纳子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计.pdf

第 4 8卷第 1 1 期 2 0 1 2年 l 1 月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WA T E R R 1 0 UR C E S A ND I t YD ROP OWE R T E CHN OL OGY Vo 1 ． 4 8 ． N o ． 1 1 N0 “7 ． ， 2 0 1 2 设计与研究 纳子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计 赵斌 甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 摘要 纳子峡混凝土面板砂砾石坝最大坝高 1 2 1 ． 5 m， 位于海拔 3 0 0 0 m以上的高寒地区。工程区砂砾石储量丰富， 结合当地具体情况设计坝体采用全断面砂砾石填筑， 既在高寒地区的砂砾石筑坝工程实践中做 了有益的探索， 又降 低了工程造价。文章对坝体的各区结构、 填筑材料、 设计情况进行 了较详细的介绍， 并且通过相应的试验、 计算结果 对设计方案进行 了复核验证。 关键词 混凝土面板砂砾石坝； 结构； 填筑材料； 试验； 计算 中图分类号 T V 6 4 1 ． 4 “3 文献标志码 B 文章编号 2 0 9 5 0 1 4 4 2 0 1 2 1 1 - 0 0 3 2 0 3 1工程概 述 纳子峡水 电站处青海省东北部的门源县燕麦图 呼 乡和 祁连县 皇城 乡 的交 界 的大通 河 上游 末 段 ， 是 大通河流域水利水 电规划 l 3 个梯级 中的第 4座水 电站。电站开发方式为混合式 ， 上接海浪沟水电站 ， 下连石头峡水电站 ， 水库正常蓄水位 3 2 0 1 ． 5 0 m， 校 核洪水位 3 2 0 2 ． 3 8 m。 总库容为 7 ． 3 3 x 1 0 m ， 最大坝 高 1 2 1 ． 5 m， 属 大 2 型工程 。 枢 纽 区主要 建筑 物包括 混凝土 面板砂砾 石坝 、 右岸开 敞溢洪道 、 左岸 导流洞 后改建龙抬头泄洪洞 、 左岸引水发 电系统等。其 中混凝 土面板坝为 1 级建筑物 ， 其它主要建筑物为 2级 ， 次要建筑物为 3级。电站总装机容量 8 7 M W， 多年平均发 电量为 3 ． 1 0 6亿 k W h ． 年利用小时数 3 5 7 0 h。 纳子峡工程区海拔在 3 0 0 0 m以上 ， 根据 门源 县气象站资料 ， 本地 区多年平均气温 O ． 5 ℃， 历年极 端最高气温 2 7 ． 7 。 极端最低气温一 3 4 ． 1 ℃， 多年平 均降水量 5 2 5 m m． 多年平均蒸发量 1 1 3 7 ． 4 m m， 历年 最大积雪深度 1 9 ． 0 c m． 最大冻土深度 2 0 0 c m。 年绝 对无霜 期 5 1 d 。 2天然建筑 材料 根据现场地质勘察 ， 纳子峡工程 区砂砾石储量 丰富 ， 按预估填筑方量最终选定位于坝址区下游大 通河右岸出山口 I ～ Ⅲ阶地距离坝址 0 ． 5 ～ 1 ． 9 k m的 C l 料场为大坝填筑主料场。料场产地面积为 1 ． O 5 k m ， 无用层厚度 0 ． 2 0 一 一 1 ． 0 m。 有用层开采厚度 3 ～ 9 1T I ， 有用层砂砾石储量 5 6 4 ． 8 1 万 m 3 。按 由上游至下 游 ， 由近及远的原则 ， 料场分为 A、 B 、 C、 D、 E、 F六个 区 ， 其 中 F区砂砾料基本属级配 良好 区， 曲率 系数 2 ． 0 ～ 9 ． 7 、 平均 5 ． 4 ， 不均匀系数 7 2 ～ 1 8 1 、 平均 1 5 0 。 根 据 颗 粒 级 配 实 验 ． C l料 场 砂 砾 石 料 粒 径 小 于 4 0 0 mm。粒 径 4 0 0 ～ 3 0 0 mm 占 6 ． 8 4 ％ ， 3 0 0 ～ 1 5 0 m m 占 1 0 ．