王櫻畯，趙 琳，雷顯陽

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心,浙江 杭州 311122)

瀝青混凝土面板防滲性能良好，滲透系數(shù)小于10-8cm/s，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)基礎(chǔ)變形和溫度變形能力[1]。近年來瀝青混凝土面板堆石壩在抽水蓄能電站中得到廣泛應(yīng)用。目前我國已建、在建抽水蓄能電站已超過60座。從早期的天荒坪、張河灣、西龍池抽水蓄能電站工程，到后來的寶泉、呼和浩特等工程，上(下)水庫大壩均采用瀝青混凝土面板堆石壩壩型，其中西龍池下水庫大壩壩高 97.4 m，壩基建于深厚覆蓋層上，為該類工程已建最高大壩。隨著這些工程的建成，我國已全面掌握了現(xiàn)代瀝青混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，建設(shè)地域也從氣候溫和地區(qū)(天荒坪)、寒冷地區(qū)(張河灣、 寶泉)發(fā)展到嚴(yán)寒地區(qū)(西龍池、呼和浩特)[2-4]。但是，以往的成功經(jīng)驗(yàn)僅適用于壩高100 m以下的水庫大壩，隨著壩高增大，堆石體的應(yīng)力水平增高、變形增大。高面板堆石壩的設(shè)計(jì)應(yīng)以變形控制、變形協(xié)調(diào)為核心，考慮土石方挖填平衡因素，應(yīng)從堆石材料選擇、壩體分區(qū)、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及級(jí)配等多角度出發(fā)，研究確保大壩安全的技術(shù)方案[5-6]。目前我國100 m壩高以上的瀝青混凝土面板堆石壩，工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不多，需結(jié)合具體工程開展深入研究和論證。

本文闡述了某抽水蓄能電站高達(dá)182.3 m的上水庫主壩瀝青混凝土面板堆石壩壩體分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在工程實(shí)施階段，通過進(jìn)一步優(yōu)化上、下游堆石區(qū)分界坡比，壩頂以下設(shè)置增模區(qū)，兩岸岸坡鋪設(shè)過渡料，優(yōu)化防滲體連接板及其基礎(chǔ)墊層，調(diào)整壩基排水帶，下游護(hù)坡增設(shè)封閉層等一系列技術(shù)措施，成功解決了該工程面臨的上水庫土石料料源緊張，壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，岸坡起伏差大，大壩變形及防滲結(jié)構(gòu)可靠性要求高等問題。

1 上水庫工程布置

1.1 工程地質(zhì)概況

上水庫位于侖山主峰西南側(cè)大哨溝的溝源坳地，東、北、西三面由高程288.30～400.40 m山脊及埡口組成，東南側(cè)為沖溝，溝底高程約為90～150 m。邊坡整體上陡下緩，北庫岸山脊坡度5°～15°，西庫岸和東庫岸山脊坡度20°～30°。高程200～260 m以上庫岸弱～微風(fēng)化白云巖大片出露，覆蓋層主要分布在庫盆中下部，溝底厚5～18 m；閃長玢巖巖脈呈NNW向密集侵入，巖體風(fēng)化深。

主壩位于大哨溝溝口，為“V”形谷，兩岸地形不對(duì)稱，巖性為硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)條帶白云巖，右岸閃長玢巖脈大量侵入。壩址區(qū)斷層發(fā)育，分布有F7、F8、F9等大小斷層11條，多為NNW向，中陡傾角。溶洞、溶溝發(fā)育，兩岸地下水位及相對(duì)隔水層頂板埋藏深，存在壩基及繞壩滲漏問題。

1.2 總體布置

上水庫流域面積約為0.63 km2，由主壩、副壩和庫周山嶺圍成。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫容1 748萬m3，有效庫容1 577萬m3。主、副壩壩型均為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.40 m，主壩最大壩高182.30 m，壩頂長度811.45 m，壩頂寬度10.00 m。庫盆由一庫底大平臺(tái)及庫周1∶1.7坡比的開挖坡圍成，庫底平臺(tái)高程236.50～237.00 m。上水庫采用“庫岸瀝青混凝土面板+庫底土工膜”防滲方案。沿庫周設(shè)庫岸公路，路面寬8.50 m，總長約為3.0 km。

