棉花滩碾压混凝土重力坝设计要点.docx
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棉花滩碾压混凝土重力坝设计要点
棉花滩碾压混凝土重力坝设计要点
摘要本文就棉花滩水电站碾压混凝土重力坝设计中的要点作了介绍，内容包括坝体全断面碾压、稳定应力分析、横缝设置、防渗结构、混凝土设计、温控措施及坝体可靠度分析等。
关键词：
碾压混凝土坝断面设计横缝防渗温控可靠度
1概况
正在兴建的棉花滩水电站位于福建省永定县汀江干流棉花滩峡谷福至亭处，是以发电为主的大型水利枢纽，兼有防洪、航运及水产养殖等功能。
电站装机容量600MW，坝址以上流域面积7907km2，总库容20.35×108m3,为一等工程。
大坝为1级建筑物，洪水设计标准为五百年一遇设计，五千年一遇校核，相应库水位为174.76m、177.80m，正常蓄水位173.00m，坝址处河谷狭窄，两岸山坡基本对称，坡度25°～45°，基岩为黑云母花岗岩，致密坚硬，强度较高，微风化岩石湿抗压强度平均在147MPa以上，断层破碎带较发育，但规模较小，多为高倾角（70°～85°），且胶结较好。
坝址区处于区域地质构造相对稳定区，基本地震烈度为6°。
拦河大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶开敞式溢洪道设在大坝中部，共设三孔，每孔净宽16m，在溢洪道右侧的坝体内设有一孔放空水库兼泄洪的泄水底孔，引水发电系统设在左岸，采用地下厂房，布置四台单机容量为150MW的混流式水轮发电机组，主厂房、主变洞及尾水调压室平行布置，尾水出口在冲刷坑下游，中控楼及开关站设在地下厂房处相应180m高程的地面上（其中GIS配电装置放在山洞内），此外，20t级转盘式斜面升船机布置在右岸，坝址以北偏东方向5km处的湖洋里有一座副坝，坝高5.6m，为均质土坝。
2坝体布置
坝轴线为直线，坝顶全长300m，分六个坝段，从左到右分别为①~⑥坝段，其中①、②为左岸挡水坝段，③、④为溢流坝段，⑤、⑥为右岸挡水坝段，各坝段长度分别为50m、50m、33m、33m、64m及70m。
坝顶高程179.00m，最大坝高111m，详见图1。
3断面设计原则及稳定应力条件
碾压混凝土重力坝（RCCD）与常规混凝土重力坝的工作状况是相似的,碾压混凝土（RCC）与常态混凝土（CC）的基本性能也是相似的，故其设计方法基本相同，坝体断面由稳定条件及应力条件确定，其控制标准亦相同。
但由于RCCD施工层面多，且由于种种原因使层间结合不良，以及坝体横缝间距较大等特点，在RCCD断面设计中应予以考虑。
满足稳定应力条件的基本断面，即挡水坝段断面如图2所示，上游面为垂直，下游面在高程168m以上为垂直，以下坝坡为１:
0.75，坝顶宽度7.00m。
鉴于溢流坝段在稳定及应力方面较为富裕，其断面基本三角形下游坡改为1:
0.65，以节省工程量。
图1大坝上游立视图
图2挡水坝段断面示意图
4稳定分析
坝体抗滑稳定分析除了坝基面外，尚核算了碾压层面的稳定，另外，还核算了基础缓倾角结构面的稳定。
坝基面设CC找平层，故坝基面上抗剪断指标是CC与岩基间的参数，根据现场试验成果采用，而RCC层面的抗剪断指标则类比已建工程现场原位或芯样试验成果选定，见表1。
表1坝基面及层面抗剪断指标设计采用值
坝段
段长m
部位
指标
①
②
③④
⑤
⑥
RCC
50
50
33
64
70
斜坡
平台
斜坡
平台
斜坡
平台
斜坡
层面
f′
1.00
1.10
1.05
1.15
1.05
1.10
1.00
1.1
c′（MPa）
0.60
1.10
0.75
1.20
0.75
1.10
0.60
1.0
溢流坝段基础面较平，坝体断面变化不大，故取单宽按常规方法计算。
岸坡上的挡水坝段，基础面高差大，坝体断面变化也大，故取整个坝段计算其稳定，采用“等K值法”，即根据基础面变化情况分成若干（偶数）计算块，如图3所示，