9 6 ％， 1 5 0 5 m m 占 6 0 ． 7 2 ％， 5 o ．0 7 5 m m 占 1 8 ． 8 8 ％， O ． 0 7 5 m m 占 2 ． 6 ％， C 1料场砂砾石料级 配 曲线见图 1 。 根据室内实验 Cl 料场砂砾石料天然情 况下密度 2 ． 1 8 g ．,／ c m3 ， 内摩擦角为 3 3 。 ， 渗透系数 1 1 0 - 2 ～ 2 ． 5 x 1 0 - 2 e m ／ s ， 相对密度 0 ． 6 5 。 C 1 料场砂砾石料为冲积砂卵砾石层 ， 磨圆度一 般 ， 多呈亚圆状、 次棱角状 ， 现场实验表明， 砂砾石料 含泥量较低 ， 级配较好并且离散性较低 ， 是理想的筑 坝材 料 。 薜 擀 -IH 什 土 一 扯 { ll I 『 f 1 暑 L { ⋯ } l 1 _唧 L l_ } 『 jj - 一 I rfr 1 } __ ． 十 } 一L 叫 I{ I - ⋯{ t l＼I J I 1 j }I{ 1 ． 墓 { f j ll 1 1 】 { I【 1 ． I【 1 川 i 1 汪 楚 I} } 寸 ⋯ r i l o o 1 O l 粒径／ ram 图 1 C 1料场砂砾石级配曲线 3坝体结构及填筑材料设计 坝体典型剖面图如图 2所示。 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 - 0 6 作者简介 赵斌 1 9 8 1 一 ， 男， 甘肃岷县人， 工程师， 学士， 主要从事水利水电工程t 殳汁、 新能源发电工程设计。 3 2 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ 如 加 m 0 9 6 忸 酶嘟如 巢眯 七 第 l l 期 赵斌 纳 子峡混凝土面板砂砾石坝结构设计 第 4 8卷 图2 纳子峡混凝土面板砂砾石坝典型剖面 3 ． 1 坝顶 及坝坡 设计 大坝坝顶高程 3 2 0 4 ． 6 m， 宽度为 1 0 m。坝顶 上游侧设置 “ L ” 形钢筋混凝土 防 浪墙 。墙 底 高程 3 2 0 2 ． 5 m， 墙顶高程 3 2 0 5 ． 8 m， 墙 高 3 ． 3 m， 坝顶以 上墙高 1 ． 2 i n 。上游侧底部设 1 ． 1 m宽检修人行道 ， 底部翼缘与混凝土面板相接。 大坝上游坝坡 l 1 ． 5 5 ； 下游面设置 3条 3 m宽 的水平马道．一级马道以上 坡比为 1 1 ． 6 ． 一级马道以下坡 比为 1 1 ． 5 5 。 3 ． 2 坝体分 区及填筑材料设计 1 壤 土铺盖 区 1 A 壤土铺盖顶部高程 3 1 3 5 ． 0 m， 顶宽 3 m， 上游坡 1 1 ． 7。 2 盖重 区 1 B 用建筑物开挖任意料填筑， 顶部高程 3 1 3 5 ． 0 m， 顶宽 5 m， 上游坡 比 l 2 ． O ， 以保护砂壤土铺盖不受破 坏 。 3 垫层区 2 B 垫层设计水平宽度 3 m， 等宽布置。 考虑坝址区 位于严寒地区， 为防止面板的冻胀破坏 ， 垫层料需具 有一定的透水性 。根据对 C l料场 F区砂砾石料分 析 ， 将 天然级配中的大于 8 0m m的粒径筛 除 ， 剩余 料粒径小于 5 m m的颗粒含量 3 5 ． 1 6 ％ ～ 3 8 ． 3 0 ％． 粒径 小于 0 ． 0 7 5 m m 的颗粒 含量 为 2 ． 5 6 ％～ 5 ． 0 2 ％．如 图 3 所示 。从级配 曲线看， C l 料场 F区砂砾石料直接筛 除掉 大于 8 0 mm的料后整体级 配基本满足垫层料 的要求 。因此垫层料采用将天然砂砾石料大于 8 O mm粒径筛除后直接使用的方案。 垫层料最大粒径 8 0 mm，粒径小于 5 mm的颗 粒含 量 3 0 ％～ 4 5 ％，粒 径 小于 0 ． 0 7 5 mm 的颗 粒含 量 小于 6 ％， 干密度不小 于 2 ． 3 0 g ／ c m。 ， 相对密度不小于 O ． 8 5 ， 渗透系数为 k ] x l 0 - Z - k 2 x l O - 3 e m／ s 。 j { 。 