朱永國(guó)，嚴(yán) 軍

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

1 工程概況

猴子巖水電站是大渡河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃的第9個(gè)梯級(jí)電站，電站裝機(jī)容量1 700 MW。水庫(kù)正常蓄水位1 842 m，相應(yīng)庫(kù)容6.62億m3。擋水建筑物為世界第二高混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m，壩頂長(zhǎng)278.35 m，相應(yīng)地河谷寬高比為1.25，為國(guó)內(nèi)外已建成面板堆石壩中最狹窄河谷。兩岸地形陡峻，屬典型的“V”形河谷，臨河坡高大于800 m，左岸邊坡60°～65°，右岸邊坡55°～60°。壩址河床覆蓋層最深達(dá)75 m，自下而上分為4層，其中第②層為粘質(zhì)粉土，連續(xù)分布，一般厚13～20 m，微透水，承載力低，抗變形能力弱，為可能液化土層，對(duì)壩坡穩(wěn)定和大壩的應(yīng)力變形影響較大，必須挖除。因此，壩軸線下游保留河床覆蓋層第①層，河床第②層及其上部覆蓋層全部挖除。壩軸線上游大部分開(kāi)挖至基巖，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)研究，僅右側(cè)保留少量第①層兼作施工道路。猴子巖面板壩壩址區(qū)地震烈度相對(duì)較高，屬于強(qiáng)地震區(qū)。地震基本烈度為Ⅶ度，大壩抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度。

猴子巖面板堆石壩的典型剖面如圖1所示。壩頂寬13.2 m，壩頂采用整體式“U”形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，將上游側(cè)防浪墻與下游側(cè)擋墻連為一體。壩體上游壩坡1∶1.4，下游壩坡考慮壩后“之”字形道路的綜合坡比1∶1.6。壩體自上游面至下游面大致分為：輔助防滲鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、過(guò)渡料區(qū)、堆石料區(qū)、大塊石護(hù)坡、壩腳壓重區(qū)。壩體填筑方量約963萬(wàn)m3(其中，上游鋪蓋填筑量約67萬(wàn)m3)。壩體斷面分區(qū)壩料主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 猴子巖面板堆石壩典型設(shè)計(jì)剖面

壩體分區(qū)粒徑參數(shù)最大粒徑/mm<5 mm顆粒含量/%小于0.075 mm顆粒含量/%不均勻系數(shù)Cu孔隙率/%滲透系數(shù)/cm·s-1壓實(shí)參數(shù)上游鋪蓋料100≤50>15≤1×10-4壓實(shí)度大于90%墊層料8035～504～8≤171×10-3～10-4干密度≥2.34 g/cm3,相對(duì)密度Dr≥0.9特殊墊層料4046～62.55～10≤16.51×10-3～10-4干密度≥2.35 g/cm3,相對(duì)密度Dr≥0.9過(guò)渡料30010～30≤5≤18i×10-2干密度≥2.31 g/cm3,相對(duì)密度Dr≥0.9堆石料區(qū)灰?guī)r料流紋巖料800≤20<5>5≤19i×10-1～ i×100干密度≥2.28 g/cm3干密度≥2.18 g/cm3

2 設(shè)計(jì)理念

2.1 “變形控制+變形協(xié)調(diào)”的設(shè)計(jì)理念

猴子巖面板堆石壩在設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)分析并借鑒了國(guó)內(nèi)外混凝土面板堆石壩建設(shè)與設(shè)計(jì)過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，特別是2000年以后建成的洪家渡、水布埡兩座高面板堆石壩的成功經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)河谷特別狹窄、河床覆蓋層深厚、抗震設(shè)防烈度高等工程特點(diǎn)，為有效解決狹窄河谷高面板堆石壩填筑碾壓過(guò)程中的“拱效應(yīng)”問(wèn)題，避免大壩運(yùn)行期發(fā)生較大變形而危及壩體安全，猴子巖面板堆石壩的設(shè)計(jì)遵循“變形控制+變形協(xié)調(diào)”的設(shè)計(jì)理念。“變形控制”就是采用較高的碾壓密實(shí)度設(shè)計(jì)指標(biāo)，讓堆石體的變形盡量發(fā)生在填筑施工期，控制堆石壩體的后期變形量；“變形協(xié)調(diào)”就是面板與面板接縫可承受變形的設(shè)計(jì)指標(biāo)要與堆石體變形相協(xié)調(diào)，確保面板與面板接縫不會(huì)因堆石體的變形而破壞、失效。

