1、1马槽河水库工程混凝土面板堆石坝设计摘要：马槽河水库大坝，根据坝址区地形地质条件，采用混凝土面板堆石坝，最大坝高 56.80m，具有“基础覆盖层较厚、岩体中等透水和弱透水深度较大、坝后河床带结构疏松”等特点。经大量的设计研究工作，选择的坝线和坝型及基础处理措施等，较好的适应了这些特点，保证了混凝土面板堆石坝安全可靠运行。 中图分类号：TU375 文献标识码：A 1 工程概况 马槽河水库工程位于湖北省恩施州巴东县水布垭镇，为桥河流域水电开发的龙头水库，为充分利用水库形成的水头发电，在坝后设置马槽河电站，主要任务是调节流域水量分布，向下游两级电站供水发电。坝址位于巴东县水布垭镇桥河尹家坪河段，马槽
2、河水库坝址控制流域面积139.9km2，干流河道长 22.2km，加权平均坡降 21.66。多年平均流量3.11m3/s，多年平均年径流量 9821 万 m3。工程枢纽由挡水建筑物、泄洪建筑物、放水（放空）建筑物、发电厂房等组成。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程 832.30m，坝顶宽 5.5m，长 110.14m。河床趾板建基面高程 775.50m，最大坝高 56.80m。水库境内地震动峰值加速度小于0.05g，地震反应谱特征周期为 0.35s，相应的地震基本烈度小于度。 2 坝址区工程地质条件 2坝址处河道枯水面 788.70m，坝区河流流向南，河床高程787.0791.0m，较为平
3、坦顺直，谷底宽 55.065.0m，河床宽约22m（两岸为人工砌筑河堤） ，滩地高出河床 23m。两岸峰顶高程12001400 余米，相对高差 400600 米。坝区在 840.0m 高程以下两岸较为对称，左岸坡角 53，右岸坡角 55，为“”型谷，其上右岸较左岸略陡。 坝区河流较为顺直，除河谷有 814m 厚的洪冲积堆积外，两岸基岩裸露，地层岩性为三叠系下统大冶组中段薄中厚层灰岩夹泥质灰岩，为中等坚硬的类岩体，岩体承载力 24pa，满足中高坝要求。坝区岩层为缓倾上游的横向谷，构造中等发育，无延展性较好的软弱结构面。一般弱风化下限深度 522m（含第四系厚度） 。岩体透水性多介于中等透水至弱透
4、水之间，岩溶不发育。河谷两岸水系不发育，仅右岸上、下坝线之间有一条季节性小沟。两岸无危岩体，斜坡地带无第四系堆积体。根据野外地质调查和勘探资料分析，坝区存在的主要工程地质问题表现在以下几个方面： 河床第四系覆盖层较厚，基础开挖深度较大； 坝区表层构造中等发育，弱风化厚度局部较大，不利于坝基（肩）抗滑稳定； 岩体中等透水（q10100Lu）和弱透水（q110u）深度较大，增加了坝基防渗处理工程量。从坝区钻孔压水成果看，岩体透水性具有碳酸盐岩类的显著特点，岩体透水强弱的不均匀性和受构造发育程度影响的明显性； 坝后河床带均为第四系洪冲积，厚度 814m，结构疏松，抗冲刷能力差，易形成冲刷坑，对坝基和
5、两岸谷坡的稳定造成不良的影响。 33 大坝设计 3.1 坝型选择 根据坝址附近赋存丰富的石料资源，而天然砂石料缺乏，所以适合修建堆石坝和 C15 细石混凝土砌块石拱坝，再根据坝址地形地质条件，将混凝土拱坝列入比较坝型。初步设计（可研）选择面板堆石坝与 C15细石混凝土砌块石拱坝、混凝土拱坝三种坝型进行比较。 （1）混凝土面板堆石坝 混凝土面板堆石坝方案工程枢纽由拦河坝、左岸开敞式溢洪道、右岸发电放水洞、发电厂房等组成。坝区河谷带第四系覆盖层厚 814m，两岸基岩裸露，坝址弱风化下限深度 25m。地层岩性为三叠系下统大冶组中段薄中厚层状灰岩夹泥质灰岩，岩层产状 35110，为倾向上游的横向谷，河
