王家河水电站混凝土面板堆石坝设计与施工.docx

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王家河水电站混凝土面板堆石坝设计与施工

王家河水电站混凝土面板堆石坝设计与施工

覃建波

（宜昌市水利水电勘察设计院湖北宜昌　　　443101）

1、工程概况

王家河是清江支流支锁河上游的一条支流，全长约16km，流经牛庄乡境内的河段约11km。

从上游三条发源溪沟向下游10km的河段为工程范围，北距清江水布垭工程约25km。

王家河流域梯级开发规划报告由五峰县水利水电勘察设计室于1999年完成，《王家河水库电站初步设计报告》于2003年7月完成，工程于2006年11月开工建设，于2008年8月建成投产发电，工程总投资5303.34万元，多年平均发电量3499.47万kＷ。

h，年利用小时3273h。

王家河水电站是王家河流域梯级开发规划中的龙头水库电站，为混合式开发。

工程以发电为主，兼有防洪、养殖等效益。

电站总装机容量10000kＷ，水库总库容337.25万m3。

工程枢纽由拦河大坝、溢洪道和引水发电系统组成。

大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高60.95m，坝顶长150m。

溢洪道为岸边侧槽开敞式，位于左坝头，侧槽段长40m，校核洪水位时最大泄流量406.23m3/s；受地形、地质条件及枢纽布置限制，溢洪道与导流洞部分上下重叠布置。

引水系统布置在王家河右岸，穿过右岸山体经5050m引水至坝下游地面厂房。

电站厂房布置于王家河右岸，电站装机2台，单机容量5000kw，总装机容量10000kW。

2　坝址区工程地质概况

王家河水库及梯级电站工程场区位于长江中下游东西向构造带与新华夏系北北东向构造带复合部位，主要是区域内褶皱伴生的压扭性断裂，断裂主要定型于燕山运动，后期活动性均很弱，工程场区区域稳定条件较好。

坝址区河谷为纵向谷，岩层向左岸陡倾，倾角35—40°，无倾向下游不利结构面；基岩为茅口厚层坚硬生物灰岩，不存在软弱夹层，坝基有良好的整体性和具备较高承载力。

图1大坝平面布置图

3　坝体结构设计

3.1　坝体及坝坡

王家河混凝土面板堆石坝，坝高60.95m，坝顶长150.0m，大坝上下游坝坡均为1：

1.5，坝体总填筑方量32万m3。

工程区河床砂砾石料丰富，枢纽建筑物开挖料较少，大坝填筑料主要为上下游河床砂砾料。

由于拦河坝是建在较深覆盖层上的混凝土面板砂砾石坝，其受力特点对填筑料的抗剪强度、压缩性、渗透性，耐久性有着不同的要求，故坝体断面的设计主要原则为：

①各区料之间应满足水力过渡要求，砂砾石作为主堆石区，为保证满足自由排水要求，在坝内偏上游设置竖向排水区，沿底部设置水平排水区，将全部渗水自由排出坝体外；②充分利用枢纽建筑物的开挖石渣做次堆石；③分区尽可能简单，以利施工和填筑质量控制，最终确定坝体分为八个区域，即上游防渗区（混凝土面板）、垫层区、特殊垫层区、过渡料区、主砂砾石区、次堆石区、排水体、下游干砌石护坡组成。

坝体典型断面见图2，分区材料设计指标见表1。

3.2　垫层料

图2坝体材料分区图（坝体标准剖面）

表1坝体分区材料设计指标

垫层区

过渡料区

主堆石区

排水区

次堆石区

最大粒径（mm）

80

300

600

40

600

层厚（cm）

40

40

80

40

80

孔隙率（%）

15

19

20

21

渗透系数（cm/s）

1×10-3

1×10-1

干密度（kg/cm3）

22.5

21.5

22.0

22.0

21.5

在设计时首先考虑采用灰岩作为垫层料，主要指标：

孔隙率15%，干密度22.5kg/cm3，渗透系数1×10-3，由机械轧制筛分，垫层料要求级配连续，不允许缺任何粒组，小于5mm的含量为40%，坝料填筑时应洒水碾压，洒水量5%。

4　面板、趾板及分缝止水

4.1　面板

面板在水荷载作用下大部分区域受压，仅在坝顶和近岸处有拉应变，面板应变和堆石体变形特性有关，与其厚度关系不大，可以认为混凝土面板只要抗渗性、抗裂性和耐久性满足要求，它的柔性越大越能适应坝体变形。

王家河面板堆石坝采用变厚度面板，顶部面板厚度0.3m，底部最大厚度0.5m。

为限制面板裂缝开展，在面板中部配单层双向钢筋，面板纵横向配筋率0.35%。

4.2　趾板

趾板是面板和地基防渗结构的连接构件，其宽度确定依据基岩风化、破碎情况，允许渗透比降和基础处理措施综合确定，本工程采用4.00m等宽趾板型式，厚度在两岸为0.4m，在河床段为1.0m，趾板按单层双向配筋，纵横向配筋率均为0.35%。

4.3　分缝止水

面板压性缝只在底部设一道止水铜片；张性缝设二道止水，底部一道止水铜片，顶部充填SR填料封闭。

面板垂直缝缝面涂刷乳化沥青。

周边缝设二道止水，底部一道止水铜片，顶部充填SR填料封闭，缝间填塞12mm厚沥青木板以适应水库蓄水前面板端部的压应力集中，在850.00m高程以下周边缝上部的回填粉土用为辅助防渗措施。