關(guān)于“變形控制+變形協(xié)調(diào)”的設(shè)計(jì)理念，“變形控制”是第一位的、是前提條件，“變形協(xié)調(diào)”是以“變形控制”為基礎(chǔ)的保障性措施，是第二位的。在猴子巖面板堆石壩的設(shè)計(jì)中，壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)取消次堆石區(qū)，整個(gè)堆石料區(qū)均采用主堆石區(qū)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；壩體堆石各分區(qū)(包括墊層料區(qū)、過(guò)渡料區(qū)、堆石料區(qū))均采用相對(duì)較高的碾壓密實(shí)度設(shè)計(jì)指標(biāo)等，都屬于“變形控制”的設(shè)計(jì)措施。設(shè)置面板永久水平縫、改進(jìn)周邊縫與垂直縫結(jié)構(gòu)、河床趾板基礎(chǔ)面抬高等，均屬于“變形協(xié)調(diào)”的措施，則是為了增加面板與面板接縫適應(yīng)堆石壩體變形的能力。

2.2 全生命周期設(shè)計(jì)理念

猴子巖水電站是修建在大江大河上的高壩大庫(kù)，面板堆石壩河床趾板頂部高程1 636 m，正常蓄水位、極限死水位對(duì)應(yīng)的壩前水深分別達(dá)206、166 m，一旦大壩面板和周邊縫、垂直縫發(fā)生破壞，修復(fù)處理將非常困難，修復(fù)處理的成本極高。若不能及時(shí)修復(fù)，則會(huì)嚴(yán)重威脅大壩自身穩(wěn)定和下游沿岸的安全。為此，猴子巖面板堆石壩在設(shè)計(jì)過(guò)程中堅(jiān)持“全生命周期設(shè)計(jì)”的理念，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是針對(duì)堆石體沉降、面板裂縫、接縫失效等可以預(yù)見(jiàn)的缺陷，合理提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，力求在施工期間予以消除，盡量避免運(yùn)行期出現(xiàn)缺陷；二是設(shè)置放空建筑物，以滿足極端情況下能夠基本放空水庫(kù)、便于缺陷修復(fù)的目標(biāo)要求；三是在壩前1 735 m高程以下、運(yùn)行期完全不具備缺陷修復(fù)條件的部位，設(shè)置輔助防滲鋪蓋，一旦面板或面板接縫出現(xiàn)裂縫等缺陷，礫石土、石粉、粉煤灰等材料可以淤堵裂縫，增強(qiáng)面板(趾板)的自愈、防滲效果。

3 工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)創(chuàng)新

3.1 河床趾板設(shè)置基座混凝土結(jié)構(gòu)

以往的面板堆石壩河床趾板基礎(chǔ)，均為河床基巖開(kāi)挖后形成的基巖建基面。猴子巖面板堆石壩可研設(shè)計(jì)階段，也是將河床趾板直接置于基巖建基面上，設(shè)計(jì)建基面高程1 625 m。由于河床底部狹窄，河床水平趾板長(zhǎng)度不到30 m。

技施設(shè)計(jì)階段，河床趾板部位覆蓋層開(kāi)挖后實(shí)際揭示的基巖新鮮完整，高程約1 629～1 632 m。經(jīng)設(shè)計(jì)深入研究并組織專家咨詢，決定取消河床趾板基礎(chǔ)基巖開(kāi)挖，設(shè)置基座混凝土結(jié)構(gòu)、將河床趾板建基面高程抬高至1 635 m，河床趾板增長(zhǎng)至57 m?；炷两Y(jié)構(gòu)的最大深度為5.64 m，頂部順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)20 m， 1 632.00 m高程以下部位順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)40 m。河床段趾板長(zhǎng)度延長(zhǎng)、河槽部位面板長(zhǎng)度減小的創(chuàng)新方案，首先在一定程度上改善了面板的受力條件；其次減小了狹窄河床的開(kāi)挖量與開(kāi)挖施工難度，改善了河床基坑的施工條件；再次有利于施工期深基坑抽排水的布置與安全風(fēng)險(xiǎn)控制。

3.2 取消壩體次堆石區(qū)

