光照水电站碾压混凝土重力坝设计.docx

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光照水电站碾压混凝土重力坝设计

[摘要]光照水电站是北盘江干流11个规划梯级水电站中最大的水电站，是贵州省“西电东送”第二批建设项目的又一大型水电工程。

光照枢纽工程由碾压混凝土重力坝挡水及泄水建筑物、右岸引水发电系统和左岸通航建筑物三大部分组成。

招标及技施阶段将常态混凝土重力坝转为碾压混凝土重力坝。

[关键词]光照水电站、高碾压混凝土重力坝、坝体设计、碾压混凝土、配合比、基础处理、温度控制

0概述

光照水电站位于北盘江干流中游，坝址左、右岸分别是贵州省关岭县和晴隆县。

电站距贵阳162km。

光照水电站是以发电为主，其次航运，兼顾灌溉、供水及其他综合效益的水利枢纽。

水库正常蓄水位745m时，相应库容31.35亿m3，为不完全多年调节水库。

电站装机4台，总装机容量1040MW，保证出力180.2MW，年发电量27.54亿kW.h。

电站在电力系统中主要承担调峰、调频、事故及负荷备用。

光照枢纽为I等大

（1）型工程，主要建筑物为1级建筑物。

根据规范的有关规定，光照水电站为一等大

（1）型工程。

其主要建筑物大坝、泄洪系统等均为1级建筑物。

相应设计洪水标准为0.1%，相应校核洪水标准为0.02%。

1自然条件

北盘江流域属亚热带高原季风气候区，流域多年平均降雨量1178.8mm。

坝址以上流域面积13548km2，多年平均径流量81.1亿m3。

坝址区气候温和，多年平均气温为18℃，多年平均水温17.9℃。

多年平均相对湿度为82%，多年平均蒸发980.1mm，实测最大风速20m/s。

北盘江洪水主要由暴雨形成，1%、0.1%、0.2%的洪峰流量分别为：

8010m3/s、10400m3/s和11900m3/s。

坝址河谷为基本对称V型谷，岸坡地形比较完整，自然边坡角40~50。

坝址区主要分布砂页岩、灰岩、泥灰岩，岩层走向与河谷近于垂直，岩层倾向下游，倾角50~60，两岸岩石裸露。

坝址区地质结构较简单，断裂构造不甚发育，地震基本烈度为Ⅵ度。

水库不存在邻谷渗漏问题，库岸较稳定。

枢纽区无大的不良构造，断层数量不多，规模也不大，对工程建筑物有影响的主要为F1、F2两条规模不大的断层。

大坝坐落在T1yn1岩层上，坝基T1yn1灰岩岩性均一，岩体完整，力学强度较高，坝基深层滑动不是控制条件，主要是沿地基接触面的浅层滑动起控制作用。

2大坝布置设计

大坝轴线方位为N66W，坝顶高程750.50m，最大坝高200.5m，非溢流坝段坝顶宽度12m，坝体最大底宽159.05m，坝顶全长410m，共分20个坝段。

左、右岸非溢流坝段分别长163m和156m，河床溢流坝和底孔坝段长91m。

泄水建筑物由坝身3个表孔和2个底孔组成，表孔承担渲泄洪水，底孔承担水库放空任务。

表孔每孔净宽16m，堰顶高程725m，每孔设有1620m（宽高）的弧形工作闸门和平板检修门。

采用窄缝挑流消能方式，挑流鼻坎出口高程640m，窄缝收缩比为0.30，反弧半径45m，挑角-10°，设计最大泄量9857m3/s。

两个底孔分别位于溢流表孔的两侧，底板高程640m，进口段孔口尺寸为46.5m（宽高），设有检修门和事故门，出口控制尺寸为4m×6m，设置充压式弧形工作闸门。

出口采用转折导墙和斜鼻坎挑流消能方式，使水流导入河床以内，斜鼻坎反弧半径为45m，最大挑角27，最大泄量1597m3/s。

坝脚设置50m长的护坦。

3坝体断面设计及稳定、应力分析

3.1坝体断面设计

大坝基本体型设计主要措施：

（1）大坝采用富胶凝碾压混凝土材料，全高度采用碾压混凝土进行浇筑；

（2）坝上游面采用变态混凝土和二级配碾压混凝土防渗；（3）坝基面扬压力计入抽排减压效果；（4）采用最优法确定大坝的经济断面。

光照大坝不存在沿坝基深层滑动失稳问题，大坝经济断面的设计按大坝稳定条件、坝基的应力及上游坝面无拉应力条件控制，坝体任意高程的碾压混凝土层面的稳定和应力条件通过合理设计碾压混凝土配合比满足设计要求的材料强度来满足。