6、谷为 U 型河谷。在正常蓄水位 827.50m 时，河谷宽高比为 2.31，左岸在 845.0m 高程附近有相对宽缓的平台，根据河谷地形，适合修建面板堆石坝。主要优点是能就地取材，溢洪道等的开挖料可以充分得到利用，不需要设置大规模的堆渣场，对工程区环境不会造成大的负面影响，可节省大量的水泥；大坝对基础的要求相对较低，对地形条件的适应性较强，基础处理相对拱坝简单；尽管坝体填筑量较大，但其填筑强度不高，施工设施和工艺流程较简单，施工基本不受天气影响，适合大规模机械化施工，工程施工期较短。其缺点是须设置岸边泄洪设施，增加了开挖工程量但因挑流落水点已远离主体建筑物，对工程本身不致造成危害。 （2）混凝
7、土拱坝。根据地形地质条件，拱坝为中厚拱坝。枢纽工程4布置简单、协调、紧凑。利用坝身溢洪道泄洪，不需另外设置岸边溢洪道，洪水标准比面板堆石坝低。主要技术问题是：一大坝对基础的高，大坝坝肩、坝基开挖工程量大，大量弃渣需要设置专门的弃渣场堆放，对环境破坏严重，环境保护，水土保持的费用增加；二混凝土拱坝所需要的中低热水泥需要从荆门水泥厂购买，运距远，混凝土单价高，混凝土施工工艺相对较复杂，因而造价高；三坝址处存在1 断层，虽然其规模较小，破碎影响带范围小，可通过局部掏挖回填进行处理，对拱坝坝型不造成根本否定，但是其对拱坝坝肩造成的影响需要通过坝肩开挖后才能真正揭示，造成工程不确定的因素增多。 （3）C
8、15 细石混凝土砌块石双曲拱坝方案 C15 细石混凝土砌块石拱坝方案的工程枢纽由拦河坝、坝身泄洪表孔、左岸放水建筑物等组成。C15 细石混凝土砌块石拱坝和砼拱坝泄水建筑物均布置于河床坝段，水流的进流条件和下泄归槽条件较好，但由于坝址处覆盖层深达 14m，抗冲性差，冲坑较深，需要修建二道坝。C15 细石混凝土砌块石拱坝可以充分利用当地丰富的石料资源，但浆砌石拱坝为人工砌筑，施工进度较慢，其施工质量控制难度和施工难度都大，所需要的工期最长。 综上分析比较，本工程采用混凝土拱坝、C15 细石混凝土砌块石拱坝和面板堆石坝都是可行的，各有所长，亦各有不足之处，但混凝土面板堆石坝的优点较为突出，技术条件相
9、对简单，投资与拱坝相比有较大的优势，因此坝型选用混凝土面板堆石坝。 3.2 坝体设计 53.2.1 坝顶高程 水库正常蓄水位和设计洪水位为 827.50m ，校核洪水位 832.04m。考虑了波浪爬高、风壅水面高及库区滑坡涌浪等情况,经计算坝顶高程由校核洪水位工况控制，坝顶高程 832.30m。 3.2.2 坝顶结构及坝坡设计 马槽河水库工程坝顶无特殊交通要求，坝顶宽取 5.5m，为减少坝体回填工程量，在坝顶上游侧设“L”形防浪墙，坝顶高程 832.30，坝轴线长 108.00m，防浪墙顶高程 833.50m。墙高 5.0m，埋入堆石 3.8m，高出坝顶 1.2m，墙顶宽 0.30m，墙底高程
10、为 828.50m，高出正常蓄水位1.00m。河床趾板建基面高程 775.50m，最大坝高 56.80m。结合本工程坝料的质量和分区以及处于高地震区的特点,经稳定计算分析后,确定上游坝坡 1:1.4，下游坝坡 1:1.3，坝体总填筑方量 25.02104m3，采用灰岩分区填筑。 3.2.3 坝体分区 根据本工程筑坝料源材料的工程特性和对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便及经济合理等要求进行分区，从上游至下游依次分为：上游铺盖区（1A） ，盖重区（1B） ，垫层区（2A） ，特殊垫层区（2B） ，过渡区（3A） ，堆石区（3B）和护坡区（P） （见图 1） 。坝体上游区坝料应具有较低的压缩性，各
