龍灘碾壓混凝土重力壩大壩及壩基防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍灘碾壓混凝土重力壩大壩

及壩基防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要碾壓混凝土層面是壩體滲漏的薄弱環(huán)節(jié)，龍灘工程大壩要承受200m級(jí)的高水頭，如何減少壩體滲漏量，降低壩基及壩體層面的揚(yáng)壓力，是大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。參照目前國(guó)內(nèi)已建工程的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大量的室內(nèi)室外試驗(yàn)成果，龍灘工程采用了變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲的技術(shù)，并通過(guò)壩內(nèi)分層廊道連接壩體排水孔幕，在壩體內(nèi)形成“前堵后排”的有效系統(tǒng)。壩基采用常規(guī)的水泥灌漿帷幕進(jìn)行防滲，并通過(guò)上下游帷幕和左右橫向連接帷幕形成壩基抽排系統(tǒng)，以有效的降低壩基及壩體下部層面的揚(yáng)壓力。關(guān)鍵詞變態(tài)混凝土二級(jí)配碾壓混凝土壩基防滲抽排系統(tǒng)龍灘工程概況龍灘水電站位于紅水河上游，廣西省天峨縣境內(nèi)，下距天峨縣城15km。壩址以上控制流域面積98500km2,多年平均流量1630m7s,多年平均徑流量514億m3。工程按正常蓄水位400.00m設(shè)計(jì)，分兩期建設(shè)。初期建設(shè)正常蓄水位375.00m,相應(yīng)庫(kù)容162.10億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容111.50億m3。電站裝機(jī)7臺(tái)，單機(jī)容量600MW,總裝機(jī)4200MW，保證出力1234MW，多年平均發(fā)電量156.70億kW?h；后期正常蓄水位400.00m時(shí)，相應(yīng)庫(kù)容272.70億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容205.30億m3,電站裝機(jī)9臺(tái)，單機(jī)容量600MW，總裝機(jī)裝機(jī)5400MW,保證出力1680MW，多年平均年發(fā)電量187.10億kW?h。龍灘水電站樞紐主要建筑物由擋水建筑物，泄水建筑物，引水發(fā)電系統(tǒng)及通航建筑物組成。河床壩段布置泄水建筑物，由7個(gè)表孔和2個(gè)底孔組成，采用挑流消能；通航建筑物布置在右岸，采用二級(jí)垂直提升式升船機(jī)，二級(jí)升船機(jī)之間由中間渠道連接；通航建筑物和河床泄水壩段之間為6個(gè)重力式擋水壩段；引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，電廠進(jìn)水口為“一字型”排列的壩式進(jìn)水口，發(fā)電廠房布置在左岸山體內(nèi)，為全地下廠房，裝機(jī)9臺(tái)；500kV開關(guān)站及出線平臺(tái)布置于左岸下游距壩約500m的沖溝處。大壩防滲與排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)大壩防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1壩體防滲結(jié)構(gòu)方案選擇龍灘工程前期最大壩高192.0m,后期最大壩高216.5m,大壩全斷面采用碾壓混凝土施工（局部不便碾壓的部位除外）。由于碾壓混凝土壩采用通倉(cāng)薄層碾壓澆筑工藝，存在眾多上下游貫通的層面，受骨料分離和層面結(jié)合質(zhì)量的影響，易產(chǎn)生滲漏通道。龍灘大壩后期正常運(yùn)行期間壩面承受210.0m的高水頭，其下部層面所承受的水壓力較已建的其它工程成倍的增加，故龍灘大壩的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。