在坝体断面能够满足稳定和应力要求的前提下，使整个坝体的混凝土方量最小，是坝体断面优化的目标。

为使坝体结构布置简单，光照水电站大坝只对最大坝高基本剖面进行优化，不同的非溢流坝段均取相同的上、下游坝坡。

坝体基本断面为三角形，其顶点定在上游最高水位，坝体上游坝坡优化范围定为0～0.30，下游坝坡优化范围为0.5～0.9。

断面优化的参数包括上、下游坝坡和上游折坡点高程。

经优化计算，最终拟定坝体基本断面的优化参数为：

上游坝坡1:

0.25，折坡点高程615.00m；下游坝坡1:

0.75，折坡点高程为731.07m。

坝体断面优化稳定和应力约束条件应分别满足表1。

表1坝体断面优化稳定应力约束条件

荷载组合

抗滑稳定

坝踵正应力

坝趾正应力

计扬压力

计和不计扬压力

基本组合

正常蓄水位情况

γ0ψS（·）≥R（·）/γd1

yu≥0

yd≤[cb]

特殊组合

（1）

校核洪水位情况

γ0ψS（·）≥R（·）/γd1

yu≥0

（2）

正常+地震情况

γ0ψS（·）≥R（·）/γd1

yu≥-0.5

注：

表中应力单位为Mpa；[cb]为基岩允许压应力。

3.2稳定、应力分析

大坝稳定分别采取材料力学法和三维非线性有限元法进行了分析，通过光照各典型坝段坝基面的稳定与应力的计算成果表明，按材料力学法分析光照大坝最高坝段溢流坝段坝基面的抗滑稳定主要受地震特殊荷载组合控制，其它工况组合约束条件还有一定的裕度；其承载能力极限状态计算和正常使用极限状况计算均满足要求；坝趾最大压应力为6.5MPa。

按大坝典型坝段的三维非线性有限元静力和地震动力响应分析，采用弹塑性有限元来模拟光照大坝，按强度储备系数法确定光照大坝的稳定安全系数；计算表明，光照碾碾压混凝土重力坝各典型坝段的最小稳定安全系数（地震工况）均大于2.0，溢流坝段的最小安全系数为2.5，光照碾压混凝土重力坝安全储备满足要求。

碾压混凝土为分层碾压施工形成，碾压层面相对薄弱，碾压混凝土层面结合的抗剪断指标是抗滑稳定较为突出的问题。

光照碾压混凝土重力坝计算分别选择了557m～685m高程之间的15个高程面进行反演分析及室内试验表明：

不同强度等级碾压混凝土抗剪断参数的室内试验值均可满足设计要求（见表2），现场碾压混凝土试验参数目前正进行现场大剪试验，待试验成果出来后作进行一步的复核验证。

表2光照碾压层面抗剪断参数设计与试验对比表

混凝土

等级

最低层面高程

（m）

相应

坝高

（m）

室内试验参数

设计要求参数

C25

558

192.5

1.48

1.64

1.10

1.50

C20

600

150.5

1.35

1.46

1.00

1.28

C15

680

70.5

1.42

1.35

0.90

0.60

注：

（1）c的单位：

MPa。

（2）室内试验参数为层面不作处理、层间覆盖间隔时间为6h的试验值。

4坝体混凝土分区及防渗设计

光照大坝坝体按全断面碾压混凝土设计，坝体混凝土材料分为常态混凝土、碾压混凝土和变态混凝土三大部分。

根据坝体不同部位混凝土的工作条件、应力状态和施工时的气温环境等因素，坝体常态混凝土分为CⅠ、CⅡ、CⅢ、CⅣ、CⅤ、CⅥ六个区，碾压混凝土分为RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ、RⅤ五个区，坝体混凝土分区见下图1。