上水庫平面布置、石料場A區(qū)、B區(qū)及C區(qū)分布見圖1。大壩及庫底填筑需要的石料，從庫盆石料場開采，其中B區(qū)石料場全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖巖脈發(fā)育，所開采混合料用于下游堆石區(qū)及庫底填筑。主、副壩和庫盆填筑量近3 000萬m3。2018年10月，主體工程正式開工，2021年4月，上水庫主壩已填筑至193.00 m高程。

圖1 上水庫平面布置及料場分區(qū)(單位：m)

2 可行性研究階段上水庫主壩壩體分區(qū)

2.1 壩體結(jié)構(gòu)

上水庫主壩壩體上游面坡比1∶1.7，采用瀝青混凝土面板進(jìn)行防滲，下游面240 m高程以上坡比1∶1.9，以下1∶1.8，每隔35 m設(shè)寬3.0 m的馬道。下游壩坡采用“混凝土框格梁+干砌石”護(hù)坡。壩后設(shè)2個(gè)棄渣場，頂高程分別為175.00 m和180.00 m。上水庫主壩壩體典型斷面見圖2。

圖2 上水庫主壩典型斷面(單位：m)

2.2 壩體分區(qū)

壩體分區(qū)原則如下：從上游向下游各料區(qū)滲透性依次遞增(下游堆石區(qū)除外)；在水壓力作用下壩體變形小；各區(qū)變形模量相近、變形協(xié)調(diào)；最大程度利用工程開挖料，料區(qū)劃分盡可能簡單[7-10]。根據(jù)上述原則，主壩壩體分成墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)等。大壩瀝青混凝土面板與庫底土工膜之間采用連接板銜接，頂高程237.00 m，其下設(shè)墊層區(qū)及過渡區(qū)。連接板以下壩體設(shè)置水平寬度2.0 m的反濾區(qū)和3.0 m的過渡區(qū)，以及上、下游堆石區(qū)。連接板以上大壩墊層區(qū)及過渡區(qū)坡比1∶1.7，水平寬度3.0 m、5.0 m。上、下游堆石區(qū)分界坡比1∶0.5(傾向下游)，兩者之間設(shè)水平寬5.0 m的過渡區(qū)。在下游堆石區(qū)下部設(shè)置透水堆石排水層，岸坡部位厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m。在大壩下游坡腳，設(shè)置量水堰擋墻收集壩體滲水并進(jìn)行量測。

3 施工圖階段上水庫主壩壩體分區(qū)優(yōu)化

施工圖階段上水庫主壩壩體分區(qū)優(yōu)化主要包括上、下游堆石區(qū)分界坡比優(yōu)化，壩頂以下設(shè)置增模區(qū)，布置連接板及調(diào)整基礎(chǔ)墊層，調(diào)整壩基排水帶，優(yōu)化壩體和兩岸坡壩基過渡區(qū)以及下游護(hù)坡等。主壩壩體斷面優(yōu)化典型斷面見圖3。

圖3 上水庫主壩壩體斷面優(yōu)化典型斷面(單位：m)

3.1 上、下游堆石區(qū)分界坡比

高面板堆石壩上、下游堆石區(qū)分界坡比采用傾向下游1∶0.5的設(shè)計(jì)，這是國內(nèi)壩工界公認(rèn)的坡比。薩爾瓦欣納面板堆石壩最大壩高約為148 m，采用此坡比，下游堆石壓縮模量僅為上游的1/5，沒有出現(xiàn)上游面的受拉現(xiàn)象[11-12]。

可行性研究階段試驗(yàn)表明，該工程下游堆石料采用的白云巖與全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖混合料質(zhì)量較差，其壓縮模量僅為上游堆石的1/3～1/4。因此，上、下游堆石區(qū)分界傾向下游1∶0.5或接近1∶0.5是合適的。施工圖階段，經(jīng)土石方挖填平衡分析，堆石區(qū)分界傾向下游1∶0.4方案比1∶0.5方案節(jié)省上游堆石料約70萬m3?？紤]到上游堆石料料源偏緊，最終采用傾向下游1∶0.4方案。雖然上游面坡比為1∶1.7，但連接板以下的上游堆石坡比只有1∶1.0，大壩上游綜合坡比約為1∶1.3，因此上、下游堆石分界線坡比仍應(yīng)按照高面板堆石壩的分區(qū)原則確定。