（1）碾壓混凝土壩防滲結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用及發(fā)展國(guó)內(nèi)外已建和在建的碾壓混凝土壩的防滲結(jié)構(gòu)按所用的材料可分為混凝土防滲結(jié)構(gòu)和高分子材料防滲結(jié)構(gòu)兩大類。高分子材料防滲存在耐久性較差的問(wèn)題，故龍灘大壩考慮采用混凝土結(jié)構(gòu)防滲?；炷练罎B的主要型式有：厚常態(tài)混凝土防滲、薄常態(tài)混凝土防滲、鋼筋混凝土面板防滲、碾壓混凝土自身防滲等。厚常態(tài)混凝土防滲可靠性高、耐久性好，但對(duì)RCC的施工干擾大，限制了大壩的上升速度；而薄常態(tài)混凝土防滲結(jié)構(gòu)的表面裂縫對(duì)防滲效果的影響較大；鋼筋混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)類似于薄常態(tài)混凝土，但面板內(nèi)的鋼筋對(duì)表面裂縫的開展有一定的限制作用，可靠性相對(duì)較高；碾壓混凝土自身防滲，其防滲作用不僅受表面裂縫的影響，而且還受層面滲流的影響。我國(guó)碾壓混凝土筑壩技術(shù)經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，形成了以中等膠凝材料或富膠凝材料和高摻粉煤灰為特點(diǎn)的碾壓混凝土筑壩模式，施工中較為普遍地采用通倉(cāng)薄層（層厚30cm）碾壓連續(xù)上升的模式。富膠凝材料二級(jí)配碾壓混凝土由于膠凝材料用量大，骨料粒徑減小，從而減少了混凝土輸送和攤鋪過(guò)程中的骨料分離，增強(qiáng)了混凝土本體和層面的密實(shí)性，通過(guò)層面鋪水泥漿或砂漿處理，使碾壓層面結(jié)合進(jìn)一步得到改善，其抗?jié)B性比早期的貧膠凝材料碾壓混凝土有了極大的提高。采用富膠二級(jí)配碾壓混凝土作為大壩的防滲體，施工簡(jiǎn)便快速，且不需要增加其他施工設(shè)備，適應(yīng)了碾壓混凝土的施工特點(diǎn)，使碾壓混凝土的快速施工優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。“九五”期間興建的江埡、棉花灘、大朝山等100m級(jí)碾壓混凝土壩都采用了富膠凝材料二級(jí)配碾壓混凝土防滲，其中江埡大壩為我國(guó)目前完建的最高的碾壓混凝土大壩，最大壩高達(dá)131m。（2） 碾壓混凝土滲流特性研究“九五”期間我們收集了國(guó)內(nèi)近期完建的江埡、汾河二庫(kù)、大朝山等幾座碾壓混凝土壩的系統(tǒng)完整的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)滲流試驗(yàn)資料及現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)資料，并與龍灘現(xiàn)場(chǎng)碾壓三級(jí)配碾壓混凝土試驗(yàn)成果進(jìn)行了比較。通過(guò)對(duì)以上資料的分析表明：中等膠凝材料和富膠凝材料的碾壓混凝土本體的抗?jié)B性已與常態(tài)混凝土無(wú)異，部分層面結(jié)合較好的碾壓混凝土已達(dá)到或接近常態(tài)混凝土的水平；二級(jí)配碾壓混凝土的抗?jié)B性明顯優(yōu)于三級(jí)配碾壓混凝土；施工工藝對(duì)碾壓混凝土的抗?jié)B性有較大影響，應(yīng)盡量保持層面連續(xù)上升并加強(qiáng)縫面處理；龍灘三級(jí)配碾壓混凝土的抗?jié)B性已超過(guò)江埡三級(jí)配碾壓混凝土，接近于江埡二級(jí)配碾壓混凝土?？梢灶A(yù)計(jì)龍灘大壩二級(jí)配碾壓混凝土，隨著膠凝材料用量的增加，骨料最大粒徑的減小，其抗?jié)B性可以超出江埡二級(jí)配碾壓混凝土的水平。