图3坝体“等K值法”稳定计算示意图
从高程较高处往下分别用“等K值法”分析每二块的稳定安全系数Ki，然后以AI加权平均计算出整个坝段的安全系数K，若不满足要求，则开挖平台来满足。
该法计算公式为
式中i——计算块编号，i=1，2……；
fi′——基础面、坝体层面抗剪断摩擦系数；
c′i——基础面、坝体层面凝聚力（MPa）；
Wi——计算块计算断面以上的全部垂直作用荷载（除扬压力）；
Pi——计算块计算断面以上的全部向下游的水平作用荷载；
Ai——计算块计算断面面积（m2）；
Ui——计算块计算断面上的扬压力；
αi——计算块基础面倾角；
Ki′——坝段抗滑稳定安全系数；
K′——坝段抗滑稳定安全系数。
基础面抗滑稳定计算成果见表2。
挡水坝段坝体层间抗滑稳定计算成果见表3，沿基岩缓倾角结构面的抗滑稳定可满足规范要求，不详列。
为了安全，用遇7度地震烈度时对坝体稳定进行复核，满足规范要求，结果从略。
表2各坝段基础面抗滑稳定安全系数
K值坝段
①
②
③④
⑤
⑥
基本组合
4.04
3.35
3.65
3.28
4.74
特殊组合
3.60
3.00
3.42
2.97
4.02
表3挡水坝段坝体层面抗滑稳定安全系数
K值高程m
79.00
103.25
115.00
153.75
168.00
基本组合
3.21
4.14
4.75
12.44
65.83
特殊组合
2.82
3.61
4.03
7.88
17.58
表2、表3中，基本组合：
正常水位水压+扬压力+自重+泥沙压力；特殊组合：
校核洪水位水压+扬压力+自重+泥沙压力。
5应力分析
确定坝体断面时，仍采用常规的材料力学方法计算应力，取单宽进行分析，计算结果见表4。
亦对遇7度地震时进行过复核，坝体应力满足要求，结果从略。
表4材料力学方法计算坝体应力成果
坝段
部位
荷载
组合
垂直应力（MPa）
坝趾基础面主应力（MPa）
上游坝面
下游坝面
①
高程130
（基础面）
（1）
0.30
0.64
1.00
（2）
0.03
0.88
1.37
高程
166.75
（1）
0.31*
0.21
（2）
0.13*
0.39
②
高程83
（基础面）
（1）
0.34
1.54
2.41
（2）
0.04
1.71
2.68
高程
115
（1）
0.68*
0.90
（2）
0.44*
1.15
③④
高程68
（基础面）
（1）
0.35
1.80
（2）
0.10
1.86
高程
115
（1）
0.66*
0.91
（2）
0.51*
1.07
⑤
高程78
（基础面）
（1）
0.34
1.64
2.57
（2）
≈0
1.78
2.78
高程
115
（1）
0.68*
0.90
（2）
0.44*
1.15
高程138
（基础面）
（1）
0.30
0.49
0.77
（2）
0.03
0.73
1.14
⑥
高程
168
（1）
0.23*
0.29
（2）
0.06*
0.45
注：
a.
（1）为基本组合，
（2）为特殊组合。
b.*为不计扬压力时的坝面主应力，皆可满足：
δ≥0.25γH的要求。
c.除注明外皆计扬压力。
岸坡坝段①、②、⑤、⑥由于基础面高差大，其受力情况为三维问题，故选取⑤坝段为代表进行三维有限元应力分析。
（1）主要计算条件
水压力、扬压力及泥沙荷载为一次加载；自重则根据施工安排分5次施加；考虑相邻坝段的作用；荷载组合为一种基本组合（正常蓄水位）及二种特殊组合（校核洪水位及7度地震）。
（2）应力控制标准
鉴于目前我国规范中尚未规定用有限元法计算坝体应力时的控制标准，为了评判计算结果，一是控制帷幕线处σx（水平正拉应力）；二是将64m长的⑤坝段分成三个坝段长约20m的常规坝段，用同样方法进行计算，将其结果进行对比。
因为在已建工程中，不少类似的岸坡坝段在良好的运行着，坝段长度在20m左右，岸坡坡度亦在40°左右。
（3）计算结果