3.2 壩頂以下增模區(qū)

面板堆石壩震害觀察和振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)表明，壩頂附近動(dòng)力放大效應(yīng)，導(dǎo)致壩頂以下一定范圍的震損較嚴(yán)重。該工程上水庫主壩屬高堆石壩，抗震設(shè)防烈度為8度，在壩頂以下1/5～1/6壩高范圍內(nèi)提高堆石密度，可減小地震作用下堆石料剪縮，從而減小震后壩體變形及面板震損程度[13]。

計(jì)算結(jié)果表明，該工程蓄水20 a產(chǎn)生的最大流變沉降45.1 cm，占?jí)胃叩?.24%，最大流變水平位移18.4 cm。流變沉降主要發(fā)生在壩體下游堆石區(qū)和庫底回填區(qū)，流變水平變形發(fā)生在壩頂附近。壩體內(nèi)部主應(yīng)力有所增加。從整體來看，流變作用對(duì)于壩體應(yīng)力影響不大，但對(duì)位移有一定影響。多個(gè)工程研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高堆石壩，考慮堆石流變后的壩體變形較為明顯[14-15]。同時(shí)，抽水蓄能電站水庫水位頻繁變化，對(duì)運(yùn)行期變形影響不可忽視。監(jiān)測資料表明，某蓄能電站大壩初始運(yùn)行期的變形速率甚至大于初期蓄水期[16]。為減小堆石流變及蓄能電站消落帶水荷載影響，在壩頂以下一定范圍提高堆石密實(shí)度是必要的。

結(jié)合該工程白云巖料源較緊張的情況，壩體分區(qū)進(jìn)行如下優(yōu)化：壩頂以下20 m(約1/6壩高)范圍內(nèi)設(shè)置增模區(qū)，采用弱、微風(fēng)化白云巖級(jí)配堆石料；孔隙率小于16%；最大粒徑500 mm；小于5 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于20%；碾壓層厚60 cm，灑水10%，大型振動(dòng)碾碾壓10～12遍。

3.3 連接板及基礎(chǔ)墊層

a.連接板。計(jì)算分析表明，正常蓄水位時(shí)連接板與大壩面板底部位移分布規(guī)律相同，最大位移矢量和為0.23 m。由于瀝青混凝土柔性好，連接板與面板變形較協(xié)調(diào)，但連接板與土工膜錨固處存在不均勻變形問題，需通過基礎(chǔ)墊層局部適應(yīng)性措施予以解決。

從受力方面分析，連接板存在兩側(cè)向中央擠壓的變形趨勢，在大壩中部附近存在較大的壓應(yīng)力，大主應(yīng)力最大為5.0 MPa左右，小于混凝土允許抗壓強(qiáng)度。在平面反弧段，在水壓力作用下，連接板向兩側(cè)張拉，此處的小主拉應(yīng)力為4.2 MPa左右，已超過一般混凝土的抗拉強(qiáng)度。施工圖階段，對(duì)連接板平面布置進(jìn)行了調(diào)整：往庫內(nèi)方向平移約10 m，同時(shí)減小了平面反弧段連接板曲率。調(diào)整后連接板轉(zhuǎn)彎處的小主拉應(yīng)力僅為1.5 MPa左右。通過平面布置優(yōu)化、加強(qiáng)配筋等措施，解決了連接板局部拉應(yīng)力過大的問題。

b.基礎(chǔ)墊層。由于連接板下部為墊層、過渡層及上游堆石區(qū)，而土工膜下部為庫盆回填料，兩者的軟硬程度不同，蓄水后在土工膜錨固部位會(huì)產(chǎn)生較大的變形梯度[17]。通過采用子模型法[18]進(jìn)行精細(xì)化模擬計(jì)算得出，土工膜錨固處拉應(yīng)變達(dá)3.75%。PE土工膜的應(yīng)變極限值為12%，考慮3.0的安全系數(shù)，土工膜承受的拉應(yīng)變與設(shè)計(jì)允許值4%較為接近。研究表明，連接板基礎(chǔ)墊層料向庫盆方向延伸約10 m，并在靠近連接板部位設(shè)置寬度1 m、高度0.24 m的鼓包后，土工膜局部拉應(yīng)變顯著減小至0.67%，見圖4。為此，進(jìn)行基礎(chǔ)墊層設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖4 土工膜與連接板錨固處應(yīng)變分布