（3） 變態(tài)混凝土滲流特性研究雖然采用二級(jí)配碾壓混凝土作為龍灘大壩防滲結(jié)構(gòu)的一部分是可行的，但二級(jí)配碾壓混凝土的離散性大，為了防止部分碾壓混凝土層面直接與水庫(kù)連通，則要求設(shè)置另外的防滲結(jié)構(gòu)以封閉混凝土層面，同時(shí)要求該結(jié)構(gòu)具有良好的抗?jié)B性和均勻性。江埡、大朝山等已建的碾壓混凝土壩具有用變態(tài)混凝土封閉二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲的成功經(jīng)驗(yàn)，為此我們對(duì)變態(tài)混凝土的滲流特性作了進(jìn)一步研究。變態(tài)混凝土是在碾壓混凝土中澆筑振搗過(guò)程中摻配一定比例的灰漿形成，江埡碾壓混凝土壩變態(tài)混凝土采用10%灰漿+90%碾壓混凝土。江埡變態(tài)混凝土室內(nèi)芯樣試驗(yàn)和龍灘變態(tài)混凝土室內(nèi)抗?jié)B性試驗(yàn)表明：變態(tài)混凝土無(wú)論從抗?jié)B性還是均勻性方面均已達(dá)到常態(tài)混凝土的水平，橫觀各向異性已不太明顯，其抗?jié)B性能優(yōu)于二級(jí)配碾壓混凝土；變態(tài)混凝土的抗?jié)B性與摻漿的均勻程度關(guān)系密切，同時(shí)還受水灰比、外加劑等因素的影響。（4） 大壩防滲結(jié)構(gòu)方案選擇“八五”期間由于變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土工程應(yīng)用尚屬起步階段，對(duì)變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土的材料性能缺乏充分的試驗(yàn)研究，特別是缺乏對(duì)變態(tài)混凝土的物理力學(xué)和滲流特性的試驗(yàn)研究，因此，當(dāng)年選擇鋼筋混凝土面板與二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲方案作為龍灘碾壓混凝土重力壩防滲結(jié)構(gòu)方案的推薦方案。“九五”期間通過(guò)對(duì)變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土的材料性能進(jìn)行充分的試驗(yàn)研究和對(duì)實(shí)際工程資料的分析論證后，認(rèn)為變態(tài)混凝土方案較之鋼筋混凝土面板方案更適合于龍灘碾壓混凝土重力壩對(duì)防滲結(jié)構(gòu)的要求。變態(tài)混凝土方案的顯著優(yōu)勢(shì)是施工簡(jiǎn)單，施工干擾少。因此，現(xiàn)階段確定把變態(tài)混凝土與二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲方案作為龍灘碾壓混凝土重力壩的防滲結(jié)構(gòu)方案。2.1.2變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲方案設(shè)計(jì)除局部不便碾壓的壩段或部位采用常態(tài)混凝土防滲外，龍灘大壩其他上游面均采用變態(tài)混凝土與二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲。高程270.00m以上變態(tài)混凝土厚度為1.00m,高程270.00m以下變態(tài)混凝土的水平寬度為1.50m。變態(tài)混凝土的分縫與壩體結(jié)構(gòu)分縫布置相同，為限制上游變態(tài)混凝土開裂后裂縫的發(fā)展,在變態(tài)混凝土內(nèi)設(shè)置一層鋼筋網(wǎng)。上游二級(jí)配碾壓混凝土水平寬度根據(jù)作用水頭不同采用3?15m不等，以其下游邊界距壩體排水孔幕的距離不小于1m控制，由此確保排水孔幕的排水降壓效果。為提高二級(jí)配碾壓混凝土層面的結(jié)合效果和抗?jié)B性，在連續(xù)上升的二級(jí)配碾壓混凝土層面范圍內(nèi)逐層鋪灑水泥粉煤灰漿。為進(jìn)一步加強(qiáng)上游防滲結(jié)構(gòu)的可靠性，上游死水位以下設(shè)置一道壩面噴涂層，噴涂材料采用高分子材料或滲透結(jié)晶材料等。根據(jù)下游最高水位和9臺(tái)機(jī)滿發(fā)的下游水位，壩體下游面的防滲以高程233.00m為界分成兩部分。高程233.00m以下也采用變態(tài)混凝土與二級(jí)配碾壓混凝土組合防滲，高程233m以上采用壩體三級(jí)配碾壓混

