杨东河水电站混凝土面板堆石坝设计

高 飞

(中铁水利水电规划设计集团有限公司，南昌 330001)

杨东河(渡口)水电站工程位于重庆市石柱县和湖北省利川市建南镇境内，坝址座落在两省(直辖市)界河河段磨刀溪上游渡口处(石柱县黄水镇枫木乡花郎坪和建南镇太阳坪交界处)，距建南镇17km。

杨东河(渡口)水电站属Ⅲ等中型工程，校核洪水标准为2000a一遇，设计洪水标准为100a一遇。水库校核洪水位1089.35m，总库容3325万m3，正常蓄水位1086m，相应库容3017万m3，调节库容2678万m3，为年调节水库，电站装机容量48MW，保证出力8.58MW，装机年利用3360h，多年平均年发电量1.61亿kW·h，等效年发电量2.04亿kW·h。

工程主要建筑物由拦河坝、泄洪洞、泄洪冲沙(放空)洞、发电引水建筑物、发电厂房等组成。拦河坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程1090.0m，最大坝高88.0m。

2.1 堆石坝坝体地基特性及设计参数

河床段覆盖层为松散砂卵砾石，厚约15～25m，孔隙率约15%～20%；
下伏基岩为砂质泥岩、石英砂岩互层，河床基岩呈弱风化～微风化，弱风化带厚约7.0～11.50m。岸坡覆盖层为崩坡积块石层，下伏基岩为砂质泥岩和石英砂岩，砂质泥岩遇水易软化。左岸高程1066 m、右岸高程1056 m以上为悬崖陡壁，基岩裸露，为弱风化石英砂岩，岩石强度较高。

2.2 趾板地基特性及设计参数

岸坡趾板覆盖层为崩坡积层巨石、块石土，结构松散。强风化带不厚，岩石强度低，应予全部挖除。趾板建于弱风化中下部较完整基岩上。左岸高程1066m、右岸高程1056 m以上为悬崖陡壁，基岩裸露，为弱风化石英砂岩，岩石强度较高。

河床趾板覆盖层为砂卵砾石，厚约15～19m，结构松散，透水性强～极强，须全部清除或设置防渗墙，建议墙底深入弱风化岩2～3 m；
下伏基岩无强风化带，均为弱风化砂质泥岩夹石英砂岩。

坝基、坝肩岩体透水性特征，河床及两岸坝肩均存在透水带，两岸地下水位低于正常蓄水位，存在坝基及绕坝渗漏问题。

3.1 混凝土面板堆石坝结构布置

1)大坝断面设计：混凝土面板堆石坝坝顶高程1090.00m，防浪墙顶高程1091.20m，河床段清基后，坝基趾板底高程1002.00m，相应最大坝高88.0m。坝顶宽度为7.00m，坝顶长度为275.6m。坝顶路面为C25F50混凝土路面，厚20cm，底部为厚20cm的碎石垫层。上游坝坡为1∶1.4；
下游坝坡1055m以上坝坡为1∶1.25，并设上坝公路，1055m以下坝坡为1∶1.3。上游面在高出正常蓄水位1086.00m以上0.5m处，即高程1086.50m 以上设直立挡墙至防浪墙顶，墙高4.70m，在上游侧底部设置宽0.70m检查行走用的小道。下游面在高程1087.90m以上设直立挡墙，墙高2.50m。

2)坝体分区：坝体分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为7个主要填筑区[1]：
2A区垫层区、2B区特殊垫层区、3A区过渡区、3A1区坝顶静碾区、3B区主堆石区、3C区下游堆石区和3E区排水区，下游坝脚至河道下游跌坎段设置纵向排水带，纵向排水带底宽20m，高4m。坝体与坝基交界面设置反滤层和排水层厚均为80cm，下游坝面与弃渣场弃渣间设置一层排水层和一层60kN/m2有纺土工布，下游面排水层水平宽3.0m。在上游坝脚处设1A区粉细砂铺盖区和1B区石渣盖重区，盖重区河床段顶高程1011.0m，顶宽29m；
缓坡段粉细沙铺盖厚3.0m，其上石渣盖重区厚2.0m，沿垂直趾板“X”线方向等厚布置。大坝防渗面板厚0.35～0.55m，大坝下游坝面干砌块石护坡厚40cm。

3)防渗体系：堆石坝体上游为大坝防渗体系，主要由钢筋混凝土防渗面板、上游混凝土防浪墙、混凝土趾板、混凝土防渗墙、混凝土连接板、混凝土趾墙、灌浆帷幕及分缝间的止水等组成。

面板采用C30W10F100钢筋混凝土，上部与混凝土防浪墙相接，底部座落于混凝土趾板上。面板采用滑模施工，面板垂直缝间距为6～12m。在接近周边缝1m处转弯，使其与周边缝呈垂直正交，以避免面板在周边缝处出现尖角。周边缝和面板张性垂直缝均设二道止水，底部为止水铜片，顶部为SR塑性嵌缝填料止水，面板压性垂直缝设底部止水铜片一道止水。上游混凝土防浪墙座落在高程1086.50m的坝体上，与防渗面板相接，水平接缝设置底部止水铜片和顶部SR填料二道止水[2]，墙顶高程1091.20m，墙高4.70m，为了适应坝体沉陷和温度变化，伸缩缝与面板垂直对齐为通缝，在迎水面设SR填料止水一道，表面黏贴环氧玻璃丝布3层。