根据材料强度要求，碾压混凝土以高程600m和高程680m为界分为RⅠ、RⅡ、RⅢ三个区。

大坝高程710m以下上游面均采用变态混凝土与二级配碾压混凝土组合防渗；大坝高程710m以上上游面均采用变态混凝土与三级配碾压混凝土组合的三级配碾压混凝土自身防渗。

变态混凝土厚度根据大坝作用水头大小，确定高程615m以上变态混凝土厚度为0.80m；高程615m以下变态混凝土的厚度为1.20m。

为加强高水头作用下上游坝面的防裂作用，限制裂缝的发展，在上游坝面640m高程以下设置一层φ25@20×20的钢筋网。

上游二级配碾压混凝土水平宽度根据作用水头不同采用3～13m不等，以其下游边界距坝体排水孔幕的距离不小于0.3m控制，由此确保排水孔幕的排水降压效果。

为进一步加强上游防渗结构的可靠性，上游死水位以下坝面涂刷一层高分子渗透结晶型防渗材料。

根据下游最高水位，坝体下游面的防渗在高程610m以下也采用变态混凝土与二级配碾压混凝土组合防渗。

由于河床坝段坝基应力较大，并受到地基变形和约束的影响，同时还受到坝基抗滑稳定的要求，因此，对坝基垫层混凝土的强度和抗剪断参数的要求较高，考虑开挖不平整度等因素的影响，对河床溢流坝段555m高程建基面采用1.5m厚的C25-90常态混凝土垫层。

坝体混凝土分区示意图1

溢流面泄洪及底孔过流时水流流速较大，校核洪水工况下，溢流面末端挑坎最大流速可达36m/s，为了抵抗泄流时水流的冲刷作用，在底孔进出口、溢流面、闸墩与导墙的过流侧表面设置了高强度的抗冲耐磨混凝土，厚度不小于0.50m。

各区混凝土特性要求：

由于坝体混凝土体积大，施工期长，承受最终设计荷载所需的时间也长，故混凝土采用90天龄期的设计强度。

根据大坝所处地理位置、气候条件及环境等因素，结合坝体结构要求，提出坝体各分区混凝土的性能要求及其应用的部位见表3。

5坝体排水设计

坝体排水是为了拦截渗透水、减少坝体渗透压力的措施；坝体排水管布置在上游二级配防渗碾压混凝土的下游侧，自左岸到右岸形成一坝体排水幕，与上下层廊道连接。

坝体排水孔采用预埋铅直盲沟管和水平盲沟管的方式形成，竖直管孔径φ150，间距为3~5m；水平管为边长10cm的方形管，间距3.6m。

水平管和铅直管之间进行连接形成“#”字形排水管网；在混凝土碾压过程中预埋在坝内，以形成排水通道。

考虑坝体竖直排水管和水平排水管均具有排水降压能力，竖直排水管对沿着坝体水平碾压层面和施工缝面渗透水流具有导渗降压作用，但对沿贯穿性垂直向劈头缝的渗透水流的截渗作用相对有限；而水平排水管则相反，对沿垂直向劈头缝入渗的水量能够起到很好的导渗作用。

对于光照特高碾压混凝土重坝，为保证大坝的安全稳定，在大坝每道横缝止水下游侧布置φ300的排水盲沟管与坝内纵向交通廊道连接，便于当大坝横缝止水失效时上游渗透水流经排水盲沟管排至廊道达到排水降压的目的。

