彭小川 周志博

莫赫曼德水電站項目位于處于瓦特河谷山口處，為斯瓦特河梯級電站的最末端一級。莫赫曼德工程任務主要為發(fā)電、灌溉和供水。莫赫曼德水電站水庫總庫容為18億m3，電站裝機容量800 MW，本工程屬Ⅰ等大（1）型工程。攔河壩、發(fā)電引水系統(tǒng)和電站廠房等主要建筑物級別為1 級，次要建筑物級別為2 級。灌區(qū)總面積為9 895 hm2，灌區(qū)建筑物為4 級。本工程工期為69 個月，導流標準洪水重現(xiàn)期為100 年一遇，相應洪水流量5 900 m3/s。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，大壩壩高213 m，目前為世界第七高混凝土面板堆石壩，壩頂長度717 m，水庫正常蓄水位550.00 m，PMF 洪水位為562.85 m，堆石壩壩頂高程563.00 m，防浪墻頂高程564.50 m，壩頂寬度12.00 m。上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡為1∶1.6。

1 大壩布置

莫赫曼德面板堆石壩壩址河道為東西走向。壩軸線采用直線布置，溢洪道布置在大壩左岸階地。莫赫曼德混凝土面板共分58 塊，根據(jù)大壩受力，面板分為左岸拉性縫區(qū)，中部壓性縫區(qū)、右岸拉性縫區(qū)。左岸拉性縫區(qū)為41～58 塊，總長237 m，單塊面板寬度為12 m，面板間為拉性縫；中部壓性縫區(qū)為21～40 塊，總長240 m，單塊面板寬度為12 m，根據(jù)中部壩體變形受水壓力作用，面板向河谷中央集中的趨勢，中部設置為壓性縫區(qū)域；右岸拉性縫區(qū)為1～20 塊，總長240 m，單塊面板寬度為12 m，面板間為拉性縫。大壩布置如圖1 所示。

圖1 大壩布置圖

2 壩體分區(qū)與壩料設計

壩體分區(qū)從上游到下游依次為上游蓋重區(qū)1B、上游鋪蓋區(qū)1A、墊層區(qū)2A、墊層區(qū)2B、過渡區(qū)3A、主堆石區(qū)3B、下游堆石區(qū)3C、下游壩基排水區(qū)3D、下游塊石護坡P。如圖2 所示。

圖2 大壩典型分區(qū)示意圖

2.1 1區(qū)（上游防滲補強區(qū)）

該區(qū)含1A（上游鋪蓋區(qū)）和1B（上游蓋重區(qū)）。為封堵面板可能出現(xiàn)的裂縫以及張開了的周邊縫和面板間縫，按工程經(jīng)驗設于下1/3 壩高處，并不高于死水位，即上游壩面425 m 以下設置了1A（上游鋪蓋區(qū)）鋪蓋區(qū)，1A 區(qū)采用粉細黏土和粉煤灰等材料，鋪蓋頂寬5 m，上游坡1∶1.5，下游面緊貼面板和趾板。鋪蓋上游設蓋重區(qū)1B，采用開挖石渣填筑頂寬10 m，上游坡1∶2，采用隨機開挖料填筑。

2.2 2區(qū)（墊層區(qū)）

該區(qū)含2A（墊層區(qū)）和2B（特殊墊層區(qū)）。墊層區(qū)2A 直接位于面板下游側，是混凝土面板堆石壩中最重要的部位之一，它既是防滲面板的可靠基礎，又是壩體防滲的第二道防線。本工程按4.2 m寬度控制。

特殊墊層區(qū)（2B）：在周邊縫下游側墊層區(qū)內設細反濾料特殊墊層小區(qū)，作為對上游鋪蓋（1A區(qū)）的反濾層，具有良好的反濾和滯留細顆粒的自愈功能。控制孔隙率15%。

2.3 3區(qū)（堆石區(qū)）

該區(qū)包含3A 過渡區(qū)、3B 主堆石區(qū)、3C 下游次堆石區(qū)、3F 下游壩基排水區(qū)和P 下游塊石護坡。3A 過渡區(qū)是2A 墊層料與主堆石區(qū)的過渡料區(qū)域，其目的在于防止墊層中的細料在滲透水流作用下流失而導致滲透破壞。其水平寬度為均寬4 m。在岸坡及壩基部位根據(jù)墊層料的需要向下游延伸，將墊層料包住。3B 主堆石區(qū)位于過渡料下游，絕大部分水荷載通過墊層及過渡層后由主堆石區(qū)傳到地基中去，是承受水荷載的主要支撐體。在主堆石區(qū)下游側設下游3C 堆石區(qū)，可利用變形模量較低的石料，粒徑和碾壓層厚可較主堆石區(qū)大，以減少工程造價。主、次堆石區(qū)的分界點在壩軸線下游側，高程510.0～390.0 m 之間為下游堆石區(qū)?？紤]到大壩高度，為外部觀測、排水及美觀等要求，設下游塊石護坡厚0.5 m。3D 下游壩基排水區(qū)為保證大壩排水暢通和下游壩坡穩(wěn)定而設置。位于主堆石下游側、下游堆石區(qū)以下，即高程390.0 m以下區(qū)域。