I ； I 1 ⋯ j } { I I I l f l 垫 ． 七 { 线 F f 线 l 上 一 u ‘●‘I J ⋯ l } l I 1 【 I j I l i i } l J ⋯ } ． l I ⋯ I l I l ’ 一 士 一 ； 、D f F l l ＼{ l 、 l { l 湃 { k l 、 l I I l l l I{ } r j I - { I 、 l j 、 、 一 一 - ＼ ’ 、 l l l f I l l l } } } 1 o o 1 O l 粒径／ m m 图 3 垫层料要 求级 配上 、 下包线及 天然 料筛除大于8 O mm后级配曲线 4 砂砾石 区 3 m 该 区位 于 垫 层 料 与 排水 体 之 间 。 顶 部 高 程 3 2 0 2 ． 5 I T l ， 宽 3 ． 0 m， 上下游坡度随垫层及排水体变 化而变化 ， 底部高程 3 0 8 3 ． 1 0 i n 。根据坝料试验研究 成果，认为本区直接采用天然砂砾石料能够满足与 垫层料之间水力和变形模量过渡的要求。3 B 1 级配 上 、 下包线及天然料级配曲线如图 4所示。 3 B 1料最大粒径 4 0 0 0 m m，粒径小于 5 m m的 颗粒含量 1 6 ％～ 2 8 ％，粒径小于 0 ． 0 7 5 m m的颗粒含 量小于 6 ％， 干密度不小于 2 ． 2 8 dc m ， 。 相对密度不小 于 0 ． 8 5 ， 渗透系数为 k l O 之c m ／ s 。 5 排水体区 3 F 排水体区分为竖 向排水及水平条带排水 ，竖向 排水顶部高程 3 2 0 2 ． 5 m， 水平宽 3 ． 0 m， 上下游坡分 3 3 ∞ ∞ 加 ∞ 蚰 ∞ 如 加 m 0 9 6 ＼ 丑 嘴卿姐 巢 、 f ， 2 0 1 2年第 1 1 期 甘肃水利水电技术 第 4 8 卷 “ l 皿 咖 缸 球 ．1 L L i L J r 卜 一 { 肄 十 ．1 1 上 包 线 I l ，f l1 1 下包线 I f {} ● 』 } { ． - f I I l 1【 一 上 } l 广 t 一 1 什一 二 I } r [ j l 【 { J l j 】 ； 一 丰 } 一 ； 一 二 二 ] I I I 【 I i r ’ 竹 一 一一 l 『 卅 ． I L 』 f L ～ 1 十 i f j m l ～ 1 1 { I l l l l O o o l o o 1 O l 粒径／ m m 图 4 3 B 1料要求级配上 、 下包线及天然料级配 曲线 别按 l 1 ． 1 和 1 1 ． 0沿高程渐变 ． 高程 3 0 9 5 ． 8 m处与 水平排水相接 ； 水平排水分为 4个条带， 每个条带宽 1 0 ． 0 m、 高 4 ． 0 m， 条带之间相间 l 3 ． 5 m； 下 游坝坡 3 0 9 9 ． O 0 m高程设排水棱体 ，排水棱体顶宽 3 m， 内 坡 1 1 ． 0 ， 外坡 l 1 ． 5 5 。 竖 向排水料采用天然砂砾石料场筛 除小于 5 mm颗粒 的料 场砂砾 石 ，干 密度不 小于 2 ． 2 0 d m ， 相 对密度不小于 0 ． 7 5 ， 渗透系数 k l O ～ c m ／ s 。 水平条带排水采用建筑物开挖石碴堆存料 ， 排 水料要求最大粒径 4 O 0 m m， 粒径小于 5 m m 的颗粒 含量 不大 于 1 5 ％， 粒 径小 于 0 ． 0 7 5 mm 的颗粒含 量 不 大于 5 ％， 级配连续 ， 干密度不小于 2 ． 2 0 d m ， 孔隙率 不大 于 1 9 ． 1 ％， 渗透 系数 k l O ～c m ／ s 。 6 砂砾 石 区 3 B 2 该 料 区是 大坝 的 主料 区和 主要 承 载结 构 ， 排 水 体下游均为该区。 采用天然砂砾料填筑。3 B 2最大粒径 4 0 0 m m， 粒径 小 于 5 mm， 颗粒含 量 1 6 ％～ 3 1 ％， 粒 径 小 于0 ． 0 7 5 m m 的颗粒含量小于 8 ％． 干密度不小于 2 ． 2 5 g ／ e m ， 相对密度不小于 0 ． 8 0 ． 