11、区坝料的透水性从上游至下游逐渐增加。现分述如下：6图 1 坝体标准剖面 （！）1 区：上游铺盖区与盖重区。上游铺盖铺设在趾板和面板之上，为防渗补强区，由防渗土料与开挖弃碴填筑而成。用以在其顶部高程以下周边缝止水系统失效或混凝土面板开裂形成漏水通道后，土料起辅助防渗作用，其松散细颗粒随水流带入缝中，受垫层料的反滤作用堵塞缝隙使其自愈而恢复防渗性能。防渗铺盖顶部高程 795.50m，水平总宽度72.0m 上游坡比 1:1.4，采用粉砂质粘土填筑，设计干密度1.5g/m3。盖重区覆盖在上游铺盖之上，用来保护防渗料，防止防渗料失稳，顶部高程与铺盖一致，水平宽度 2.0m，上游坡比 1:2.5，采用开挖
12、弃碴填筑。 （2） 2 区：垫层区与特殊垫层区。垫层区位于混凝土面板的底部，为混凝土面板提供均匀而可靠的支承，并把面板承受的荷载均匀地传递到坝体中。垫层料具有低压缩性和半透水性，强度高、渗透稳定性强、对细粒具有反滤作用。 根据渗透稳定和施工工艺要求，垫层区水平宽度 3.0m，沿上游坝坡等厚填筑，在底部沿基岩接触面向下游扩大至 14.75m 宽。垫层料采用新鲜或微风化灰岩料，填筑方量 1.02104m3，最大粒径 80mm，小于 5mm的细粒含量 3550，小于 0.075mm 的颗粒含量控制在小于 7，设计干密度2.20g/m3，孔隙率17，渗透系数 110-3110-4cm/s，填筑层厚 4
13、0cm，适量洒水。 周边缝下游侧设薄层碾压的特殊垫层，采用级连续配的灰岩料，最大粒径 40mm，小于 5mm 的细粒含量 40%55%，小于 0.075mm 的细粒含量控制在小于 7，孔隙率16%，干密度2.23g/cm3，填筑层厚 20cm。 （3 堆石区 1) 3A 区即过渡层：位于垫层区与主堆石区之间，根据各坝料之间的水力过渡要求，过渡层对垫层区材料起反滤保护作用，具有较低压缩性。过渡层水平宽度从坝顶到坝基采用等宽填筑，其宽度为 5.0m，最大粒径300mm，小于 5mm 细粒含量 1530%，小于 0.075mm 的细粒含量控制在小于5，设计干密度2.19g/cm3，孔隙率18，填筑层
14、厚 40cm，洒水量81520%。 2)3B 区即堆石区：根据国内类似规模工程经验，为简化施工环节，加快施工进度，对于规模较小的工程，其堆石区可不分区。堆石区为面板坝的堆石主体，承受水荷载的主要部位，采用料场开采的新鲜、坚硬、级配良好的砂岩石料填筑，有较强的透水性。最大粒径 600mm，小于 5mm的细粒含量 5%15%，小于 0.075mm 的细粒含量控制在小于 5，填筑层厚度 80cm，设计干密度2.18 g/cm3，孔隙率19%，填筑层厚 80cm，洒水量 1520%。 3)护坡区 P：该区采用上游各区铺填中剔除的超径块石进行人工砌筑，选用粒径大体均一、颜色基本一致、表面基本平整的石块干
15、砌。 4 坝体应力应变分析 马槽河面板坝坝址处地形，地质条件较简单，且坝高低于 100m，根据砼面板堆石坝设计规范的规定，可采用经验方法和参照已建同类工程估算坝体变形。 经坝体变形分析，坝体总的最大沉降量为 263.6mm，为坝高的 0.464%相对较小，施工期沉降量占最终沉降量的 77.0%，说明坝体沉降大部分在施工期完成。考虑到坝址板后 36m 以外的堆石区的基础为砂卵石层，在清除表层砂卵石并冲振碾压后，将砂卵石层作为堆石体的基础。河床砂砾石覆盖层在密实程度、级配、承载力等工程特性与堆石坝堆石体接近，且承载力满足要求，在大坝防渗处理及对基层砂卵石层开挖并冲振碾压下，也不会产生渗透变形破坏。