6混凝土设计配合比及性能

在优选原材料的基础上，进行了多种水泥、粉煤灰、不同水胶比、不同粉煤灰掺量的混凝土配合比试验研究，提出了供本工程使用的推荐配合比及性能指标。

从试验成果可见，所推荐的混凝土配合比各项物理力学指标均能满足要求，其配合比具有如下特点：

（1）用水量低——二级配86kg/m3，而且Vc值低，为3～5秒，和易性好，振捣性能好，无离析、无泌水，混凝土填充性能很好。

（2）含气量适中，在3.5%～5.0%之间，水胶比较低。

水泥用量适中，60～105kg/m3。

（3）粉煤灰用量适中90～100kg/m3，胶凝材料用量也适中，保证了混凝土的力学性能和耐久性能，各项指标均满足设计要求。

光照大坝碾压混凝土、变态及垫层混凝土推荐配合比见表4、表5。

7坝基处理设计

7.1坝基开挖及断层处理

坝基两岸岩体裸露，河床有覆盖层。

河床坝段，坝高200.5m，建基面在弱风化岩体下限，河床开挖深度约25m；岸坡坝段，随着坝高的不断降低，利用基岩的标准也可逐渐下降，两岸开挖深度在15～25m左右。

边坡坝段的基础在坝段分缝处均设置开挖平台，以利边坡坝段的侧向稳定，平台宽度3.6～7m不等。

对F1、F2断层考虑沿断层带做梯型混凝土塞，开挖宽度取断层影响带宽度再扩大2m，梯形槽边坡为上游1:

0.7，下游1:

1；开挖深度河床取5m，岸坡随坝高降低可适当减少；另外还在断层影响范围内加大固结灌浆处理范围。

7.2坝基固结灌浆

为了改善地基的均匀性，增强整体性，提高基础承载能力，减小基础压缩变形并结合坝基受力特点和地质条件等，需对坝基进行分区固结灌浆处理。

根据坝高及坝基应力应变情况将大坝坝基固结灌浆分为4个灌浆区，第Ⅰ灌浆区为660m高程以下的坝踵和坝趾上下游区域，该区承载力和防渗要求较高；第Ⅱ灌浆区为660m高程以下的坝基中部，；第Ⅲ灌浆区为660m～750.2m高程之间的岸坡坝基范围，该区承载力和防渗要求较低；第Ⅳ灌浆区为坝基范围的F1、F2断层影响带内；第Ⅰ灌浆区孔深12～15m，第Ⅱ灌浆区孔深8～10m，第Ⅲ灌浆区孔深8m；第Ⅳ灌浆区孔深25m。

固结灌浆孔按梅花型布置，间排距为3m；对在坝基面上出露的溶洞、小断层等影响范围内，需加密加深钻灌。

为提高开挖后岩体的完整性、均匀性、坝基面的质量和结石强度，光照重力坝基础均要求在有混凝土压重下进行高压固结灌浆；根据现场碾压混凝土成孔试验论证表明本工程碾压混凝土2～3天可以成孔，于是两岸坝基的灌浆设计考虑大坝碾压混凝土按3～6m为一个碾压升程形成的间歇期内在碾压间歇平台上进行碾压混凝土以下岸坡坝基的固结灌浆。

灌浆工艺采用“自上而下分段灌浆工艺”，对小于8m孔深的灌浆孔，在灌浆过程中单位注入量小于50kg/m时，通过生产性试验可行后可采用“纯压式全孔段一次灌浆工艺”。

浆液为水泥粉煤灰混合浆液，水胶比0.6一个比级，粉煤灰掺量为水泥重量的20%；固结灌浆最大灌浆压力1.2~2.5Mpa不等。

灌后评定标准：

⑴灌后岩体透水率：

1）T1yn1地层：

q≤4Lu；2）断层带：

q≤5Lu。

⑵灌后岩体声波纵波波速：

1）T1yn1为85%的测点Vp≥5000m/s；Vp≤4500m/s的测点数≤3%,且不集中；2）F1、F2断层破碎带为85%的测点Vp≥4000m/s；Vp≤3500m/s的测点数≤3%,且不集中。