趾板位于面板周边与基础交界处，为面板连接体，同时兼作基础帷幕灌浆和固结灌浆的盖板，趾板采用C30W10F100钢筋混凝土。缓坡段趾板右岸1002.00～1050.00m高程、左岸1002.00～1058.00m趾板宽度为7.0m，厚度60cm，趾板基础采用锚杆锚固，锚杆间距1.5m，单根长4.5m，基础进行固结灌浆和帷幕灌浆，固结灌浆孔为三排，孔距3.0m，排距2.0～2.5m，帷幕灌浆为一排，孔距2.0m，孔深要求深入相对不透水层(q≤3Lu)以下5.0m。

左岸1058.00～1086.50m高程、右岸1050.00～1086.50m从陡壁底部缓坡上修筑贴坡式高趾墙，外侧边坡1∶0.25，墙基位于弱风化砂质泥岩上，墙顶直接与混凝土面板相连接，墙顶与混凝土面板之间伸缩缝按周边缝设计。

河床段趾板底高程1002.00m，置于砂砾石基础上，趾板与砂砾石基础间设置特殊垫层和厚15cmC30素混凝土垫层，河床段趾板与缓坡段趾板交界处设置C25混凝土齿墙，齿墙与防渗墙间设垂直铜片止水一道，与连接板和齿墙间铜片止水焊接，形成完整防渗体系。

趾板沿“X”线方向每隔10m设一伸缩缝，伸缩缝顶部采用设SR填料水平止水一道，竖向设置止水铜片一道与周边缝止水铜片焊接形成完整防渗体系。

河床段砂砾石基础采用C25W8F50混凝土防渗墙处理，防渗墙厚度0.8m，嵌入弱风化层50cm，防渗墙高度6.0～16.5m，墙体以下设1排帷幕灌浆防渗，灌浆孔孔距2.0m，孔深要求深入相对不透水层(q≤3Lu)以下5.0m[3]。防渗墙与趾板间连接采用混凝土连接板，连接板长3.5m，厚60cm。混凝土连接板与混凝土趾板和混凝土防渗墙间设伸缩缝，缝内设二道止水，底部为止水铜片，顶部为SR塑性嵌缝填料止水。

3.2 陡壁段趾板布置

拦河坝左岸1058m高程以上(右岸1050m高程以上)趾板布置于两岸陡壁，两岸陡壁自然边坡较陡(坡度达85°左右)，局部边坡为倒悬。

趾墙采用C25W8F100混凝土，左岸趾墙建基面高程1058.00～1055.00m，右岸趾墙建基面高程1055.00～1045.00m，趾墙最大高度为41.5m，最小顶宽1.2m，底面宽度3～5m。陡壁段趾墙总长110.4m，其中左岸长48.6m、右岸长61.8m。为降低墙背渗透水压力，趾墙墙身设置城门型孔[4]，孔宽3.0m，高4.5～6.5m，孔内砌筑干砌块石。趾墙与基岩接触面采用锚杆和锚杆束锚固，锚杆间距2.0m，单根长4.5～9.0m，锚杆束间距3.0m，单束长20m。底面基础进行固结灌浆，趾墙与陡壁接触面进行固结灌浆、接触灌浆和帷幕灌浆，帷幕灌浆孔位于趾墙上部，帷幕灌浆孔为一排，与水平成30°角打设，帷幕灌浆孔孔距2.0m，孔深要求深入相对不透水层(q≤3Lu)以下5.0m。趾墙底面基础进行全面固结灌浆，灌浆孔孔距2.5m，梅花型布置；
趾墙墙背与陡壁接触面灌浆孔孔距3.0m，梅花型布置，固结灌浆孔孔深均为8.0m。趾墙沿周边缝展开方向每隔12～20m设伸缩缝，伸缩缝顶部设一道止水铜片，止水铜片嵌入陡壁基岩50cm，止水槽采用水泥砂浆回填。

趾墙基础如为砂质泥岩，应立即采用厚10cm的C25喷混凝土保护。为了保证施工安全，须预先清除趾墙、趾板范围内陡壁上的危岩体WY301～WY309，开挖石方上坝填筑。趾墙顶以上高度10m范围内采用M30水泥砂浆锚杆锚固，固坡锚杆采用Φ25钢筋，单根长9.0m，锚杆间距2.0m，梅花型布置。

3.3 陡壁边坡处理

1)陡壁卸荷裂隙处理：两岸坡水平强卸荷带内节理多为微张～张开，有的黄褐色黏土充填，平均裂隙间距约5m；
弱卸荷带内节理多为闭合，裂面水蚀痕迹明显，平均裂隙间距约10m。左岸水平强卸荷带宽度(水平)约5.0m，右岸水平强卸荷带宽度约5～6m，各单条卸荷裂隙延伸长度均<30m。