傳統(tǒng)的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)，壩體堆石區(qū)一般分為主、次堆石區(qū)，且次堆石區(qū)的力學(xué)性能、級(jí)配與壓實(shí)度設(shè)計(jì)指標(biāo)低于主堆石區(qū)。猴子巖面板堆石壩在壩體斷面分區(qū)設(shè)計(jì)中，取消次堆石區(qū)，壩體堆石區(qū)全部采用主堆石區(qū)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。雖然采用兩種料源，上游側(cè)為變質(zhì)灰?guī)r料、下游側(cè)為流紋巖料，但孔隙率設(shè)計(jì)指標(biāo)均不大于19%，壩料粒徑、級(jí)配、滲透系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)要求相同(見(jiàn)表1)。主要是考慮到猴子巖壩址河谷特別狹窄、岸坡陡峻，整體提高堆石區(qū)壓實(shí)密度和變形模量，以有效控制壩體后期變形。

3.3 面板設(shè)置永久水平縫

根據(jù)大壩面板靜動(dòng)力計(jì)算分析成果，為了減小面板拉應(yīng)力和面板裂縫，猴子巖面板堆石壩在二期面板頂部1 810.00 m高程結(jié)合施工縫設(shè)置了一條永久水平縫。水平永久縫止水結(jié)構(gòu)與面板壓性縫相同，即底部設(shè)一道復(fù)合止水銅片、縫間加設(shè)15 mm膨脹橡膠復(fù)合瀝青浸漬樺木板、頂部設(shè)表面止水，面板鋼筋穿過(guò)縫面。計(jì)算結(jié)果表明，永久水平縫的設(shè)置，可顯著降低靜動(dòng)力作用下高高程區(qū)域面板的拉應(yīng)力。施工及運(yùn)行期情況表明，設(shè)置永久水平縫也明顯減少三期面板裂縫。

3.4 面板接縫止水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

根據(jù)大壩靜動(dòng)力三維應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果，并借鑒水布埡、三板溪等200 m級(jí)高面板壩的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，猴子巖面板堆石壩面板接縫允許位移值如表2所示。

表2 面板接縫位移設(shè)計(jì)允許值 mm

壩高233 m的水布埡面板堆石壩面板接縫止水結(jié)構(gòu)是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“水科院”)“九五”期間的科技攻關(guān)成果，室內(nèi)試驗(yàn)與工程實(shí)際運(yùn)行證明是可靠的。猴子巖面板堆石壩面板接縫止水大體上采用水布埡的止水結(jié)構(gòu)，但是考慮到猴子巖壩址河谷特別狹窄、周邊縫剪切位移大、受壓區(qū)垂直縫的壓應(yīng)力較大等特點(diǎn)，專門(mén)委托水科院進(jìn)行研究后，做出了兩方面改進(jìn)：一是各類(lèi)接縫底部“W形復(fù)合銅止水”的鼻子高度13 cm，高于水布埡的10.5 cm；二是為防止面板之間擠壓破壞，針對(duì)受壓區(qū)的垂直縫，縫面增設(shè)15 mm厚膨脹橡膠復(fù)合瀝青浸漬樺木板。

3.5 新型的監(jiān)測(cè)技術(shù)

為全面監(jiān)測(cè)分析大壩的變形、應(yīng)力、滲流、滲壓等，猴子巖面板堆石壩在采用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)技術(shù)的同時(shí)，還采用了光纖陀螺與磁慣導(dǎo)、光纖光柵測(cè)溫監(jiān)測(cè)滲漏兩項(xiàng)新型監(jiān)測(cè)技術(shù)：①采用光纖陀螺與磁慣導(dǎo)技術(shù)監(jiān)測(cè)面板撓度與壩體沉降，其中，光纖陀螺監(jiān)測(cè)面板撓度與壩體沉降在水布埡、東菁2座高面板壩中已有成功運(yùn)用，磁慣導(dǎo)監(jiān)測(cè)面板撓度與壩體沉降是猴子巖面板壩創(chuàng)新應(yīng)用。監(jiān)測(cè)成果表明，光纖陀螺與磁慣導(dǎo)技術(shù)監(jiān)測(cè)壩體沉降與傳統(tǒng)的水管式沉降儀測(cè)值較為一致，光纖陀螺與磁慣導(dǎo)技術(shù)監(jiān)測(cè)面板撓度較傳統(tǒng)的固定式測(cè)斜儀測(cè)值更符合實(shí)際。②采用光纖光柵傳感測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)面板周邊縫和板間縫的滲流情況，其中光柵傳感測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)面板周邊縫滲漏情況在水布埡面板堆石壩中已有成功應(yīng)用，但分布式光纖測(cè)溫技術(shù)監(jiān)測(cè)面板板間縫滲漏情況，是猴子巖面板壩的首次創(chuàng)新應(yīng)用。