在基本组合情况，帷幕线处σx（拉）除个别地方受基础面影响（突变）大于0.3MPa外，其余皆在0.3MPa以内，可满足要求；对分成三个常规坝段中，将高度居中基础面平台所占比例与⑤相近的一个（称⑤-2）与⑤坝段进行对照。
比较二者基础面上应力分布情况：
第一，主拉应力区占的面积及强度大小⑤-2比⑤坝段不利；第二，上、下游方向同量级拉应力相对平均分布宽度（拉应力分布宽度/平均坝底宽）⑤-2比⑤大；第三，垂直应力（拉）及水平正应力（拉）的分布（即上述二种比较），总的说来⑤-2比⑤不利。
鉴于已建工程中，类似⑤-2的坝段都在安全的运行着，说明⑤坝段的应力并不存在异常的情况，其应力分布情况是可以接受的，即坝体是安全的。
6坝体分缝
工程实践中国内外部份RCCD坝体分缝情况如表5所示。
国内外已建或拟建的RCCD中往往不设纵横，不设或少设横缝。
6.1不设横缝
例如，美国521m长的柳溪坝、814m长的上静水坝，我国122.5m长的坑口坝及149m长的龙门滩坝等。
一些坝，尤其是国外，在运行中产生不同程度的横向裂缝并引起渗漏，如上静水坝，12条贯通上、下游的裂缝，粗估裂缝间距75m。
6.2短间距横缝
类似CC重力坝，例如日本岛地川、玉川等坝，间距15m，这与他们采用“金包银”防渗方式不无关系，同样，我国铜街子坝亦用这方式防渗，70.8m长分四个坝段。
横缝过多，影响了施工进度，与RCC筑坝技术优越性相矛盾。
6.3长间距横缝
长间距横缝是指与CC重力坝比较而言，例如在30m以上者，美国大鹿溪坝，平均间距73m，西班牙圣尤金娜坝，间距40m，澳大利亚科普菲尔德坝，坝长340m，分四个坝段，其中溢洪道坝段长100m，出现了贯穿上、下游的横向裂缝。
鉴于上述工程实践经验，通过计算分析，棉花滩RCCD决定不设纵横，但设置横缝，横缝间距如前述，这是基于下述分析：
设短间距横缝是比较稳妥的，产生裂缝可能性小，但其不足之处也是明显的；而横缝间距过大，如果超过100m，或不设横缝，则产生贯穿性裂缝的可能性很大，不仅工程实践证明了这一点，我国有关单位从理论上也证明了这个事实，因此，横缝间距控制在100m以内。
考虑下列几个因素后，棉花滩横缝间距采用33~70m。
1）地形地质条件
本工程未有特别不利的地质构造，主要考虑地形条件，两岸岸坡较陡，在地形突变处设置横缝。
表5国内外若干已建和在建RCC重力坝分缝情况
序号
坝名
国别
完成年份
坝高（m）
底宽（m）
坝顶长（m）
分缝情况
运行情况
纵缝
横缝间距（m）
1
岛地川
日本
1980
89
77
240
不分
15
未发现上游坝面贯穿缝
2
柳溪
美国
1982
52
41.6
521
不分
不分
没有出现贯穿RCCD坝体的明显裂缝,内部测仪表明蓄水后靠近基础处开始出现裂缝,但未延伸穿过坝体,表明由于非粘结性模板复盖未发现裂缝。
3
密尔顿
英国
1982
25
123
不分
诱导缝
不详
4
科普菲尔德
澳大利亚
1984
40
36
340
不分
3条横缝,其中有一坝段最大间距100m（溢洪道）
溢流坝段中部出现一条贯穿上、下游横向裂缝
5
中福克
美国
1984
38
37.8
125
不分
上游坝面采用常规混凝土板厚30cm面上每隔4.6m设一垂直诱导槽，槽内填弹性止水材料RCC不分缝
6
盖尔斯威尔
美国
1985
51
40.8
291
不分
同上，诱导槽间距3.6m
施工期产生7条贯穿上、下游的裂缝
7
坑口
中国
1986
56.8
42.5
122.5
不分
不分
未发现贯穿整个坝段的横向裂缝
8
蒙克期维尔
美国
1986
48
36.0
671
不分
下部分隔12m设带止水诱导缝上部间距36m
溢流坝段上的分缝向下扩展到下部，在3.6m间隔分缝后无裂缝
9
上静水
美国
1987
87
55.7
814
不分
不分
蓄水后发现12条上、下游贯穿坝体的横向裂缝，间距约75m
10
玉川
日本
1987
103
100
441
不分
15
未发现上、下游贯穿坝体的横向裂缝
11
奥利韦特
法国
1987
36
255
不分
不分