墊層料水平寬度4.2 m，設計指標為：干密度2.22 g/cm3，相應的孔隙率15%～18%，控制最大粒徑80 mm。小于5 mm 顆粒含量不能低于50%，宜為35%～50%；小于0.075 mm 的顆粒含量小于7%，宜為0～7%，級配連續(xù)。壓實后的滲透系數(shù)為1×10-3cm/s。填筑層厚0.4 m。區(qū)域的噴灑水量為10%，采用18 t 的振動碾碾壓8 次。

過渡料水平寬4 m，設計指標為：干密度2.20 g/cm3，相應的孔隙率18%～20%，控制最大粒徑300 mm，小于25 mm的含量不大于50%，小于5 mm 顆粒含量20%～30%，小于0.075 mm 的顆粒含量小于5%，級配連續(xù)。壓實后的滲透系數(shù)為1×10-2cm/s。填筑層厚為0.4 m。加水量巖石質量的15%，采用18 t 的振動碾碾壓8 次。

主堆石區(qū)是壩體應力最大的部位。主堆石區(qū)是是面板壩的主體，對整個壩體的技術經(jīng)濟合理性有至關重要的作用。主堆石區(qū)的基本要求是變形小、與相鄰區(qū)變形協(xié)調并滿足水力過渡和滲透穩(wěn)定要求。主堆石區(qū)填筑料應具有低壓縮性，高抗剪抗壓強度，自由排水，施工及運行期均不產(chǎn)生孔隙水壓力，石料必須堅硬且耐風化。

工程主堆石區(qū)設計指標為：干密度2.17 g/cm3，相應的孔隙率19%～20%。控制最大粒徑800 mm，小于25 mm 的含量不大于35%，小于5 mm 顆粒含量6%～15%，小于0.075 mm 的顆粒含量小于5%，級配連續(xù)。壓實后的滲透系數(shù)為1×10-1cm/s。初擬填筑層厚80 cm，加水量巖石質量的15%，采用25 t的振動碾碾壓8 次。

下游堆石區(qū)處于壩體的次要部位，其變形對壩體和面板變形影響不大，設計指標為：干密度2.08 g/cm3，相應的孔隙率19%～21%，控制最大粒徑800 mm，小于0.075 mm 的顆粒含量小于5%，小于5 mm 顆粒含量小于5%，級配良好，填筑層厚80 cm，加水量巖石質量的15%，采用25 t 的振動碾碾壓8 次。

本工程排水區(qū)采用料場灰?guī)r料，干密度2.12 g/cm3，相應的孔隙率19%～21%?？刂谱畲罅?00 mm，小于25 mm 的含量不大于35%，小于5 mm 顆粒含量6%～15%，小于0.075 mm 的顆粒含量小于5%，級配連續(xù)。壓實后的灰?guī)r塊石的滲透系數(shù)為1×10-2cm/s。加水量為巖石質量的15%，采用25 t 的振動碾碾壓8 次。

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3 壩體變形與沉降分析

面板堆石壩變形與沉降計算，主要分析面板堆石壩在蓄水后的壩體變形和沉降。采用MIDAS GTS NX 對面板堆石壩進行了三維有限元分析，計算模型如圖3 所示。本工程的計算參數(shù)選取見表1。變形和沉降計算分析如圖4 和圖5 所示。

圖4 變形計算結果

表1 堆石的物理力學參數(shù)

圖3 計算模型

通過計算分析，本工程最大沉降為1.3 m，小于類比法估計值1.4 m。相對于213 m 壩高屬于正常范圍，在施工圖設計壩頂高程中應當考察沉降的影響。

4 壩基處理

高面板堆石壩壩體可置于風化和卸荷基巖上，趾板區(qū)下游0.3～0.5 倍壩高范圍內的壩體地基宜具備低壓縮性。高壩趾板建基面宜開挖到弱風化層上部。趾板基礎采用固結灌漿和帷幕灌漿，固結灌漿孔深20 m，趾板中部布置1 排帷幕，孔距1.5 m，帷幕孔深為70%上游水頭。帷幕防滲標準為小于3 Lu。

5 趾 板

采用平趾板型式布置，趾板線由面板底面與趾板下游面的交線控制。

趾板在高程430 m 以下，寬7.7 m；高程430 m以上，寬7.2 m。趾板厚度為1.0 m。為滿足水力梯度要求，在高程430 m 以下趾板下游側增設40 cm厚防滲板。

