长江委60年水工设计创新回顾

第４１卷第４期２０１０年２月　　人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　　Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．４Ｆｅｂ．，２０１０收稿日期：２０１０－０１－０５作者简介：徐麟祥，男，长江委设计院原总工程师，全国设计大师，教授级高级工程师，国务院特殊津贴专家。　　文章编号：１００１－４１７９（２０１０）０４－００５４－０５长江委６０年水工设计创新回顾徐麟祥（长江水利委员会，湖北武汉４３００１０）摘要：６０年来，长江水利委员会在水利水电坝工设计方面取得了丰富的设计研究成果和工程实践经验。概要介绍了红层地基、灰岩地基筑坝的基础处理经验，以及在高拱坝、土石材料坝、重力坝有关专业设计上的创新理论成果。阐述了特殊地形与复杂坝型条件的消能设计特点，着重介绍了穿黄隧洞工程关键技术问题处理情况，以及不同预应力结构设计研究与应用成果。这些具有国内领先水平和推广运用价值的创新设计成果，为我国坝工设计技术的发展作出了重要贡献。关　键　词：坝基处理；大坝结构设计；泄洪消能；预应力结构；水利水电工程中图法分类号：ＴＶ６　　　文献标志码：Ａ　　６０年来，长江委的科技人员在水利水电建设事业中，不畏艰辛，克服种种困难，创造了不少国内外第一的水利工程。长江委设计院共获得优秀设计金质奖８项，国家科技进步奖８项，省部级科技进步奖７２项。本文仅就水工设计中具有创新性的设计或在当时具有领先地位并对水工建筑物有推广运用价值的成果进行归纳与介绍。１　基础处理１．１　红层地基筑坝被誉为长江第一坝的葛洲坝水利枢纽的主要水工建筑物座落在白垩系的紫红色砂岩、粉砂岩、粘土岩等岩类之上。岩性软弱，岩层倾向左岸偏下游，倾角４°～８°。岩体内与建筑物有关的软弱夹层共计７２层，存在的工程地质问题为沿软弱夹层（特别是已泥化的夹层）的深层抗滑稳定，粘土岩类岩石的快速风化，深挖基坑产生的边坡岩体变形，断层强透水带等。为此进行了大规模的地质勘探和岩体的物理力学试验，查清了各类岩层的分布情况，软弱夹层产（性）状、受力特点、成因及微观结构在长期受水库渗压水作用下的演变趋势，不仅进行了室内土工试验，还进行了现场原位抗力体岩基试验。试验抗力体尺寸为：１１．６５ｍ（长）×１．７０ｍ（宽）×２．３５ｍ（高）。通过试验，获得了各类岩体的软弱夹层的力学参数，为合理选用设计参数提供了可靠依据。通过长期的软弱夹层渗水试验，得到了“节理带难以泥化，劈裂带可能泥化，泥化带不会进一步恶化”的结论。现场原位抗力体岩基试验既弄清了变形机制又获得了如何利用岩体抗力和加固抗力体的实验依据。这一系列的研究成果和实践经验对类似葛洲坝工程的水工设计仍具有较高的理论价值和现实意义。针对上述工程地质问题，根据葛洲坝各建筑物具体地质条件分别采取了以下基础处理措施：设置上游防渗板闸基及护坦板下设封闭抽排水以降低扬压力；上游设混凝土深齿槽切断夹层增加阻滑力；下游用桩基加固抗力岩体；排水孔穿过夹层部位设置组装式过滤体；建基岩面预留保护层，清理岩面并验收后保持湿润快速覆盖；上游坡面增设软垫层，以适应基岩水平变形减少附加推力；采用深固结灌浆孔和速凝浆材改善灌浆工艺等一整套措施封闭强透水带。葛洲坝枢纽运行２８ａ来的各项监测资料表明：建筑物位移较小，夹层未发现错动，各建筑物渗压值小于设计值；排水孔渗出水质监测表明江水中的Ｃａ２＋、　第４期　　　徐麟祥：长江委６０年水工设计创新回顾Ｍｇ２＋离子置换了夹层中的Ｎａ＋离子，经取样做力学试验证明参数没有降低，与原室内试验结论吻合；组装式过滤体效果良好。葛洲坝工程具有足够的安全裕度，创建了在红层上筑坝的成功经验。上述的各种处理措施已在国内相关工程中得到了普遍运用。１．２　灰岩地基筑坝岩溶是灰岩地基筑坝的主要工程地质问题，应依据坝址区的不同地质条件与大坝的不同受力条件与防渗要求采取相应的处理措施。龚家坪浆砌石重力坝坝高６７．