黑河金盆水利枢纽粘土心墙坝设计

黑河金盆水利枢纽粘土心墙坝设计

1枢纽发展背景西安市黑河引水工程金盆苗圃位于离市区南沟口1.5公里处，东距西安市约86公里，北距市中心约14公里。该枢纽工程是一项以向西安市供水为主,兼顾灌溉,结合发电、防洪等综合利用的水利工程。枢纽水库总库容为2.0亿m3,有效库容1.774亿m3。枢纽建成后,每年可向城市供水3.05亿m3,提供农业灌溉用水1.23亿m3,灌溉农田2.5万hm2。坝后电站装机容量2万kW,多年平均发电量7308万kW·h。工程的社会效益和经济效益十分显著。本工程属大(2)型Ⅱ等工程,由粘土心墙砂砾石坝、左岸泄洪洞、右岸溢洪洞及引水洞、坝后电站等建筑物组成。枢纽的设计与校核洪水标准为500年一遇和5000年一遇,相应洪峰流量为5100m3/s和7400m3/s,保坝洪水为10000年一遇,相应洪峰流量为8000m3/s。枢纽区地震基本烈度为7度。水库正常高水位为594.00m,设计洪水位为593.74m,校核洪水位为598.04m。工程于1996年动工修建,计划2001年基本完建,目前整个工程正在紧张施工中。2工程地质及坝基岩坝址区内出露的基岩为前震旦系宽坪群大镇沟组变质岩,岩性主要为云母石英片岩、绿泥石片岩、钙质石英岩以及后期沿断层入侵的石英岩脉、云煌斑岩脉、斜长斑岩脉。在地形较平缓的山坡、河谷阶地广泛分布着第四系松散堆积物,岩性主要为碎块石、碎石质壤土、砂卵石等。河床覆盖层为砂卵石,厚度为8～13m,局部河床由于受条带状深河槽影响,砂卵石层厚度可达18m。坝址位于西骆峪-田峪背斜的南翼,岩层走向近东西向,倾向上游。由于主要受南北向挤压作用,东西向的断层及裂隙发育。在坝址区的大小断层约有8000多条,其中规模较大的断层有10多条,主要为层间挤压的逆断层。坝址区内近南北向的裂隙也较发育。坝基岩体分为全～强风化、弱风化及微风化岩体。河床部位岩体全～强风化带较薄,一般厚5m左右;两岸全～强风化带较厚,一般厚5～20m。3坝型大坝的确定在初设阶段,拟定了心墙坝、斜心墙坝及面板坝3种坝型进行技术经济分析,并考虑到陕西省有设计及施工石头河心墙坝的经验,经综合比较,选定心墙坝作为采用坝型。大坝坝顶高程为600.00m,最大坝高133m,坝顶宽11m,长440m。坝顶上游侧设置与心墙相接的混凝土防浪墙,墙高1.2m。大坝为1级水工建筑物,地震设防烈度为8度。大坝总填筑方量为775万m3,其中心墙土料为151万m3,反滤料为27.7万m3,坝壳砂卵石料为595万m3。3.1下坝高高地面水坡坡面积坝壳采用砂卵石料填筑。参考国内外同类工程经验并经稳定计算分析,确定大坝上游坝坡坡比为1∶2.2,在565.00m及515.00m高程各设一戗台,宽度分别为3m和5m;下游坝坡坡比为1∶1.8,在570.00m和540.00m和510.00m高程各设一戗台,宽度依次为2m、3m和3m。由于黑河大坝两岸地形陡峻,使得在两岸坡布置上坝道路困难。因此,设计将上坝道路布置在下游坝坡上,采用贴坡形式,道路宽12m,最大纵坡为7%。3.2心墙坝心墙坡比心墙采用粘性土料填筑,顶宽7m,顶部高程598.00m。在初设阶段确定心墙坡比时,拟定了1∶0.3、1∶0.2、1∶0.175和1∶0.15几种坡比,从以下三方面进行了分析比较。对坝坡稳定的影响。通过稳定分析计算可知,当心墙坡比为1∶0.3时,最危险滑弧均不通过心墙,当心墙边坡陡于1∶0.3时,大坝安全系数是不会发生变化的。因此心墙的坡比对大坝稳定无影响。渗流计算分析。大坝正常高水位情况下稳定渗流有限元分析计算成果表明,心墙坡比越缓,渗透比降越小,平均渗透比降均小于允许值,所拟几种坡比均可满足要求。工程类比。