土拱坝设计中的关键技术问题之一。碾压混凝土拱坝分缝间距需满足温控防裂要求，根据国内外工程实践的经验，多采用20～70m，碾压混凝土拱坝分缝布置一般根据施工进度、碾压混凝土材料热力学性能、气侯条件及混凝土温度控制等要求，经三维有限元仿真计算确定。山口岩碾压混凝土拱坝根据三维有限元仿真计算结果确定分缝设置为：坝体设置4条诱导缝，4条诱导缝桩号分别为0+030.24m，0+085.96m、0+204.04m，0+245.87m。山口岩碾压混凝土拱坝分缝布置见图2。

4.2 拱坝分缝结构

碾压混凝土拱坝分缝应考虑碾压混凝土大仓面快速施工要求，分缝数不宜过多，缝的构造应简单。分缝型式应具有重复再灌浆的功能，满足混凝土温度未冷却到稳定温度场时拱坝就能蓄水发电，以保证大坝的安全运行。

本工程诱导缝结构参考沙牌拱坝预制混凝土重力式模板成缝技术[1]，采用预制混凝土重力式模板组装形成，模板长1.0 m，高0.30 m。每两块模板对接，在缝面上呈双向间断，缝长与间距不等布置，即沿水平径向缝长1.0 m、间距0.5 m，沿高程方向缝长0.3m、间距0.6 m（即两个碾压层）设一间断的诱导缝，诱导缝模板布置见图3。在每个灌浆区内均设置有全部灌浆设备，并形成一个自封闭区。在灌浆区内布置了重复灌浆系统，诱导缝采用3根独立的单回路灌浆管，在相同的灌浆区内彼此之间可以互为备用，灌浆管路上布置可重复灌浆用的特制橡胶套阀，重复灌浆系统布置见图4。

图3 山口岩大坝诱导缝模板布置图

图4 山口岩大坝诱导缝重复灌浆系统布置

5 碾压混凝土拱坝基础处理

本工程依据坝址地形地质条件和基岩的物理力学性质，综合考虑坝体和基岩之间的相互关系，进行坝基处理，使满足拱坝基础整体性和稳定性、强度和刚度、抗渗性和耐久性等方面要求。

5.1 坝基复杂地质条件的处理

坝基岩体为石炭系下统大塘组测水段沉积碎屑岩系，岩性由砾岩、石英砂岩、细砂岩、炭质（或含炭）粉砂岩、和长石石英砂岩、局部夹煤线等组成。岩层横向河谷，倾向下游，岩体层理构造复杂多变，一般为中厚层状，或中厚层夹薄层状，由于岩性不同，其力学强度及抗风化能力均存在着差异。

5.1.1 坝基开挖

河床及左岸下部坝基岩体为炭质（或含炭）粉砂岩，岩性较差，该部位坝基开挖至微风化岩体；其余各部位坝基岩体主要为砾岩、石英砂岩、细砂岩和长石石英砂岩，岩性较好，对该部位坝基开挖至弱风化下部岩体；同时对坝基浅层部位的软弱结构清除，提高坝基稳定性。

5.1.2 优化大坝体型布置

根据坝基岩体分布、产状、岩性及结构面分布情况，对大坝布置及体型进行优化，采取措施如采用拱端加厚方式降低坝基应力以适应地基承载力要求，调整拱端推力方向提高拱座稳定安全系数，通过优化大坝体型布置，使拱坝应力适应坝基地基特性并提高大坝安全度。

5.1.3 基础垫层混凝土铺设钢筋网

坝基受F13、F14、F18等断层及软弱夹层（包括煤线）影响，坝基基岩较破碎，完整性差且软弱不均；为了提高坝基基岩的完整性，协调坝基变形，增强基岩的承载能力，经地质、水工方面的专家论证会论证，对河床坝基、左岸EL190m高程以下坝基及右岸EL175m高程以下坝基采用在其基础垫层砼内铺设二层φ28@200mm的钢筋网并加密固结灌浆的处理措施。

5.2 固结灌浆

为加强基岩的整体性和均一性，提高基岩的弹性模量，减少坝基的渗透性，对坝基进行全面固结灌浆处理，对坝基断层破碎带和节理裂隙密集带加强固结灌浆。固结灌浆孔深上游前3排为8m，其余一般为5m，钻孔呈梅花形布置，孔、排距一般为3.0m。坝基受F13、F14、F18等断层及软弱夹层（包括煤线）影响，坝基基岩较破碎，完整性差，175m高程以下坝基固结灌浆孔进行了适当加密，孔、排距为2.0m。

5.3 帷幕灌浆

考虑工程地理位置重要，综合坝基地质条件，本工程相对隔水层界线按透水率按q

5.4 坝基排水

为排除透过帷幕的渗水及基岩裂隙水，降低坝基及坝肩岩体的渗透压力，提高大坝坝肩稳定性，大坝分别设置坝基排水及两岸山体排水系统。

在163m高程帷幕灌浆廊道内，位于帷幕的下游布置一排坝基排水孔，排水孔倾向下游，倾角为15°，排水孔孔径为100mm，孔距3m，孔深为相应处帷幕深0.5倍。

为截断绕坝渗流，降低基岩地下水位及渗透压力，保证拱座稳定，在大坝两岸高程163m、195m、220m灌浆排水平硐内布设排水孔，排水孔布置在帷幕的下游侧，排水孔倾向下游，角度根据灌浆排水平硐位置确定，排水孔孔径为100mm，孔距3m；两岸163m、195m、220m高程灌浆排水平硐内排水孔竖向连通，保持排水孔的连续性，与坝基排水孔组成一道连续的排水幕。

6 结语

（1）为适应碾压混凝土机械化快速施工，碾压混凝土拱坝的布置、体形、结构及坝体混凝土分区设计必须尽可能简化，最大限度地减少碾压混凝土的施工干扰加快施工进度，并扩大碾压混凝土的使用范围。

（2）大坝廊道、分缝等结构尽量简化，碾压混凝土拱坝多采用预制廊道以减少廊道施工影响坝体碾压混凝土的施工，碾压混凝土拱坝的分缝采用诱导缝型式，诱导缝采用预制混凝土重力式模板成缝技术，并埋置重复灌浆系统，经实践证明，该技术是合理可行的，适合于碾压混凝土拱坝快速施工的特点。

（3）对于复杂地质条件的处理应通过综合措施进行处理，使其适应坝基地质条件，提高工程安全性。

（4）山口岩水利枢纽工程2012年下闸蓄水运行至今，从大坝安全监测资料分析，大坝运行正常，同时验证了大坝设计的合理性。

【参考文献】

[1]陈秋华.沙牌碾压混凝土拱坝设计[J].水电站设计，2003，19（4）：55-60.