連接板是大壩面板和庫底土工膜的連接體，是易產(chǎn)生滲漏的薄弱環(huán)節(jié)?；A(chǔ)墊層滲透系數(shù)低，可起到限漏作用，相當(dāng)于大壩防滲體第二道防線[5,19]。為此，將連接板基礎(chǔ)墊層調(diào)整為厚度1.6 m的特殊墊層料，以及厚度2 m的過渡料。特殊墊層料為連續(xù)級(jí)配料，最大粒徑為40 mm，小于5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占40%～50%。

3.4 壩基排水層

現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)表明，下游堆石料中的玢巖含量較高，碾壓后小于5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在20%～30%之間，典型級(jí)配曲線見圖5。施工過程中，因少量混合料的攤鋪不能保證非常均勻，局部細(xì)顆粒會(huì)更加集中。為保護(hù)下游堆石區(qū)中的細(xì)顆粒，將大壩下游堆石區(qū)與壩基排水帶之間原設(shè)置160 cm厚的過渡料，調(diào)整為40 cm厚反濾料和120 m厚過渡料。為便于大壩填筑料分層碾壓施工，將40 cm厚反濾料和120 m厚過渡料設(shè)置成4個(gè)大平臺(tái)，見圖3。

圖5 主壩下游堆石區(qū)碾壓試驗(yàn)典型級(jí)配曲線

3.5 壩體及岸坡壩基過渡區(qū)

上、下游堆石區(qū)之間設(shè)水平寬5 m的過渡區(qū)，采用上、下游堆石料互層填筑的方式建成，施工過程較復(fù)雜。計(jì)算表明面板撓度僅為14.2 cm，上游堆石區(qū)足夠支撐面板，設(shè)置過渡區(qū)意義不大。為方便施工，取消壩體過渡區(qū)。

主壩壩址區(qū)壩基巖性為白云巖，挖除覆蓋層后，兩岸石筍、石芽遍布，經(jīng)基礎(chǔ)處理后，仍有一定起伏差，直接填筑上游堆石料(最大粒徑70 cm)存在局部架空、難以壓實(shí)現(xiàn)象，為保證岸坡部位堆石料壓實(shí)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)岸坡堆石區(qū)與河床堆石區(qū)的變形協(xié)調(diào)[20]，在岸坡部位設(shè)置水平寬2.5 m的過渡料，最大粒徑30 cm。

3.6 下游護(hù)坡優(yōu)化

下游堆石區(qū)填筑易崩解風(fēng)化的玢巖，只要減少其與空氣的接觸，就可大幅減緩其崩解速率。因此，將壩后護(hù)坡方案優(yōu)化為“混凝土框格梁+混凝土預(yù)制塊+黏土植草”方案，以隔絕下游堆石料與空氣接觸，同時(shí)有利于提升壩后坡的抗震性能。

3.7 三維有限元計(jì)算分析

針對(duì)優(yōu)化后的壩體斷面，進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析。瀝青混凝土及堆石體靜力計(jì)算模型采用鄧肯模型，面板與墊層間采用薄層單元模擬接觸面特性。壩料參數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)成果，如表1所示。采用逐級(jí)加載方案，按照135 m高程以下→135～170 m高程→170～205 m高程→205～240 m高程→240～272.40 m高程的施工工序進(jìn)行填筑，最后澆筑面板。水荷載分10級(jí)模擬，每級(jí)水頭3 m。壩體變形計(jì)算結(jié)果見圖6至圖8。

表1 上水庫筑壩材料鄧肯模型參數(shù)

圖6 竣工期變形等值線(單位：cm)

圖7 蓄水期變形等值線(單位：cm)

圖8 蓄水期瀝青混凝土面板順坡向應(yīng)變 (以壓為正)

竣工期壩體最大沉降155 cm，最大沉降位于下游堆石區(qū)，蓄水期最大沉降169 cm；竣工期上、下游向水平位移最大值分別為11 cm和51 cm，蓄水后上游水平位移減小至9.8 cm，下游水平位移增大至59 cm。運(yùn)行期上、下游水平位移分別為1.2 cm和8 cm。