蓄水后发现3条上、下游贯穿坝体的横向裂缝，其中1条在坝轴线中部，其余在其两侧各1条距离约80m
12
大鹿溪
美国
1988
76
61.8
786
不分
9条横缝分成10个段，其平均间距73m，有一个最大坝段长91m
未发现上、下游贯穿坝体的横向裂缝
13
圣尤金娜
西班牙
1988
83
65
310
不分
40
同上
14
铜街子
中国
1990
82
67
70.8
不分
4个坝段间距16~21
15
龙门滩
中国
1989
57.5
149
不分
不分
已蓄水，尚未发现上、下游贯穿坝体的横向裂缝
16
天生桥二级
中国
1990
58.7
54.5
470
不分
15.2~20.0
尚未发现上、下游贯穿坝体的横向裂缝
17
岩滩
中国
1991
110
72.5
498.5
不分
20
2）坝体构造条件
本工程溢流坝段断面与非溢流坝段断面差别较大，其交接处设置横缝。
3）施工条件
坝体高程105m至120m部位，填筑面积超过7000m2，比其它高程的填筑面积大得多，按此面积来配置RCC拌和及填筑设备显然是不合理的，因此在大坝中间，即溢洪道坝段中间设置分仓浇筑用的横缝。
4）温度控制条件
大坝最大底宽84.5m，横缝间距小于坝底宽，基础浇筑块温度应力均满足要求。
5）坝体应力条件
从前述应力分析结果看，选定的横缝间距是合适的。
7防渗结构
由于RCCD碾压层面多，且因种种原因导致结合不良，成为坝体渗漏通道，这已是由一些工程压水试验及运行观测结果证明了的事实，因此，在工程实践中一方面采取种种措施来改善层面的结合条件，但又带来费用增加及影响施工进度，故另一方面研究在坝体上游面采用集中防渗型式，使之既可满足坝体防渗要求，又施工方便，还可使坝体RCC在满足强度和稳定前提下，进一步减少内部RCC的水泥用量及简化温控措施和施工工艺。
在工程实践中，于坝体上游采用的防渗结构有以下几种：
（1）沿坝体上游面浇一层不同类型混凝土：
浇一层CC，即“金包银”（日本岛地川、玉川，我国铜街子等）；设预制混凝土板（美国盖尔斯威尔，我国龙门滩等）；设轻型空格模板，再填混凝土。
（2）坝体上游面填筑一层二级配富灰RCC，美国柳溪坝及我国荣地坝、普定重力拱坝等。
（3）上游坝面外设防渗层。
坝面与预制混凝土模板之间设防渗膜（美国温彻斯特，墨西哥特里戈密等）；坝面与预制混凝土模板之间设沥青砂浆防渗层（我国坑口坝）；坝面涂刷高分子聚合物涂料防渗等。
总结分析国内外工程实践后，棉花滩RCCD决定采用上游坝面集中防渗型式，并重点比较了填沥青砂浆及二级配RCC二种型式，前者的优点是与坝体施工不干扰，施工较简单，特别是有实践经验，除坑口坝采用过外，从50年代至80年代用此法作为高坝上的补漏措施，例如70年代用于129m高的湖南镇梯形坝上补漏，运行效果良好，但不足之处是要有专门设备，施工机械化程度低，高温下灌注沥青劳动条件差，质量不易保证等。
而二级配RCC防渗措施早在1987年上静水就使用过，但胶凝材料用量较大，我国荣地坝也用过，但用了一些辅助措施，施工较复杂，近年完工的普定坝，成功地采用这种型式，结构比较简单，胶凝材料仅用188kg/m3（水泥85kg），并根据水头来确定其厚度比较合理。
实践表明客观存在的优点是与坝体RCC同时施工，施工设备及工艺相同，施工方便；施工条件较好，故质量易保证；根据水头来确定厚度，保证防渗效果。
为此，棉花滩RCCD决定采用这种防渗型式。
具体做法见图2和图4，二级配RCC防渗层厚度用1/15水头来控制，初定胶凝材料200kg/m3（水泥85kg），标号为R180200S8,高程143m以上为等厚2.0m，以下则以1:
0.0667坡度直线变化。
8混凝土设计
根据坝体不同部位的受力情况及使用要求而定出的混凝土分区及标号如图4所示，其中RCC设计技术指标见表6。
图4溢流坝段混凝土标号分区
表6RCC设计技术指标
标号
抗压
（MPa）
抗拉
（MPa）
极限拉伸
ε
抗渗
S
抗冻
D
抗剪指标
极限
水胶比
强度
保证率
f