渗透系数 k l O 之c m ／ s 。 7 下游护 坡 由于下游坝体为砂砾石填筑 ． 抗震能力低于堆 石 料 ， 因此后 坝坡设计 上缓 下陡 一级马 道 以上 设 置 为 1 1 ． 6 ， 护坡 采用浆砌石 ； 一级 马道 以下设 置 为 1 1 ． 5 5 ． 护坡采用于砌石 厚度均为厚度 6 0 c m。 4坝料试验及坝体计算 4 ． 1 坝 料渗 透试验 为了解各 区坝料的渗透稳定性及各区之间的水 力过渡情况 ， 专门进行了坝料渗透试验 。试验结果 表明， 各 区的坝料渗透参数 良好 ， 满足设计要求 ； 在 各 区组合渗透时， 坝料临界坡降均有所增大 ， 垫层一 砂砾石料层 3 B 1 一 排水体之间满足水力过渡稳定要 求 ， 相互满足反滤要求 ， 不需要增设反滤或保护层 试验 中排水体上 、 下游测压管数值基本相 同． 说明排 水体对渗透水头损失影响微弱 ， 透水性 良好。 4 ． 2 填筑材料力学特性研究 为了解筑坝各区料的力学特性 ，对主要筑坝材 料进行了相对密度试验、 大型压缩试验 、 大型静力三 轴剪切试验和大型动力三轴试验。试验级配采用相 似级配和等量替代混合法进行。根据试验成果 ． 工 程坝体筑坝材料力学指标较高 ，是较理想的筑坝材 料。 4 ． 3坝体渗 流稳 定有 限元分析 根据设计方案及试验参数 ，对大 坝体和坝基 的渗流场及其渗透稳定性进行 了三维确限元计算 ， 模型采用基于多孑 L 介质的渗流理论 的等效连续介质 模型。 计算结果显示 混凝土面板的渗透坡降较大、 能 够消减总水头 8 0 ％左右 ，坝体其他料区的渗透坡降 均较小 ，坝体各料区的最大渗透坡降均小于材料的 允许渗透坡降，可以满足渗透稳定要求。条带式水 平排水体较全断面通铺方案坝体浸润面略有抬高 ， 但仍在水平排水体高程之内， 并不影响排水效果 ， 对 整个渗流场的影响也是微小的。 4 ． 4 坝 体静 动力有 限元分 析 采用三维非线性有限元静动力分析计算 ，仿真 大坝填筑和水库蓄水过程．研究大坝在施工期和蓄 水期的变形和应力特性 ，以及强震作用下的地震反 应特 性 。 根据三维静力分析 ，竣工期 坝体 的最 大沉降 为一 8 0 6 m m，约占最大坝高 包括覆盖层厚度 的 0 ． 6 7 ％； 蓄水期 ， 坝体的最大沉降为一 8 2 1 m m， 约 占最 大坝高的 0 ． 6 8 ％ 从应力水平分布来看 ， 坝体各断面 的应力水平均不高 ， 在 0 ． 2 0 ～ 0 ． 8 5范围内， 坝体内没 有 出现明显的剪切破坏区，表明坝体在当前荷载情 况 下是稳 定 的。 根据三维动力分析 。 在 5 0年超越概率 1 0 ％Z向 地震作用下 ，坝体的最大剪应力反应为 2 4 1 k P a ． 坝 体各单元不会产生动力剪切破坏。坝体的地震永久 最大沉降为 5 2 2 m m， 约为坝高的 0 ． 4 3 ％。地震期间， 坝顶下游坡安全性基本满足要求。 5结论 1 为了充分利用纳子峡坝址 区丰富的砂砾石 料源 ， 在总结以往设计经验的基础上 ， 对纳子峡整个 坝体均采用天然砂砾石填筑的设计 ，既在砂砾石筑 坝的工程实践中进行了有益的探索 ，又降低大坝的 造价 ， 取得了良好的技术、 经济效益。 2 在 大坝坝体设计 中 ， 采用 下转第 4 8页 ∞ 印 加 ∞ 如 ∞ 如 加 m O 2 0 1 2年第 1 1 期 甘肃水利水 电技术 第 4 8 卷 排放高浓度尾水 8 7 ． 2万 m ] 。 5 ． 4高浓度尾水处理工程 浓缩水处理是淡化水项 目的关键问题 ， 可通过 回注地下 、 蒸发 、 渗漏和汛期洪水排放的办法进行处 理。具体措施为 ①打 1 0 0 0 m左右深井 2眼， 通过 加压方式将部分 尾水 注入地下 ，按照每井 日处理 l 0 0 0 I T 1 0 计算 ， 年 可处理 3 6万 m 0 ， 浓缩 水 回注地 下是 国际上 目前普遍采用的方法 ， 相对 比较可靠 。 ②在环江左岸成长沟修建小型水库一座，将剩余 5 1 ． 2万 m ， 浓缩水注入其中。 