国内外心墙坝心墙坡比多数陡于1∶0.3,心墙材料多用岩石风化料、砾质土料,这些材料具有压实性能好、压缩性小、抗剪强度高等优点,是黑河心墙所用的粉质粘土、重粉质壤土难以比拟的,尤其是在压缩性方面。用压缩性大的土料填筑的心墙,其沉降比坝壳沉降大,拱效应现象较强烈,使心墙有产生水力劈裂的可能,进而引起心墙发生水平裂缝,较厚的心墙有利于防止裂缝引起的不利影响。综合以上分析,在不影响大坝稳定的前提下,采用较厚的心墙不但可减小心墙内的渗透比降,而且还可减轻因拱效应带来的不良影响,故心墙坡比定为1∶0.3。但是在两岸坡坝段,由于岸坡对心墙沉降的约束,在纵向心墙也会出现拱效应现象,可能导致顺河向的裂缝,给抗渗带来不利影响,因此为提高岸坡段心墙的抗渗能力,将坡比由1∶0.3过渡为1∶0.6。3.3坝上地区第四系统砂反滤层黑河大坝反滤层按位置和作用不同分为关键性反滤层和非关键性反滤层。下游反滤层在水库运行期间保护心墙在渗流的作用下不发生渗透破坏,在心墙因不均匀沉降或水力劈裂引起裂缝时可以自愈,防止因此而产生的渗透破坏,所以下游反滤层对大坝安全运行起关键性作用,为关键性反滤层。上游反滤层在水库水位骤降时保证心墙在承受较高的渗透压力时不发生破坏,为非关键性反滤层。根据心墙土料和坝壳砂卵石料的级配情况,经计算分析和试验将反滤层分为两层,第一层为粒径小于5mm的砂反滤层,第二层为粒径小于80mm的混合砂砾料反滤层。在满足反滤要求的前提下,考虑到机械化施工的要求,下游的砂反滤层水平宽度为2m,混合反滤层水平宽度为3m;上游的砂反滤层水平宽度为1m,混合反滤层水平宽度为2m。4水库材料和水库材料的分区设计4.1水库材料4.1.1砂卵料的使用坝壳砂卵石料场位于大坝下游2～7km范围内,砂卵石料最大粒径为400mm,含砾量为58%～89%,不均匀系数Cu为42.8～100,曲率系数Cc为0.38～5.89,基本属于级配良好的砂卵石料。根据设计规范和水工抗震规范的要求,砂卵石料的设计压实相对密度水下部位为0.8,水上部位为0.7。由于砂卵石料的级配较好,从高水围堰填筑施工质量检测成果看,砂卵石料的压实干容重平均可达到2.3t/m3。4.1.2土料设计干密度和土料压实系数心墙土料场主要有桃李坪、荞麦窝、武家庄Ⅱ、Ⅲ区等几个料场。在这些料场中,土料以粉质粘土为主,有少量重粉质壤土和砾质土。黑河土料存在的一个主要问题是天然含水量普遍偏高,比最优含水量高出约2%～4%,甚至更高。另外,土料由于成因、级配、天然含水量等方面原因,击实干密度变化较大,无法采用一个固定值,故在设计土料的干密度时,根据不同土料在标准击实试验下最大干密度的平均值确定出相应的指标值,其中粉质粘土的设计干密度为1.66～1.70t/m3,重粉质壤土的设计干密度为1.70t/m3,砾质土由于受含砾量的影响,干密度变化范围较大,填筑时按压实系数控制土料的压实质量,根据设计规范的要求,压实系数确定为0.98。从碾压试验的结果看,填土压实干密度在达到设计值时,土料的含水量变化范围很窄,基本上在最优含水量附近,因此,几乎各料场的土料都必须经过翻晒方可上坝碾压。4.1.3反滤砂和精砂砂砂比由于黑河坝址附近缺乏砂料,加之筛分砂云母含量和扁平颗粒含量高,质量不好,故反滤砂采用25km以外的渭河砂。渭河砂的主要缺点是含泥量偏高,针对此种情况,采取了洗砂和筛分工艺,混合反滤料采用砂卵石料场的筛分料。4.2坝体材料概况根据各料场筑坝材料的储量及物理力学性质,并考虑到大坝各部位对坝料在渗透、强度、变形等方面的要求,对大坝进行了坝料分区设计。岸坡范围内的心墙在基岩约束下会出现较大剪切变形,为提高心墙适应变形的能力,在心墙底部铺设一层1m厚的高塑性土料,其填筑含水量比最优含水量高2%～3%,该层为D1区,采用塑性指数较大的武家庄土料填筑。