５ｍ，岩层直立、走向与坝轴线平行、沿层面及中缓倾角结构面岩溶发育强烈，每隔１５、２０ｍ有一层独立的岩溶系统，坝基面溶蚀率达４０％，对坝基变形及帷幕布置十分不利。经研究，采用相对不透水的临湘组灰岩作防渗依托，然后采取在坝基２０ｍ范围内清理开挖溶洞回填贫混凝土、固结灌浆（深度１５ｍ）、对影响稳定的缓倾角裂隙密集带设置混凝土阻滑键、坝基内设置地下排水廊道和２个竖井并与岩基内溶洞落水点相连等措施，并将两岸岩溶系统来水及大坝渗水排向下层岩溶系统，消除扬压力。２００３年蓄水至今，大坝变形、渗流及渗压均满足设计要求。彭水水电站混凝重力坝坝高１１３．５ｍ。根据坝基的受力条件，对建基面以下深度小于２０ｍ范围及坝体轮廓周边１０ｍ范围内的溶洞进行清理开挖回填，并进行灌浆处理，对位于帷幕线的岩溶，采取混凝土防渗墙再进行帷幕灌浆。右岸坝肩ＫＷ５１岩溶系统，发育深度达高程－４０ｍ以下，难以用帷幕灌浆达到防渗效果。在勘探查清岩溶系统的发育规律后，于坝前库岸部位针对该系统的入渗点进行地表防渗封堵。经蓄水检查，防渗效果良好。构皮滩水电站为抛物线型双曲拱坝，最大坝高２３０．５ｍ，是岩溶地区已建、在建的最高双曲拱坝，对岩溶采用了挖、填、灌的综合处理措施。右岸建基面高程５５０ｍ发现Ｋ２８０岩溶系统，总规模达２万ｍ３，采取以明挖为主、洞挖为辅，建基面范围最低点挖深４０ｍ，向上游侧外延１０ｍ、下游侧处延３０ｍ，回填混凝土并对周围岩体进行固结灌浆。在岩溶较发育的层间错动带，开挖平洞和竖井回填混凝土形成传力框架，满足大坝应力及稳定要求。两岸防渗帷幕以粘土岩为依托，于河床部位以伸入岩体５～１０ｍ（透水率ｑ＜１Ｌｕ以下）作为帷幕底线。施工过程中依据具体地质资料，分别采取了固结灌浆截渗墙和高压旋喷防渗措施加以处理，最终达到了令人满意的防渗效果。２　大坝结构设计２．１　新型重力拱坝隔河岩水利枢纽大坝最大坝高１５１ｍ，坝址处地形为“Ｕ”形峡谷。经比较，坝型采用重力拱坝。但两岸地形地质条件不对称，左岸地形低矮、岩性软弱，又布置有升船机闸室，不允许侧向有较大变形，不能设置较高的重力墩。通过计算分析，最后选用上部为不灌浆的重力坝型，下部为重力拱坝。上游面为定圆心半径３１２ｍ的圆弧直立面，下游面为中间大半径两侧小半径的变截面三圆心单曲重力拱坝。中间坝坡１∶０．５，两侧渐变为１∶０．７。封拱灌浆高程中间溢流坝部位灌至溢流面高程１８０ｍ，两侧逐渐下降至右岸高程１６０ｍ、左岸高程１５０ｍ。这一体型充分利用了坝址处下部坚硬灰岩的支撑作用，也减轻了在上部地形相对平缓且岩性软弱的灰页岩互层上修建高重力墩的难度。隔河岩水库自１９９３年蓄水以来，特别是经历了１９９８年超设计水位的考验，所有大坝监测资料表明，各项运行监测指标均在设计允许范围以内。隔河岩新型重力拱坝设计为在地形和基岩条件不对称的峡谷内兴建高拱坝取得了突破性经验。该项设计获得了水利部与国家优秀设计金质奖。２．２　土石坝２．２．１　高混凝土面板堆石坝水布垭水电站大坝为混凝土面板堆石坝，坝高２３３．０ｍ，是当今世界上已建和在建的最高混凝土面板堆石坝。作为国家“九五”科技攻关项目———“２００ｍ级高混凝土面板坝”，就筑坝材料的工程特性、大坝应力变形分析、止水材料与结构型式、面板混凝土、原形监测等专题，汇聚了国内多家高校、科研机构及有关设计院进行了共同研究，攻克了一系列技术难题。设计的大坝上游坡为１∶１．４；下游“之”字形马道宽４．５ｍ，综合坡比１∶１．４；主堆石区利用坝区的灰岩材料，碾压后的孔隙率为１９．６％，干密度２．１８ｇ／ｃｍ３；面板混凝土为Ｃ３０，底部厚１１０ｃｍ，顶部厚３０ｃｍ，受拉区设双层钢筋，其他部位设单层钢筋；面板垂直缝间距分别为８ｍ及１６ｍ，缝间止水在高程３４５ｍ以下设３道止水，上部设２道止水。施工过程中，采取了以下措施：强夯处理覆盖层以减少沉降变形；挤压边墙减少垫层料的超填和削坡；将部分趾板布置在坝体内减少开挖，趾板改为预留宽槽回填，防止裂缝。大坝填筑时采用“反抬法”使下游部位高于上游部位约２０ｍ，以减少沉降变形。在二期面板顶部设置水平永久缝，经计算可减少温度应力５０％，以减轻发生裂缝的风险。