凝土自身防滲，其表面0.30?0.50m范圍內(nèi)根據(jù)壩體外觀要求可采用變態(tài)混凝土，但該部分變態(tài)混凝土不再按照防滲要求的變態(tài)混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)。壩體排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)是降低壩內(nèi)揚(yáng)壓力的重要設(shè)施，碾壓混凝土壩必須設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，只要排水布置得當(dāng)且留有余地，防滲結(jié)構(gòu)的局部缺陷將不會(huì)導(dǎo)致壩體或?qū)用鎿P(yáng)壓力的急劇上升。排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在各種工況下均可將壩體和層面揚(yáng)壓力控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。龍灘工程根據(jù)滲流控制要求設(shè)置壩體排水孔幕，擋水壩段上游排水孔頂部高程381m,溢流壩段上游排水孔頂部高程351m；擋水壩段下游排水孔頂部高程265m,溢流壩段下游排水孔頂部高程246m。排水孔通過(guò)上下排水廊道連成一個(gè)整體。大壩上游共設(shè)置5層排水廊道，在溢流壩段下游側(cè)高程230.00m布置一層排水廊道。為提高下部層面抗滑穩(wěn)定安全儲(chǔ)備，在高程230.00m以下沿基礎(chǔ)縱向排水廊道朝上設(shè)置壩內(nèi)層面排水孔，以形成壩內(nèi)抽排，更好地降低層面揚(yáng)壓力。壩體排水孔和橫縫排水管匯集的滲水，高程270m以上由交通廊道自流排出壩體，高程270m以下進(jìn)入基礎(chǔ)集水井，由壩體抽排系統(tǒng)排出壩體。壩體橫縫止水排水設(shè)計(jì)壩體上游橫縫內(nèi)布置2?3道止水銅片和一個(gè)直徑300mm的橫縫排水管，壩體下游高程265m以下的橫縫內(nèi)布置2道銅片止水和一個(gè)直徑300mm的橫縫排水管，上、下游橫縫止水均埋設(shè)在壩踵和壩趾的止水基座內(nèi)，對(duì)座落在兩岸陡坡上的壩段，在上游壩踵部位沿壩軸線方向布置1道基礎(chǔ)止水，一側(cè)埋設(shè)在基礎(chǔ)止水基座內(nèi)，另一側(cè)埋設(shè)在壩體混凝土內(nèi)，橫縫處與第一道橫縫止水焊接。此外，壩體廊道穿越橫縫處的廊道周邊和跨橫縫布置的廊道頂部均布置1道橡膠止水。大壩防滲止水排水系統(tǒng)布置詳見圖1?圖3。E3I卜msttMJ-￡八：■TG皿■-機(jī)T斤溢流壩段典型斷面防滲止水排水圖圖1大壩防滲止水排水系統(tǒng)布置詳見圖1?圖3。E3I卜msttMJ-￡八：■TG皿■-機(jī)T斤溢流壩段典型斷面防滲止水排水圖圖1河床擋水壩段典型斷面防滲止水排水圖圖2州EH~j：n?r/㈣?七7 、、TK4圖3上游面防滲止水排水圖 圖4下游面防滲止水排水圖2.4大壩滲流分析滲流分析計(jì)算了多種工況，以下僅列出兩種代表性工況及其計(jì)算成果。2.4.1計(jì)算工況V375M230000I450C1V375M230000I450C1表1變態(tài)混凝土和二級(jí)配碾壓混凝土防滲結(jié)構(gòu)方案計(jì)算工況工況號(hào)成果圖號(hào)工 況 說(shuō) 明1圖5按設(shè)計(jì)推薦情況，壩上游面變態(tài)混凝土后面為二級(jí)配碾壓混凝土，然后為三級(jí)配碾壓混凝土；壩上下游水位375m和225.5m。二級(jí)配及三級(jí)配碾壓混凝土的滲透各向異性比為50和500。2圖6同工況1,層面施工非均勻性致使排水孔周圍單元層面滲透性受阻。