表3坝体混凝土种类及指标要求表

种类

编号

混凝土

强度

等级

级

配

抗渗

等级

抗冻

等级

28d极限

位伸值

（×10-4）

28d抗压

弹性模量

（Gpa）

工程部位

碾压砼

ＲⅠ

C90-25

三

F100

≥0.75

＜30

600以下坝体内部碾压砼（低热性）

ＲⅡ

C90-20

三

F100

≥0.70

＜30

600~680坝体内部碾压砼（低热性）

ＲⅢ

C90-15

三

F50

≥0.65

＜30

680以上坝体内部碾压砼（低热性）

ＲⅣ

C90-25

二

W12

F150

≥0.75

＜30

上、下游面660以下防渗砼（低热性）△

ＲⅤ

C90-20

二

W10

F100

≥0.70

＜30

上游面660以上防渗砼（低热性）△

变态砼

CbⅠ

C90-25

二

W12

F150

≥0.85

＜32

ＲⅣ对应部位上下游面变态砼（低热性）

CbⅡ

C90-20

二

W10

F150

≥0.80

＜32

ＲⅤ对应部位上游面变态砼

CbⅢ

C90-15~25

二

其它部位及廊道、孔洞周边变态砼

常态砼

ＣⅠ

C90-25

三

W10

F100

≥0.85

＜35

坝基垫层常态砼自身体积变形（＞60×10-6）

ＣⅡ

C90-20

三

F50

≥0.80

＜32

坝顶常态砼（抗冲磨）

ＣⅢ

C28-20

三

F100

≥0.85

＜32

堰顶及底孔闸门井门槽常态砼

ＣⅣ

C28-25

三

F100

≥0.90

＜35

溢流面及导墙内部、底孔周边常态砼

ＣⅤ

C28-30

三

F100

≥1.0

＜37

底孔及表孔闸墩砼（抗冲磨）

ＣⅥ

C28-45

二

F150

≥1.0

＜35

底孔进出口及底孔表面砼、溢流面及导墙表面砼（抗冲磨）

层面

砂浆

ＳⅠ

C90-25

C25碾压砼层间结合面砂浆

ＳⅡ

C90-20

C20碾压砼层间结合面砂浆

ＳⅢ

C90-15

C15碾压砼层间结合面砂浆

注：

①混凝土设计强度等级是指按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度标准值；②90d强度指标是指按标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件，在90d龄期用标准试验方法测得的具有80%保证率的抗压强度标准值；③"△"表示可进行微膨胀混凝土研究种类。

表4光照水电站大坝碾压混凝土推荐配合比表

混凝土种类

及部位

水

胶

比

砂率

（%）

石子级配（大:

中:

小）

胶凝材料用量（kg/m3/%）

减水剂

（%）

引气剂

Vc值

（s）

含气量

（%）

备注

水

水泥

粉煤灰

砂

大石

中石

小石

RⅠ

C90-25W8F100

0.45

35:

84.5/50

703

530

455

JG-3

0.7

AIR202

20/万

3.7

4.4

畅达P.O42.5水泥

安顺粉煤灰

RⅡ

C90-20W6F100

0.48

35:

71.2/45

87.1/55

705

532

456

JG-3

0.7

AIR202

20/万

4.1

4.2

RⅢ

C90-15W6F50

0.50

35:

60.8/40

91.2/60

738

529

453

JG-3

0.7

AIR202

15/万

3.8

3.6

RⅣ

C90-25W12F150

0.45

55:

105.1/55

86.0/45

817

744

609

JG-3

0.7

AIR202

25/万

3.9

4.7

RⅤ

C90-20W10F100

0.48

55:

80.6/45

98.6/55

819

746

611

JG-3

0.7

AIR202

20/万

4.2

4.6

表5光照大坝变态及垫层混凝土设计推荐配合比表

混凝土种类

及部位

水胶

比

砂率

（%）

石子级配

（大:

中:

小）

胶凝材料用量（kg/m3/%）

减水剂

（%）

MgO

引气剂

坍落度

（cm）

含气量

（%）

备注

水

水泥

粉煤灰

砂

大石

中石

小石

CⅠ

垫层常态砼

C25-90W10F100

0.55

35:

105

133.6/70

57.3/30

674

509

436

0.7

外掺3.8%

7.254kg/m3

1/万

5.1

4.4

水城P.O42.5水泥

安顺粉煤灰

变态混凝土

C25-90W12F150

净浆配合比：

W/（C+F）=0.42，C/（C+F）=0.55，W=511kg/m3，C=669kg/m3，F=547kg/m3，

减水剂8.512kg/m3，掺量0.7%，引气剂掺量1/万，净浆掺量为混凝土体积的6%～8%。

5.9

4.5

畅达P.O42.5水泥

安顺粉煤灰

变态混凝土

C20-90W10F150

净浆配合比：

W/（C+F）=0.45，C/（C+F）=0.45，W=514kg/m3，C=514kg/m3，F=628kg/m3，

减水剂7.994kg/m3，掺量0.7%，引气剂掺量1/万，净浆掺量为混凝土体积的6%～8%。

6.2

4.6

7.3坝基防渗帷幕

光照大坝右岸和河床坝基采用封闭帷幕，左岸帷幕采用悬挂式，两岸设五层灌浆隧洞，深入山体约420m。

（1）浆液在两坝肩高处设集中制浆系统，以管路泵送至转浆站、灌浆孔。

（2）采用水泥粉煤灰混和浆液，粉煤灰为电收尘风选Ⅱ级粉煤灰；掺量为水泥重的30%。

（3）水胶比为0.7,遇大耗浆孔段直接灌注水灰比为0.5的浓浆。

（4）坝基最大灌浆压力6MPa,坝肩两岸山体内最大压力为5Mpa。

（5）大坝大于130m高水头区域采用三排帷幕，50~130m范围采用双排帷幕,小于50m水头区域采用单排帷幕,帷幕的排距为1m,孔距2m,单排孔孔距1.5m。

（6）重点处理右岸2号岩溶管道及左岸及河床坝基F1断层影响带。

7.4坝基排水

由于河床坝基是按抽排水降低扬压力的措施设计，因此，需要有有效的排水系统和可靠的抽排设施。

利用纵横方向的排水廊道，将渗漏水引向集水井并及时抽走，经常保持集水井水位低于扬压力图形所规定的限定值。

光照大坝基础排水在上游主要灌浆廊道内布置一排主排水孔外，还在河床段坝基封闭帷幕范围的五条纵向廊道和六条横向廊道内布置辅助排水孔，以形成坝基抽排水降低扬压力系统；经大坝三维渗流分析光照大坝基础排水效果满足设计及规范要求。

8大坝施工及温度控制设计

8.1坝体准稳定温度场及温控标准

经计算分析，确定大坝最低平均稳定温度为15℃，以此作为基础混凝土内部最高温度的的控制标准。

根据碾压混凝土坝的结构特征、混凝土的物理、力学、热学性能指标，结合坝址的气象条件及混凝土的浇筑方式，提出温控标准如下：

（1）基础温差

本工程基础混凝土28天龄期的极限拉伸值不低于0.7×10-4（碾压混凝土）和0.85×10-4（常态混凝土），根据《混凝土重力坝设计规范》的规定，并参照国内碾压混凝土坝的施工经验，本工程的基础允许温差见下表6。

表6混凝土坝基础约束范围内温控标准（℃）

基础约束范围

基础允许温差

稳定温度

允许最高温度

0～0.2L

常态垫层砼

碾压砼

0.2L～0.4L

碾压砼

注：

L――浇筑块的最大长度。

（2）上、下层温差

当浇筑块上层混凝土短间隙均匀上升的浇筑高度大于0.5L时，上、下层的允许温差取18℃，当浇筑块侧面长期暴露时，上下层允许温差取16℃。

（3）内外温差

拟定坝体内外温差不大于15℃，为了便于施工管理，以控制混凝土的最高温度不超过允许值，并对脱离基础约束区（坝高大于0.4L）的上部混凝土，限制其允许最高温度不超过38℃。

经计算，坝体混凝土各月允许最高温度见表7。

表7满足内外温差的混凝土允许最高温度单位℃

月份

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

允许最高温度（℃）

26.8

28.5

37.5

38.0

36.5

32.4

8.2温控防裂措施

根据计算分析，确定大坝施工各月的温控措施见表8。

表8各月温控措施表

月份

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

基础强约束区0～0.2L

☆

○

√

○

☆

基础弱约束区0.2～0.4L

△

☆

○

☆

△

其他区域

△

☆

△

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