水布垭大５５　　人　民　长　江２０１０年　坝蓄水后实测结果表明，其最大沉降量为２４７３ｍｍ，约为坝高的１．０６７％，与同类坝型的沉降量相比较小。水布垭高面板堆石坝被评为湖北省科技进步特等奖，水布垭工程在第一届堆石坝国际研讨会上被评定为里程碑工程，并获得湖北省优秀工程设计一等奖。２．２．２　混凝土面板砂砾石坝寺坪水电站，坝型为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高９０．５ｍ，上游坝坡１∶１．６，下游坝坡１∶１．７２。经对料场砂砾料的渗透特性试验以及砂砾料、开挖渣料物理力学性能的系统研究，施工设计上采用了以下措施：①对覆盖层采取强夯法加固处理作为坝基；②选用料场符合基本级配要求的天然砂砾石直接上坝，取消过渡层用筛分料的要求；③对坝体断面用料分区进行优化，全断面采用砂砾石与部分页岩料，减少了开挖并利用了弃渣；④建设过程中合理布置料场与交通线路，简化施工程序，保证了大坝快速施工。寺坪水电站工程获得中国电力建设企业协会２００９年中国电力建设科技成果一等奖。２．２．３　沥青混凝土心墙坝三峡水利枢纽茅坪溪沥青混凝土心墙坝，最大坝高１０４ｍ，是我国已建成的同类坝型中最高的一座。上游坝坡为１∶２．２５及１∶３．０，下游坝坡为１∶２．０及１∶２．２５。大坝填筑料充分利用了三峡工程的开挖渣料及风化沙。沥青混凝土心墙最大高度为９３ｍ，顶部厚度０．５ｍ，二侧坡比近似１∶０．００４，中间斜坡段增厚至１．２０ｍ，其下为渐变扩大段至底部为３ｍ宽与混凝土垫座相接。垫座下基础防渗系统由混凝土防渗墙和帷幕灌浆系统组成。沥青混凝土心墙经过原材料及配合比设计，并经力学性能、水力劈裂特性试验，以及过渡料接触性能试验等。大坝稳定、渗流、应力应变计算分析均满足规范要求。蓄水后实测资料表明沥青混凝土心墙处于受压状态，心墙不会发生水力劈裂，各项数据均在设计允许范围内，大坝是安全的。２．２．４　复合土工膜防渗材料应用王甫洲水利枢纽土石坝主坝采用防渗墙上接复合心墙；老河道两岸围堤采用复合土工膜斜墙加复合土工膜水平铺盖防渗，总防渗面积约１１０万ｍ２。１９９９年被水利部列为土工合成材料应用示范工程，由水利部国际合作与科技司主持的鉴定会认为：设计单位根据工程具体条件，选用了复合土工膜防渗方案是适宜的和先进的，采用两胶三缝粘接方式解决了ＰＥ和ＰＶＣ膜间连接的难题，在国内尚无先例，与原粘土心墙方案比较，节省投资、减少料场征地、缩短了工期。复合土工膜在王甫洲水利枢纽围堤防渗工程中的应用成果达到国内领先水平，具有示范作用和推广价值。工程经运行考验证明防渗效果良好。２．３　重力坝２．３．１　三峡大坝结构设计（１）坝体结构应力。三峡大坝泄水建筑物共分２３个坝段，每段长２１ｍ，最大坝高１８１ｍ，最大坝底宽１２６．７３ｍ。为满足泄洪及导流需要，相间布置２３个泄洪深孔和２２个溢流表孔，表孔为跨横缝布置，其下方布置２２个导流底孔。深孔底高程９０．０ｍ，孔口进口处尺寸为１４．５ｍ×９．６ｍ，承受工作水头８５ｍ，应力较大。采取的措施为横缝止水较一般布置后移３．０ｍ，使缝内水压力抵销部分内水压力，并对高程１１０．０ｍ以下的横缝全部进行灌浆，以增强大坝整体性，改善孔口应力。导流底孔运行水头８０ｍ，跨横缝布置，计算分析孔口应力较小，孔内平均流速约为３２ｍ／ｓ，为消除纵横缝接头处产生不平整错台造成空蚀破坏的风险，采用跨缝板连接并在坝体纵横缝灌浆完成后的低温季节分段浇筑。（２）纵缝张开问题。大坝一般设两条纵缝，待坝体混凝土冷却至设计温度后进行纵缝灌浆。坝体中部的测缝计监测显示，灌浆后纵缝宽度随年气温变化而继续张开，其开度在夏季较大，冬季减小或闭合。经大量的计算分析、钻孔取芯、孔内电视观察以及测缝计的实测发现，这一开度变化是由年气温变化导致坝体内外温差产生坝块表面与内部的不均变形所造成的。由于纵缝面设置有三角形键槽，一般是沿直面张开，斜面闭合，仍能起传力作用。随着水库蓄水位上升，在温度变幅减小及库水压力作用下，张开度减少，闭合区加大，纵缝不会影响大坝的整体作用。２．３．２　重力坝加高工程设计南水北调中线水源工程丹江口水利