抽水蓄能电站沥青混凝土心墙堆石坝设计研究

李红文

（中国电建集团中南勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

某抽水蓄能电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成，电站装机容量为1 400 MW（350 MW×4）。电站具有日调节性能，额定水头为648 m，设计年峰荷电量为7.5亿kW·h，年抽水电量为9.8亿kW·h。

该抽水蓄能电站上水库集雨面积为5.03 km2，正常蓄水位为1 065 m，死水位为1 041 m，有效库容为600万m3，死库容为91.75万m3，集雨面积为8 km2，总库容为750万m3。该工程为一等大（1）型工程。上水库大坝及竖井式溢洪道等主要水工建筑物均按1级建筑物设计[1]。

2 水文及地质条件

2.1 水文气象

工程区多年平均气温为16.9 ℃，极端最高气温为40.8 ℃，极端最低气温为-12.0 ℃，多年平均蒸发量为1 250.0 mm，多年平均风速为2.0 m/s，多年平均最大风速为12.6 m/s，实测最大风速为20.5 m/s，最多风向为NW，50年一遇风速为18.9 m/s。上水库坝址区多年平均降水量为1 671.6 mm。

坝址区多年平均流量为0.18 m3/s，相应多年平均径流量为526万m3，坝址多年平均悬移质输沙量为1 595 t，多年平均悬移质含沙量为0.285 kg/m3。

2.2 工程地质

上库坝址横跨主溪沟,溪沟流向N30°W，水力综合坡降3%，坝址以下溪沟坡降变陡，局部为跌水；坝址沟谷呈“V”形，谷底高程1 018 m左右，两岸山体较雄厚，地形较整齐。坝址两岸及谷底未见基岩出露，右岸为铅直厚度4～26 m的崩坡堆积体，左岸坡脚一带为铅直厚度1～9 m的浅表层崩坡积体；坝址两岸岩体风化较深，右岸全、强风化带下限埋深分别为12.2～74.7 m、35.5～79 m,左岸全、强风化带下限埋深分别为1.5～53.1 m、31.2～66.3 m；谷底全、强风化带下限埋深分别为1.5 m～21.5 m、1.5 m～32.9 m，上游岩体风化深，下游岩体风化浅[2]。

3 大坝设计

上水库大坝采用沥青混凝土墙堆石坝，坝顶高程为1 067 m，最大坝高为52.50 m，坝轴线长度304 m，坝顶宽10 m，坝顶上、下游均设L型挡墙。挡墙高度2 m，墙顶高程1 067 m，墙底高程1 065 m，墙底高于正常蓄水位3 m。上游挡墙L型下游面插入坝体内部，上游面为垂直面；下游挡墙L型上游面插入坝体内部，下游面为垂直面，大坝上、下游坝面起坡点为1 066 m。

3.1 坝体剖面设计

大坝上游坝坡1：1.8，下游坝坡1：2。大坝上游坝坡高程1 036 m以下部分坝体利用导流围堰，围堰顶宽8 m，围堰上下游坡度为1：2。大坝下游1 047 m高程和1 027 m高程各设一个宽为3 m的马道，坝顶上游设安全防护景观栏杆，下游设波形护栏[3，4]。

坝体填筑料分区从上游至下游依次为干砌块石护坡、碎石垫层、上游堆石区、上游过渡区（3 m）、沥青混凝土心墙（0.6 m）、下游过渡区（3 m）、下游堆石区和下游坝面网格梁+草皮护坡。大坝上游高程1 040 m以下坝坡及上游围堰上游设坡脚填压重区。沥青混凝土心墙中心线位于坝轴线上游1.7 m处，心墙顶部与上游L型挡墙通过止水铜片连接。心墙上下游过渡区水平宽度为3 m。为防止未清除完的蚀变全风化层细颗粒发生渗透稳定问题，在上、下游坝基开挖后设0.50 m碎石垫层。