2.4.2滲流分析成果圖5工況1：變態(tài)混凝土+二級(jí)配RCC圖5工況1：變態(tài)混凝土+二級(jí)配RCC防滲情況（單位：m）受阻情況（單位：m）2.4.3結(jié)論滲流場(chǎng)分析成果說(shuō)明，單從滲流控制來(lái)看，龍灘大壩采用碾壓混凝土自身防滲可以滿足大壩設(shè)計(jì)要求。在滲流控制中排水管起著極為重要的作用，只要排水通暢，壩體揚(yáng)壓力的控制就可控制在設(shè)計(jì)揚(yáng)壓力圖形以內(nèi)。壩體排水管上游的混凝土需要承受絕大部分的滲流坡降，因此要求這部分混凝土材料具有能承受大的滲流坡降的性能和滲透穩(wěn)定性，作為壩面混凝土還應(yīng)能抵抗外部環(huán)境變化對(duì)其性能的影響。壩基防滲和排水壩基防滲帷幕帷幕布置防滲帷幕按后期正常蓄水位400.0m要求設(shè)計(jì)，在初期建設(shè)時(shí)高程406.5m以下一次性建成。

防滲帷幕線的布置主要考慮兩方面的要求：一是壩基和繞壩滲流的控制，防止產(chǎn)生滲透破壞；二是河床較高壩段基礎(chǔ)抽排減壓控制，即在帷幕和壩基排水的共同作用下，使壩基面滲透壓力和壩基滲漏量控制在允許范圍內(nèi)。防滲帷幕由上游、下游防滲帷幕及河床壩段兩側(cè)的橫向帷幕組成。3.1.2上游帷幕上游防滲帷幕線布置于壩基上游縱向灌漿廊道內(nèi)上游側(cè)，兩岸壩肩山體內(nèi)的繞壩防滲帷幕布置在灌漿平洞內(nèi)的上游側(cè)，兩者構(gòu)成一道連續(xù)的防滲幕墻。綜合考慮鉆孔深度、壩基開挖形狀和分期建設(shè)的特點(diǎn)，左岸在308m、382m、406.5m高程布置了3層灌漿平洞，右岸在318m、406.5m高程布置了2層灌漿平洞。帷幕伸入山體至水庫(kù)最高正常蓄水位與地下水位線的交點(diǎn)，且左岸截?cái)郌63、F69斷層并局部加6369大了灌漿深度。上游帷幕按壩基面上作用水頭大小的不同分為3個(gè)區(qū)，水頭低于70m范圍為I區(qū)，水頭在70?150m之間為II區(qū)，水頭大于150m范圍為III區(qū)。I區(qū)為1排孔，11區(qū)為2排孔，，III區(qū)為3排孔。各區(qū)帷幕深度深入相對(duì)不透水層頂線以下不小于5m（相對(duì)不透水層的滲透率不超過(guò)1Lu）。。為保證帷幕的連續(xù)性，兩岸上層灌漿帷幕與下層灌漿平洞之間采用扇形帷幕搭接。3.1.3下游及橫向帷幕為防止下游河水和兩岸山體地下水向河床壩段壩基面滲透，使壩基面揚(yáng)壓力增大，布置了下游和兩岸橫向帷幕，與上游帷幕形成封閉的壩基抽排區(qū)。下游帷幕布置于壩內(nèi)下游灌漿廊道，帷幕線向兩岸延伸的范圍按壩基設(shè)置抽排的范圍確定，兩岸延伸至壩基面高程約270.0m處。下游帷幕深度約為下游最大水頭的0.6倍，最小深度不小于15.00m。帷幕灌漿孔設(shè)1排孔，孔距1.50m。在下游帷幕線兩端設(shè)橫向防滲帷幕，橫向帷幕的設(shè)計(jì)原則同下游防滲帷幕。壩基帷幕平面布置見圖5。圖5壩基帷幕灌漿平面圖3.2壩基排水

根據(jù)龍灘工程壩高水頭大的特點(diǎn)，為有效降低壩基面揚(yáng)壓力，壩基排水采用抽排減壓措施，即由上下游帷幕及橫向連接帷幕構(gòu)成封閉的抽排減壓區(qū)。抽排區(qū)內(nèi)除上游主排水廊道外，還布置有縱橫向輔助排水廊道，間距約40m。在下游灌漿廊道內(nèi)也布置有輔助排水孔。抽排區(qū)以外兩岸較高壩段除主排水廊道外，還布置有1至2排縱向輔助排水廊道，兩岸低壩段則只在灌漿廊道內(nèi)布置主排水孔。壩基排水平面布置見圖6。KmafMJ:;..■:■:「KmafMJ:;..■:■:「圖6壩基排水平面圖主排水孔間距2m,孔深約為主帷幕深度的0.5倍，且不小于20m；下游輔助排水孔間距2m,孔深約為下游帷幕深度的0.5倍且不小于15m；其余輔助排水孔間距3m，孔深15m。所有排水孔孔徑均為150mm。在壩基0+110.00縱向輔助排水廊道最低段擴(kuò)挖形成集水井，壩基及壩體高程270.00m以下滲水均匯集到集水井內(nèi)，最后抽排至壩外。壩基抽排系統(tǒng)