根据赤平投影分析，左岸A、B两个区段岩质边坡卸荷裂隙与层面的结构面组合位于稳定区，初判陡壁属于稳定边坡。右岸C区段岩质边坡卸荷裂隙与层面的结构面组合位于稳定区，初判陡壁属于稳定边坡；
但是卸荷裂隙及其次生裂隙构成结构面位于滑动区，裂隙密集带易形成掉块。

为限制左岸卸荷裂隙进一步发展，对拦河坝左岸裂隙发育坡段进行锚固处理，并进行回填灌浆。在左岸泄洪洞内打设锚索以锚固裂隙发育边坡，锚索采用钢绞线，单束锚索拉力1000kN，深度约30m，共需约22组锚索。并利用锚索孔进行灌浆，灌浆压力≤0.3MPa。

另外，为了保证坝区施工安全，须预先清除趾墙、趾板范围内陡壁上的危岩体WY301～WY309，开挖石方上坝填筑。趾墙顶以上高度10m范围内采用M30水泥砂浆锚杆锚固，固坡锚杆采用Φ25钢筋，单根长9.0m，锚杆间距2.0m，梅花型布置。

2)趾板开挖陡壁边坡处理：在两岸混凝土趾墙上游，由于趾板基础的开挖将揭露两岸陡壁坡脚处砂质泥岩与石英砂岩分界处边坡，左岸边坡范围为自趾墙至发电引水进水口处，长约116m；
右岸边坡约44m。为阻止部分边坡下部砂质泥岩受风化，确保边坡安全，该段边坡采用C25混凝土锚杆墩支护，墩间边坡采用C25挂网喷混凝土保护。锚杆墩间距4.0m，墩顶部采用顶梁联系，顶梁与墩子断面尺寸均为1.0×1.5m，顶梁与墩子采用锚杆锚固，锚杆采用Φ25钢筋，单根长4.5m，锚杆间距1.5m，梅花型布置。挂网喷混凝土厚15cm，挂网钢筋为Φ8，钢筋网格为20×20cm。

3)缓坡段趾板基础开挖边坡支护：缓坡段趾板基础开挖边坡大部分为砂质泥岩，基础开挖后应对基础和边坡进行支护。趾板上游开挖边坡采用厚15cmC25锚喷混凝土支护，挂网钢筋采用Φ8，钢筋网格为20×20cm。趾板下游开挖边坡采用厚10cmC25锚喷混凝土支护，挂网钢筋采用Φ6，钢筋网格为30×30cm。趾板基础采用厚5cmC25喷混凝土保护。以防止砂质泥岩风化。

4.1 拦河坝两岸陡壁稳定计算

4.1.1 陡壁边坡滑动稳定分析

折线滑动法计算说明图，见图1；
陡壁边坡滑动稳定计算成果表，见表1。

图1 折线滑动法计算说明图

表1 陡壁边坡滑动稳定计算成果表

续表1 陡壁边坡滑动稳定计算成果表

从以上结果可以看出，各工况下边坡滑动稳定系数均>1.5，边坡稳定，右岸由于石英砂岩与砂质泥岩层面倾角为内倾，边坡稳定性较好。

4.1.2 倾覆稳定分析

陡壁倾覆稳定计算说明图，见图2；
陡壁边坡倾覆稳定计算成果表，见表2。

图2 陡壁倾覆稳定计算说明图

表2 陡壁边坡倾覆稳定计算成果表

从以上结果可以看出，各工况下边坡滑动稳定系数均>1.4，边坡稳定。

4.2 趾墙稳定计算

趾墙稳定计算说明图，见图3；
趾墙稳定计算成果表，见表3。

图3 趾墙稳定计算说明图

表3 趾墙稳定计算成果表

由表中计算结果可以看出，趾墙稳定基本满足规范要求，墙体越高，稳定性越好。本工程趾墙与陡坡接触面进行接触灌浆，且采用锚杆锚固等工程措施，可有效降低墙背的渗水压力，能有效改善基础面的应力分布。

杨东河水电站坝址区两岸陡壁以下基础下伏基岩为砂质泥岩和石英砂岩不等厚互层，基岩强弱风化层较深厚，砂质泥岩属软岩～较软岩，其弱风化岩石饱和抗压强度较低，遇水易软化且抗风化能力低，河床段覆盖层为砂卵砾石，松散，厚度较厚，且厚度最大达20m。因此，从坝基处理、建坝材料、料场弃渣及施工技术等方面考虑，坝址处适宜建造混凝土面板堆石坝。

文章就混凝土面板堆石坝的设计要点进行了简要的阐述，由于坝址处两岸地形较陡，面板堆石坝陡坡段趾板施工较困难，是面板堆石坝防渗体系的薄弱位置，因此，作者着重对陡壁段趾板的布置以及陡壁边坡的处理进行了详细的论述分析，并对其进行复核计算，结果均符合相关规定。本工程已完建多年，至今运行良好，为今后类似工程积累了宝贵的设计经验。