16、但为了安全考虑，将大块石爆破，并冲振碾压，将坝体沉降期由 3 个月延长至 5 个月，以使坝体及河床砂砾石9层的沉降变形完成。 5 面板、趾板(高趾墙) 及接缝设计 5.1 面板设计 考虑本工程较小，采用等厚面板有利于施工，经过计算、分析面板厚度为 40.0cm，其最大水力坡降低于 200。面板总面积 7230m2，根据本坝变形特征，坝区气候条件及施工工艺，并参照国内外工程经验，对面板进行分缝分块。垂直缝间距为 10.0m，共设垂直缝 10 条，两坝肩附近的面板设张性垂直缝（左侧 2 条，右侧 2 条） ，中部设压性垂直缝（共 6条） 。面板采用单层双向钢筋，置于面板中部，每向配筋率为0.3%0
17、.4%，在靠坝头岸边周边缝附近及受拉区，面板配筋率高于中部受压区面板的配筋率，并在该范围内的周边缝和垂直缝两侧设置抗挤压钢筋。面板混凝土采用二级配砼，强度等级为 C25，抗渗等级不低于W10，抗冻等级为 F100。 5.2 砼趾板 趾板是整个混凝土面板坝防渗系统的重要组成部分,可保证面板与坝基间的不透水连接。趾板布置于弱风化中下部基岩或经过处理稳定的地基上，以防趾板产生较大的变形或滑动失稳。根据趾板所处的位置、趾板地基的地质条件和施工条件的不同，趾板的布置形式分为河床段趾板和岸坡段趾板。河床段趾板轴线平于坝轴线，趾板底面为水平面；岸坡段趾板置于斜坡上，趾板底面、等高线垂直于趾板基准线。 为使趾
18、板厚度能满足自身稳定并能起到灌浆盖板的作用，同时考虑温度应力和施工要求，趾板设计为等厚，厚度为 0.5m。趾板型式采用10“b”型，即趾板横截面上其底面线为水平线。趾板宽度按（1/101/20）水头设计，宽 4.06.0m，厚 0.5m。趾板按 20.0m30.0m设置伸缩缝，伸缩缝与面板垂直缝错开，且垂直于趾板线，局部地形发生变化处加设伸缩缝。 5.3 接缝止水 马槽河水库工程面板堆石坝坝高为 56.80m，根据 DL/T5016-1999混凝土面板堆石坝设计规范及 DL/T5115-2000混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范有关规定，结合国内类似工程经验，周边缝设 2道止水。面板张性垂直缝和
19、压性垂直缝设 1 道底部铜止水。防浪墙与面板顶部之间的接缝设 1 道止水，即底部铜止水片。防浪墙墙内设 1 道止水，并与防浪墙底止水连接。溢洪道右导墙及闸室右边墙与面板连接缝止水结构与周边缝相同。趾板伸缩缝设 1 道止水一端与周边缝止水相连，另一端埋入基岩内，构成封闭止水系统。 面板垂直缝底部止水采用“W”型铜止水，其底部为 PVC 垫片和水泥砂浆垫；垂直缝缝面采用 3mm 厚沥青乳胶，垂直张性缝顶部 V 型槽内设一 25mmPVC 棒，并以 GB 塑性填料填充，外设三元乙丙橡胶复合板保护；垂直压性缝顶部 V 型槽内设一 12mmPVC 棒，并以少量 GB 塑性填料填充，外设橡胶复合板封闭 5.4 坝体排水 为了降低坝内浸润线高程，堆石区与覆盖层接触面均采用龙嘴料场开采的灰岩料填筑，该料具有较强的透水性，下游设计采用透水性较强的堆石排水棱体，使坝体形成良好的排水通道。棱体顶宽 5.0m，上、下