C（MPa）
R180200
20
1.6
S8
D50
0.6
85%
R180150
15
1.3
≥0.75×10-4
S4
D
1.1
>1.0
0.6
85%
R180100
10
≥0.7×10-4
S4
D
1.1
1.0
0.6
85%
根据设计技术要求进行试验而推荐的满足要求的RCC主要配比情况如表7所示。
表7设计推荐的RCC配合比参数表
标号
级配
水胶比
粉煤灰
掺量（%）
材料用量（kg/m3）
水泥品种
水
水泥
粉煤灰
砂
石
200#
2
0.495
57.5
99
85
115
796
1354
永安525#
150#
3
0.56
59.4
89
70
100
710
1511
龙岩425#
100#
3
0.64
60.7
89
60
90
717
1542
龙岩425#
注：
①粉煤灰为永安火电厂静电回收干灰；②三级配：
大、中、小石=3：
4：
3；③二级配：
中、小石=1：
1
RCCD中廊道等孔洞对RCC施工干扰极大，设置钢筋后尤甚，必须有妥善的解决办法。
棉花滩在设计中准备采用普定工程中试用过的办法，即有一种“变态混凝土”，将孔周一圈RCC在现场再加入砂浆（可在现场拌制）后改用振捣器振实，将其变成CC施工方法，这样，既解决了布筋问题，又不用另外拌制CC。
9温控措施
按施工进度安排，本RCCD分三个低温季节（10月下旬至来年4月中旬）填筑，根据由各种情况产生的温度应力计算结果表明，除因遇寒潮引起的表面温度应力超过同龄期的混凝土抗拉强度外，皆可满足要求，为此制定温控措施于后。
（1）坝体允许浇筑温度
据分析，RCC浇筑月份内坝体允许浇筑温度基本皆高于本月份的多年平均气温（见表8），故一般情况下无需采取专用的温控措施，只有当平均气温高于允许浇筑温度时，才须采取适当的降温措施，例如冷水拌合预冷骨料或在早晚气温较低时浇筑。
（2）坝面保温
遇寒潮侵袭时，对坝面及短时间或较长时间间歇的仓面及时复盖保温材料（3cm厚的泡沫塑料板），尤其是上游坝面及溢流面；另外，加强天气预报工作，预计寒潮来临时，适当延长拆模时间（指木模）。
为了防止由于气温年变化及混凝土内外温差引起的表面裂缝，在低温季节（11月份至3月份）对已浇的长期暴露部位混凝土表面进行保温，特别是靠近基础部位，上游面及孔洞进出口处，保温材料用泡沫塑料板、草袋等。
仓面采用喷雾或洒水冷却措施，以降低表面温度。
表8约束区坝体允许浇筑温度表（℃）
高程
68~88
（2#、3#、4#坝段）
68~112.4
（5#坝段）
88~149.4
（1#、2#、3#、4#坝段）
112.4~149.4
（5#、6#坝段）
149.4~178.0
浇筑
月份
1
2
3
4（上中旬）
10
（下旬）
11
12
1
2
3
多年平均气温
10.7
12.6
16.5
10.7
10.7
10.7
10.7
10.7
允许浇筑速度
11
注：
非约束区坝体允许浇筑温度可提高1~2℃
10可靠度分析
根据已经颁布的《水利水电工程结构可靠设计统一标准》（GB50199-94）（下称《水工统标》）的要求，我们对棉花滩RCCD进行了初步可靠度分析。
仅取挡水坝段单宽分析，计算了基本作用组合及偶然作用组合二种情况，按《水工统标》要求，坝体断面必须满足坝基面的抗滑稳定、坝趾处混凝土抗压承载能力极限状态及坝踵垂直应力控制条件的正常使用极限状态要求。
坝体可靠指标β值的计算结果见表9。
棉花滩大坝为1级水工建筑物，其结构安全级别为1级，《水工统标》中规定，在基本作用组合下坝体承载能力极限状态目标可靠指标β值为4.2，而偶然作用组合下的β值在《水工统标》中虽未作出规定，但据研究，一般可采用比基本作用组合降低0.5左右，因此，上述计算结果均大于规定值，坝体断面可满足要求。
表9可靠指标β值计算结果
控制条件
组合情况
坝基面抗
滑稳定
坝趾抗
压强度
坝踵应
力条件
基本组合
4.5785
6.9054
>5.0
偶然组合
4.2958
6.5743
升级会员 