趾板線總長950 m，不設永久縫，每15 m 設施工縫，趾板混凝土等級采用C25，抗?jié)B等級為W12。趾板配雙層雙向鋼筋，配筋率為0.35%，防滲板上部布置單層雙向鋼筋，配筋率為0.35%。趾板設置錨筋，錨筋直徑25 mm，錨入基巖5.0 m，間距為2.0 m×2.0 m，頂端設彎鉤與趾板鋼筋層聯(lián)結。

6 面 板

高程479.5 m 以上面板厚度0.4 m，高程403～479.5 m 面板厚度0.7 m，高程403 m 至底部面板厚度為1.0 m。面板垂直縫的間距受拉區(qū)和受壓區(qū)均為12 m；在高程479.5 m 以上，面板混凝土強度等級采用C25；高程479.5 m 以下為C30。混凝土抗?jié)B等級為W12。面板布置雙層雙向鋼筋，配筋率順坡向為0.4%，軸向為0.4%?？恐苓吙p附近20 m 范圍內面板布置底部加強鋼筋。

7 分縫和止水

7.1 周邊縫

周邊縫采用3 道止水，底部為銅片止水，中部為橡膠止水，頂部設橡膠波紋止水兜帶保護的柔性嵌縫止水。頂部止水結構型式：縫口設橡膠棒，橡膠棒上設橡膠波形止水帶，兩者之間的空隙填柔性材料，波形止水帶上鋪設柔性材料，表面加筋橡膠帶密封。止水的工作原理是：（1）通過縫口的橡膠棒對其上部的各部分止水起支撐作用，確保頂部止水在水壓作用下不會沉入縫中；（2）波形止水帶能適應周邊縫的大變形，能單獨起止水作用，同時對上部的柔性填料實施密閉；（3）上部的柔性止水填料和表面的加筋橡膠帶，頂部止水單獨防滲的作用，又可在頂部止水發(fā)生滲漏或破壞時，仍能像傳統(tǒng)型式柔性填料那樣流入縫腔發(fā)揮其防滲的作用。

中部止水為“Ω”形紫銅片，布置在周邊縫中央偏表部，底部止水采用“F”形紫銅片。

7.2 面板垂直縫

由于面板垂直縫的張、壓特性不可能事先得到準確的預計，從保證止水系統(tǒng)的完整性出發(fā)，面板垂直縫的止水結構設計均按張性縫處理，所有垂直縫止水結構相同，底部設紫銅片止水，頂部設柔性填料止水。底部采用“W”形紫銅片止水。頂部止水采用柔性填料止水，填料鼓包半徑20 cm，填料底部設直徑40 mm 的橡膠棒，填料表面設總加筋橡膠帶。兩側采用鍍鋅角鋼固定并密封。

7.3 其他接縫

防浪墻與面板間水平縫設頂、底兩道止水，底部采用“W”形紫銅片止水，頂部采用柔性填料止水，結構與垂直縫相同。防浪墻每16.0 m 設1 條沉降縫，縫內設1 道PVC 止水帶，止水帶與防浪墻底部的銅片止水相接。

8 超高面板壩設計特點

高度超過150 m 為超高面板堆石壩，超高面板堆石壩在分區(qū)設計、材料選擇、填筑標準、面板設計、止水設計和填筑標準等方案對設計有更高的要求。

（1）超高面板堆石壩分區(qū)對壩體影響較大，相對于一般的面板堆石壩，超高面板堆石壩應適當擴大主堆石區(qū)，主次堆石區(qū)的分界線應以一定坡度傾向下游。保證上游河中心部位的高應力區(qū)有較高的模量，減少變形。次堆石區(qū)應壓實到較高密度，使上下游堆石的模量差剪至最小。

（2）隨著現(xiàn)代碾壓技術的發(fā)展，中型面板堆石壩對于填料標準要求放寬，可以允許中軟巖應用于適當部位。但對于超高面板堆石壩，筑壩材料應以硬巖為主，重視壩體變形控制，做好壩體排水。

（3）規(guī)范建議的編寫在壩高的1%的標準是針對100 m 級的面板堆石壩總結的，超高面板堆石壩也必須控制沉降變形在1%，所以要求高面板壩的孔隙率要求采用規(guī)范的上限值，甚至更加嚴格的要求。從莫赫曼德面板的空隙率設計略高于目前規(guī)范的要求是合適的。

（4）超高面板壩應重視面板的防滲和抗裂設計，采用合適的面板寬度，設置必要的壓性縫鋼筋、同時注意混凝土材料的使用。

（5）嚴格控制超高面板堆石壩的滲流穩(wěn)定，各防滲層之間要有較小的滲透比降變化。

（6）對于超高面板堆石壩周邊縫，采用設有波形止水帶的塑性填料，可吸收部分變形影響。