3.6 施工期壩體反向排水的分級(jí)抽排方案

在面板堆石壩施工期間，兩岸山體地下水、降雨、堆石料碾壓灑水等均會(huì)進(jìn)入壩體。如果壩體內(nèi)水位太高，則會(huì)導(dǎo)致上游壩坡墊層料發(fā)生滲透破壞，甚至?xí)斐擅姘迨Х€(wěn)破壞。因此，面板堆石壩施工期一般會(huì)設(shè)置壩體反向排水。猴子巖面板壩的河床基坑開(kāi)挖深度達(dá)75 m，大壩下游結(jié)合量水堰布置有防滲墻，因此壩體反向排水的技術(shù)難度與危害壩坡的風(fēng)險(xiǎn)更大。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員通過(guò)深入研究，創(chuàng)新制定了壩體反向排水的分級(jí)抽排方案。即在上游壩體內(nèi)(樁號(hào)壩0-257.60)布置一級(jí)抽排豎井(鋼筋石籠結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑2 m，井底高程1 630 m，井口高程1 665 m)，井底布置8根DN325 mm排水鋼管穿過(guò)壩體和河床段趾板，將壩體內(nèi)積水排至壩前集水池。二級(jí)抽排豎井布置于壩后壓重體內(nèi)(量水堰防滲墻上游)，井底高程1 652 m，井口高程1 690 m。一級(jí)抽排豎井負(fù)責(zé)底部排水鋼管封堵，壩前1 660 m高程以下輔助防滲鋪蓋填筑期間的壩體抽排水；二級(jí)抽排豎井負(fù)責(zé)一級(jí)抽排豎井封堵，1 660～1 690 m高程壩前輔助防滲鋪蓋填筑期間的壩體抽排水。實(shí)際運(yùn)行情況表明，猴子巖面板壩壩體反向排水分級(jí)抽排系統(tǒng)設(shè)置是合理、成功的。

3.7 采用低熱水泥配置面板(趾板)混凝土

為提高面板(趾板)混凝土的抗裂能力，通過(guò)專項(xiàng)試驗(yàn)研究，猴子巖面板堆石壩創(chuàng)新采用低熱水泥+Ⅰ級(jí)粉煤灰+PVA纖維+高性能減水劑配置面板(趾板)混凝土，取得較好效果。實(shí)測(cè)混凝土的自生體積變形大于130 με。試驗(yàn)分析表明，一方面，低熱硅酸鹽水泥水化熱低，能明顯減小混凝土的初期水化熱溫升、減小溫度應(yīng)力；另一方面，低熱硅酸鹽水泥含有適量的MgO，能產(chǎn)生一定的微膨脹量，可以減少或補(bǔ)償混凝土的收縮，增強(qiáng)混凝土的抗裂能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

猴子巖面板堆石壩最大壩高223.5 m，是目前國(guó)內(nèi)外已建或在建面板壩中第二高壩，同時(shí)又是世界上河谷最狹窄的面板堆石壩。為確保大壩建成后的安全運(yùn)行，特別是面板和接縫止水不會(huì)因堆石壩體過(guò)大變形而破壞，猴子巖面板堆石壩堅(jiān)持“變形控制+變形協(xié)調(diào)”、“全生命周期設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)理念，并圍繞狹窄河谷超高面板堆石壩的“變形控制”和“變形協(xié)調(diào)”目標(biāo)，結(jié)合工程自身的地形地質(zhì)條件，開(kāi)展了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和止水結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

猴子巖面板堆石壩于2015年12月完成壩體填筑，2016年11月下閘蓄水，2017年11月水庫(kù)蓄水至正常蓄水位1 842 m，2018年4月水庫(kù)水位消落至死水位1 802 m附近，2018年6月水庫(kù)水位又上升至汛期運(yùn)行控制水位1 835 m附近。截至2018年7月底，壩體最大累計(jì)沉降量1 299.3 mm(約占?jí)胃?.58%)；面板周邊縫最大沉降位移49.04 mm(設(shè)計(jì)允許值100 mm)、最大張開(kāi)位移15.6 mm(設(shè)計(jì)允許值100 mm)、最大剪切位移25.15 mm(設(shè)計(jì)允許值65 mm)；面板垂直縫最大擠壓變形5.71 mm(設(shè)計(jì)允許值20 mm)，未出現(xiàn)擠壓破壞；壩體滲流滲壓監(jiān)測(cè)成果均無(wú)異常，說(shuō)明猴子巖面板堆石壩在變形控制和變形協(xié)調(diào)方面的設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施是成功的，可供200 m級(jí)或更高面板堆石壩設(shè)計(jì)參考借鑒。