整个大坝止水系统要求很好连接，以组成坝体完整封闭的防渗系统。

5　设计施工特点

王家河面板坝经优化设计，垫层料与主堆石区都采用砂砾石料，其层间过渡关系可以满足要求，而对取消过渡层进行尝试，经设计施工实践，具有自身的特点和特色，可供类似工程借鉴。

2003初步设计的组合坝，总回填方32.89万m3（其中堆石14.39万m3，砂砾石18.5万m3，）2005年优化后实施的面板砂砾石堆石坝总回填方28.079万m3（其中堆石11.232万m3，砂砾石16.847万m3，）。

优化设计特点：

（1）、本工程因开工时间紧，加之堆石备料不足，开采堆石需要时日，无法达到2006年大坝脱险目标的要求，经论证比较，在保大坝安全，充分利用当地储量丰富的砂砾石筑坝的前提下，将分区的次堆石改为由生屑灰岩回填，减小堆石用量，方便了施工，确保了工期。

（2）、由于溢洪道位置调整，开挖出大量厚层生屑灰岩，用于大坝次堆石区，因此将大坝后坡由原来设计的1:

1.5变更为1:

1.4，同时取消原设的二级马道，减小了坝体总填筑量。

（3）、采用河床砂砾料经筛分作垫层料。

原设计施工的垫层料，按常规级配曲线采用人工加工的碎石料，加工工序较多，制备难以满足施工进度需要，且单价较高。

经补充勘探试验，砂砾石经筛分作垫层料，各项物理力学指标，现场抽验结果均能达到设计要求，实践表明，用当地符合要求的经筛分的河床砂砾料替代人工加工的碎石料是可行的，也是经济节省的，且施工方便。

6　结语

（1）初步设计时趾板建在砂砾层上，在技施设计阶段，通过进一步的地质勘察，对趾板基础进行了准确的钻探，通过回填砼的方式将基础置于基岩上，确保了趾板的稳定性。

（2）采用河床砂砾料经筛分作垫层料，减少了施工工序，降低了单价，且施工方便，同时现场抽验结果均能达到设计要求，证明可行。

（3）在面板堆石坝坝体填筑中，有效利用枢纽建筑物和料场开挖的风化料，软岩料，是加快面板工程建设速度、减少工程投资、拓宽面板坝适用范围的一项措施。

面板堆石坝建设中

（1）

面板堆石坝建设中

（2）

面板堆石坝建成后全貌

王家河水库电站厂房

王家河水库电站工程综合特性表

序号及名称

单位

数量

备注

一、水文

坝址以上承雨面积

km2

68.2

二、水库

1、水库水位

校核洪水位

m

877.54

设计洪水位

m

877.03

正常蓄水位

m

875.0

死水位

m

851.0

2、正常蓄水位时水库面积

km2

0.14

3、水库容积

总库容

万m3

337.25

正常库容

万m3

293.24

兴利库容

万m3

242.79

死库容

万m3

50.1

4、库容系数

%

5.7

5、调节特性

不完全年调节

三、工程效益指标

装机容量

kw

10000

保证出力（P=90%）

kw

3142.08

多年平均发电量

万kw·h

3273.34

年利用小时

h

3273

四、征地和移民

永久征地

亩

240

迁移人口

人

23

序号及名称

单位

数量

备注

五、主要建筑物及设备

1、挡水建筑物

坝型

面板堆石坝

地基特性

茅口组厚层灰岩

地震基本烈度

度

Ⅵ

坝顶高程

m

878.95

最大坝高

m

60.95

坝顶长度

m

150

2、泄水建筑物

型式

侧堰自由溢流

地基特性

孤峰组硅质岩+龙潭煤系+茅口组厚层灰岩

堰顶高程

m

875.0

溢流宽度

m

40

最大单宽流量

m3/s·m

10.2

设计泄洪流量

m3/s

298.23

校核泄洪流量

m3/s

406.23

3、引水建筑物

设计引用流量

m3/s

4.5

进水口：

型式

岸坡深式进水口

地基特性

茅口组厚层灰岩

底槛高程

m

848.0

闸门型式

事故检修平板钢闸门

闸孔尺寸（宽×高）

m×m

1.6×1.6

4、厂房

型式

引水地面开敞式

地基岩性

大冶组薄层灰岩

主厂房尺寸（长×宽×高）

m×m×m

33.02×19.02×15.43

序号及名称

单位

数量

备注

水轮机安装高程

m

581.77

5、主要机电设备

台数

台

2

水轮机：

型号

HL100-WJ-73

额定出力

kW

5128

额定水头

m

256.0

发电机：

型号

SFW5000-4/1430

台数

台

2

额定功率

kW

5000

额定电压

kV

6.3

六、施工特性

1、主体工程数量

明挖土方

m3

37137

明挖石方

m3

61682

洞挖石方

m3

3694

回填土石方

m3

01476

干砌块石

m3

7928

浆砌石方

m3

4585

砼

m3

12238

钢筋

t

495.71

钢材（包括钢管）

t

275.4

2、施工导流

导流方式

一次围堰断流，隧洞导流

导流流量

m3/s

196

上游土石坝，下游干砌石坝

七、经济指标

1、工程总投资

万元

4939.72

静态总投资

万元

4797.62

其中：

水库淹没及其他补偿费

万元

57.88

2、经济指标

单位千瓦投资

元/kW

4647

单位千瓦时投资

元/kW·h

1.412