竣工期壩體大、小主應(yīng)力最大值為3.05 MPa和1.03 MPa，應(yīng)力水平最大值為0.61，發(fā)生在上、下游堆石區(qū)分界面中部。蓄水后，應(yīng)力等值線明顯上抬，應(yīng)力水平降低。在水壓力作用下，面板最大撓度出現(xiàn)在中部附近，最大值為14.2 cm。庫底及反弧區(qū)面板基本處于受拉狀態(tài)，斜坡段面板受壓，頂部面板受拉。面板與連接板接頭部位最大拉應(yīng)變?yōu)?.17%，小于設(shè)計(jì)控制值0.5%，面板的應(yīng)變狀態(tài)總體良好，見圖8。總體上，計(jì)算成果符合高堆石壩的應(yīng)力變形規(guī)律，兩岸地形緩，未出現(xiàn)明顯拱效應(yīng)[10,21-22]。

4 上水庫主壩壩體斷面分區(qū)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

a.上水庫主壩最大壩高182.3 m，大壩基礎(chǔ)地質(zhì)條件及填筑料料源巖性復(fù)雜，因此，應(yīng)按照高堆石壩設(shè)計(jì)理念做好大壩變形控制及變形協(xié)調(diào)，設(shè)置可靠防滲結(jié)構(gòu)。上、下游堆石的分界線要保證面板撓度小、堆石上游面不產(chǎn)生拉應(yīng)變[7]。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析，該工程分區(qū)界線采用傾向下游1∶0.4坡比。同時(shí)，對(duì)壩體填筑料，提出設(shè)計(jì)孔隙率及級(jí)配要求，以保證施工過程中壩料壓實(shí)。壩頂以下設(shè)置增模區(qū)，可控制震后、運(yùn)行期壩體變形。

b.施工圖階段，結(jié)合壩料填筑參數(shù)、碾壓試驗(yàn)成果復(fù)核鄧肯模型參數(shù)，采用精細(xì)化單元網(wǎng)格進(jìn)行壩體應(yīng)力變形復(fù)核，進(jìn)一步驗(yàn)證壩體斷面分區(qū)方案的技術(shù)合理性。

c.連接板是大壩瀝青混凝土面板和庫底土工膜的連接體。上水庫庫底填渣高度約為120 m，為保證連接結(jié)構(gòu)安全，施工圖階段開展深入研究，連接板平面布置往庫內(nèi)平移并減小轉(zhuǎn)彎段曲率，改善了其受力狀況，同時(shí)在連接板附近設(shè)置鼓包，顯著減小了土工膜局部拉應(yīng)變；將基礎(chǔ)墊層優(yōu)化為特殊墊層及過渡料，適當(dāng)增加基礎(chǔ)墊層的細(xì)顆粒含量，對(duì)于連接板部位的滲流控制來說，是至關(guān)重要的[4]。

d.上水庫填筑工程量大，減少工程棄渣，做好土石方挖填平衡非常重要。主壩壩體斷面分區(qū)充分考慮石料料源偏緊情況，利用B區(qū)石料場的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖巖脈與白云巖混合料填筑于下游堆石區(qū)。

e.針對(duì)壩基工程地質(zhì)條件及料源特性，因地制宜，采取合理可行的技術(shù)措施。主壩壩址區(qū)壩基兩岸石筍、石芽遍布，在岸坡部位設(shè)置水平寬2.5 m的過渡料；壩后護(hù)坡方案調(diào)整為“混凝土框格梁+混凝土預(yù)制塊+黏土植草”，減緩了玢巖崩解速率，同時(shí)兼顧抗震措施。

5 結(jié) 語

某抽水蓄能電站上水庫主壩為高瀝青混凝土面板堆石壩，工程規(guī)模大，技術(shù)要求高。壩體斷面分區(qū)在施工圖階段進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，遵循高面板堆石壩的設(shè)計(jì)原則，并充分考慮利用庫盆開挖的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖料筑壩，較好地實(shí)現(xiàn)了土石方挖填平衡。同時(shí)，深入開展三維有限元分析研究，進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)方案的合理性。隨著設(shè)計(jì)理念的提升，施工技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)值分析手段的應(yīng)用，在高面板堆石壩建設(shè)過程中，還需在大壩變形控制和防滲結(jié)構(gòu)安全性等方面進(jìn)行探索和創(chuàng)新。