3.2 防渗设计

大坝防渗体系由坝体、坝基及坝肩三部分组成。坝体防渗由坝轴线上游侧的沥青混凝土心墙承担，心墙底部混凝土基座与基岩或防渗墙连接，坝基及两岸防渗采用塑性混凝土防渗墙防渗帷幕的形式。在覆盖层和全、强风化岩石中采用塑性混凝土防渗墙，墙厚0.8 m，底部伸入弱风化岩体内1 m。防渗墙底部接灌浆帷幕，帷幕灌浆孔布置一排，孔距2.0 m，帷幕底线深入相对不透水层顶板线以下，深度不小于5 m。为防止绕坝渗漏，防渗体系向两岸坝头山体内延伸至坝顶高程与地下水位线相交处，形成完整的封闭体。为方便防渗墙施工的帷幕灌浆施工，在塑性混凝土防渗墙中预埋灌浆钢管。

沥青混凝土心墙与混凝土基座或防渗墙的接触面采用平面连接。0.6 m厚沥青混凝土心墙在底部0.6 m高范围内，将台阶扩大接头与混凝土结构连接，底端厚度1.2 m，有效增大了二者的接触面积，延长渗径。混凝土基座采用梯形断面，混凝土强度等级采用C25，基座底宽6 m，厚2 m，顶宽4 m，沥青混凝土心墙与混凝土基座之间、混凝土基座与塑性混凝土防渗墙之间均设置铜止水，接触面设2 cm厚砂质沥青玛蹄脂，以增大粘结力，并适应心墙的水平变形。如图1所示。

图1 沥青混凝土与心墙连接详图

4 坝体参数计算

4.1 坝坡稳定计算

上、下游坝坡的稳定性计算主要采用简化Bishop法，坝体分区材料参数采用线性抗剪强度指标，其计算参数主要根据室内试验数据与国内外类似工程的经验数据类比拟定，取值详见表1。因岸坡坝段基础全风化埋藏较深，主要选取大坝岸坡典型剖面计算坝坡稳定性，计算结果见表2。

表1 坝体填筑材料设计计算参数

4.2 应力与变形计算

本工程选取典型断面，采用邓肯-张模型作为坝体材料的结构模型进行数值计算分析，用二维非线性有限元法，充分考虑筑坝材料的非线性特点，采用分期加荷的方式模拟坝体分层填筑与蓄水过程。邓肯模型筑坝材料物理力学参数主要依据材料试验成果和参考类似工程拟定，具体见表3和表4，选取计算的最大坝高断面有限元网格见图2。

图2 计算断面二维有限元网格

表2 岸坡坝段坝坡稳定计算成果

表3 大坝坝体材料计算参数表

表4 不同工况条件下计算结果表

计算结果表明，坝体堆石的最大主应力等值线与坝坡趋于平行，应力分布规律比较合理，最大主应力为2 990 kPa，发生在主堆石区内，说明水压力主要由堆石区承担，最小主应力为533.7 kPa。坝体堆石的沉降变形均出现在施工期，最大竖向沉降位移为34.91 cm，最大水平线位移为9.48 cm，与已建工程的变形相比，本工程的变形较小，符合一般规律。

4.3 渗流分析

通过二维有限元计算方法，选取典型断面，对坝体渗流进行数值模拟分析。典型断面对材料分区进行概化，针对正常蓄水位工况建立二维稳定渗流数值模型，计算模型底部隔水边界取至新鲜岩体以下50 m。

通过二维有限元渗流分析，得到计算剖面坝体坝基的单宽渗流量。计算成果表明，大坝在计算工况下，总渗漏量小于709.4 m3/d，渗漏量较小，满足规范要求；沥青混凝土心墙的最大水力梯度为40.02，在允许范围内。

5 结语

通过本文的设计研究和计算分析表明，该抽水蓄能电站沥青混凝土心墙坝的设计是合理的，可以为以后类似工程的设计和建设提供一定的参考。