汛期随大洪水排放不超 过 1 O万 m ， 再通过土壤少量渗漏 2万 m ， 其他不足 4 0万 I I 1 的浓缩水将通过蒸发变为干物质 ，定期收 集作为商业用途 ， 或者按照垃圾填埋标准进行填埋。 ③蒸发。洪德至庆城段年降雨量为 4 0 1 m m， 蒸发量 为 l 0 1 7 m m． 每年 可 蒸 发 6 0 0 m m， 因此 4 0万 m 的 浓缩水需要 0 ． 7 k m 左右的土地面积。 成长沟位于马 坊 川 沟 口下 游 1 ． 5 k m处 ， 流 域 面 积约 1 5 k m 2 ． 其 中 主沟长度约 5 k m ， 沟 口高程 l 2 5 5 m， 沟上下游高程 差约 7 0 m。 沟底宽约 1 5 0 m， 沟内较平 ， 利于蒸发。 为 了能够满足蒸发需要 ， 在沟口建 0 ． 5 k m 的蒸发池。 马莲河上游苦咸水淡化工程预定处理规模为每 天 7万 t 。 在 内陆地区 尚无这样大的规模 。 同时 ， 马 莲河苦咸水处理毕竟不同于一般 的海水淡化 ， 主要 表现在河水 的含沙量较大 、不同季节含盐量也不一 样 、 水中悬浮物和细菌对淡化膜有较大影响 、 为了减 少高浓度尾水排放量 ，要求的处理程度高达 9 0 ％以 上 ，所有这些 ，都直接影响苦咸水淡化工程的可行 性。因此 ， 为了保证项 目的顺利实施 ， 去年底 ， 庆阳 市按排了 3 0 0万元的专项经费 ，先期开展规模较小 的中试实验 ， 以便取得相应 的设计参数， 并最终确定 淡化工艺和避免将来工厂运行中可能出现 的问题。 根据艾奕康环境设计有限公司 上海 试验 ， 初步取 得的数据分析 ， 马莲河苦咸水完全可以淡化利用 ， 运 行成本处于可以接受的范围内。 6结论 与建 议 庆阳市正在建设国家大型能源化工基地 ．水资 源已成为区域社会经济发展的主要制约因素 ，在不 考虑流域调水的前提下 。要满足区域社会经济发展 的需要 。 必须实现对马莲河的综合开发和利用 ． 而对 马莲河上游苦咸水的治理和利用是实现马莲河水质 全面改善和综合开发利用的基础。 为了顺利的实现苦咸水资源的开发利用 ，需要 国家和地方政府加大投入 。 给予政策和财政支持 ， 建 设投资应采取受益户为主、 国家扶持的方式。同时， 马莲河上游苦咸水 的治理改善了全流域水体环境 ， 可以申请政策、 水价等方面的优惠。 上接 第 3 4页 大量 的试验 、 计算对坝体结构设计 进行指导和验证 ， 各方面均表明大坝 的总体设计是 合理可行 的。 3 目前在海拔 3 0 0 0 m以上的高寒地区， 百米 级混凝土面板砂砾石坝的设计经验并不丰富 ， 纳子 峡大坝的设计 、 施工为类似地区今后的建设提供了 经验 。 参考文献 [ 1 ]蒋国澄， 傅志安， 凤家骥． 昆 凝土面板坝工程[ M] - 武汉 湖 北科学技术 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ]中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会． 中国混凝土混凝土堆石坝 2 0年[ M] ． 北京 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]曹克明， 汪易森． 混凝土面板堆石坝[ M] ． 北京 中国水利 水电出版社， 2 0 0 8 ． [ 4 ]宋永杰， 袁辉． 黑泉混凝土面板砂砾石坝设计[ J ] ． 西北 水电， 1 9 9 7 ， 1 5 1 1 2 ～ l 4 ． [ 5 ]汪洋， 曲苓． 乌鲁瓦提砂砾石面板高坝渗流控制的设 计[ J ] ． 水利水电技术， 2 0 0 0 ， 3 l 1 6 6 7 0 ． 上接 第 4 5页 图 4已建堤 防基础外露 4建 议 1 建议计算每个断面的平 、 斜冲值 ， 选取冲刷 深度计算值时均以斜冲结果为依据。 2 采用斜冲计算公式时对夹角 的取值应依 据主河槽分析选取 ，不应按照设计堤线是否平顺而 区分平冲 、 斜冲段。 3 参照工程区附近相近河段已建堤防工程运 行现状 ，原设计基础埋深值是否在运行过程中满足 堤防运行要求， 在设计中需充分考虑。