D2区的中下部填筑土料以砾质和重粉质壤土为主,中上部以粉质粘土为主,以减小心墙的沉降量。A区为第一层反滤层,采用渭河砂填筑。B区为第二层反滤层,采用下游料场的筛分料。上游坝壳分为3个区,C1区位于死水位以下,该区仅对砂卵石料在强度及变形上有要求,对渗透没有要求。C2区要求砂卵石料不但具有较高的强度、较小的沉降量,还要求有较大的渗透系数。C3区在强度、渗透方面的要求较C2区可适当降低。下游坝壳也分为3个区,由于大坝反滤料中细料含量较大,存在排水不畅的问题,故在混合反滤层下游设E1区,以加强排水,该区砂卵石料要求具有高强度、小变形和高渗透系数。E2区的要求基本同C2区一样。E3区位于坝壳内且在浸润线以上,对填筑材料的强度和变形要求较低,对渗透不作要求。下游坝趾F区为排水棱体,采用堆石料填筑。5基础处理大坝基础处理包括基础开挖、心墙基础混凝土盖板浇筑、帷幕灌浆及基础固结灌浆。5.1心墙体结构及边坡初步设计阶段,在心墙底部设有结合槽,结合槽底部开挖到基岩强风化下限。在施工图阶段,考虑到结合槽内填土应力状态复杂,加之结合槽底部渗透坡降大,容易因拱效应造成填土的水力劈裂,继而可能引起心墙渗透破坏,故取消了结合槽。取消结合槽后,将全部心墙基础开挖到基岩强风化下限,这样避免了结合槽所带来的不利影响,同时使全部心墙基础均置于弱风化基岩上,心墙底部渗径加长,从而减小了底部的渗透坡降。根据两岸地形及岩石强风化下限、规范要求及水库运行后心墙的应力状态等因素,确定左岸最陡开挖边坡为1∶0.787,右岸最陡开挖边坡为1∶1.347。开挖最低高程为466.00m,最大开挖宽度为90m。上下游坝壳基础河床砂卵石保持不动,但需清除表层淤积杂物及细砂层。两岸坡坡积层、阶地砂卵石层及松动岩块全部清除。5.2基岩裂隙的防护设置基础混凝土盖板的目的是隔离心墙土料同基岩的接触,防止因基岩裂隙造成心墙土料在渗流作用下发生的接触冲刷,同时也兼作帷幕灌浆和固结灌浆的盖板。混凝土盖板在灌浆范围(坝轴线上下游10m范围)内的厚度为1m,其余的最小厚度为0.3m。5.3坝基幕墙设计大坝基础内有10多条断层,大多为东西向发育的层间挤压逆断层,断层物质多为灰黑色断层泥、泥质角砾及岩屑等,主要断层有F5、F16、F17、F63、F15等。根据地勘资料,基岩在埋深104～80m之间,单位吸水率ω=100～10Lu,埋深在127～100m,ω=10～3Lu,埋深在127m以下,ω≤3Lu。帷幕深度是根据相对不透水层的位置确定的。按规范要求,相对不透水层是按吕容值确定的,对1级坝为3～5Lu,考虑到黑河工程为供水工程,应尽量减少水库渗漏量,故相对不透水层按3Lu控制,据此及地质水文资料确定的帷幕深度为40～105m。根据灌浆试验和规范要求确定在坝基设两排帷幕孔,排距2m,孔距2.5m,帷幕厚度3.6m,帷幕标准控制为单位吸水率ω≤3Lu。设置固结灌浆的目的是为了增加上部帷幕的厚度,从而提高靠近心墙区的防渗能力,同时增强基础岩体的整体性,以改善混凝土盖板和基岩的接触条件。固结灌浆孔布置在灌浆帷幕的上下游侧,500.00m高程以上各设一排灌浆孔,该高程以下各设2排灌浆孔,孔距3m,排距1.5m,孔深7～9m。6心墙土料施工前准备工作中的土料问题心墙土料场在可研、初设阶段经过勘探确定为金盆料场,土料以重粉质壤土为主,少数为粉质粘土和砾质土,土料成因以洪积为主。勘探和室内试验资料表明,土料除天然含水量高于最优含水量、需要翻晒外,其余指标均符合水利建材规范中的有关要求,可作为心墙土料使用。然而,在工程施工后,施工单位进行碾压试验时发现土料在翻晒过程中,易结块,土块外干内湿,且难以破碎,碾压后,土中夹杂有碎土块,土料出现剪切破坏,并存在明显的土层界面。因此,金盆土料要作为心墙土料使用,就必须解决土料翻晒中土块的粉碎问题,但是,