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溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝关键技术研究

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第39卷第11期 2013年11月 水力发电 瀑阳抽水蓄能电玷上水库面板 堆眉坝哭键技术研究 宁永升 ,z (1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室,湖南长沙410014; 2.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410014) 摘 要:溧阳抽水蓄能电站上水库主坝坝型为混凝土面板堆石坝,全部用工程建筑物开挖料填筑,坝料岩性复杂; 坝基地形轴线向呈“W”形,横断面地基为倾向下游的斜坡,不均匀变形突出;地质条件差,库周、库底防渗等均 是工程的关键技术。结合工程特点,从坝料特性、施工期大坝变形控制、强震区库盆动水压力、面板防裂措施和连 接板结构形式等方面对工程关键技术进行了研究,提出了变形控制、渗流控制、施工质量控制措施等。 关键词:面板堆石坝;关键技术;变形控制;渗流控制;质量控制;溧阳抽水蓄能电站 Research on Key Techniques for Constructing Upper Reservoir"s CFRD of Liyang Pumped-storage Power Station NING Yongsheng ' (1.Hunan Province Key Laboratory of Key Technologies for Water Power Resources Development,Changsha 410014, Hunan,China;2.HydroChina Zhongnan Engineering Corporation,Changsha 410014,Hunan,China) Abstract=The main dam of upper reservoir in Liyang Pumped-storage Power Station is a concrete faced rockfill daⅡL The dam is fully constructed with excavated materials of project and the lithology of rock ifll is complicated.The differential deformation of dam is a major problem because the dam foundation in longitudinal direction presents a W-shape and in transverse direction dips toward downstream.Due to poor geological condition,the seepage control or freservoir basin and its perimeter is also prominent.By considering the characteristics of prjaect'these key technical issues are studied from the aspects of embankment material features, deformation control measures in construction period,hydrodynamic pressure of reservoir basin in earthquake zone,crack control measures of face slab and connecting plate structure,and corresponding control measures of deformation,seepage and quality are ifnally proposed. Key Words:concrete faced rockfill dam;key technique;deformation control;seepage control;quality control;LiyaIlg Pumped- storage Power Station 中图分类号:rrv641.43;TV743(253) 文献标识码:B 文章编号:0559—9342(2013)l1-0103—04 1工程概况 溧阳抽水蓄能电站位于江苏省苏南地区溧阳市 境内,电站装机容量1 500 MW,为一等大(I)型 工程。枢纽主要建筑物有上水库大坝、输水系统、 上水库主坝已填筑至263 in高程,累计完成土石方 填筑1 360万IT1 ,完成填筑总量的90%。 2上水库主坝工程特点 (1)坝址地形复杂,大坝及库盆建基面纵向为 发电厂房及下水库大坝等。上水库正常蓄水位291 m, 死水位254 m,总库容1 422.9万m 。上水库主 坝坝型为混凝土面板堆石坝,坝高165 m(坝 17。斜坡,坝轴线方向为“W”地形,大坝不均匀沉 降变形突出。坝体变形控制是工程关键技术之一。 轴线处),上游坝坡坡比1:1.4,下游综合坝坡坡比 1:1.45。 收稿日期:2013—09—09 作者简介:宁永升(1973一),男,湖南邵东人,高级工程师, 从事水电工程设计工作. 工程主体工程于2011年4月开工建设。目前, Water Power Vo1.39 No.11圆 小/J仅吧 ZUI 耳1 1月 (2)坝高165 m,大坝填筑量1 550万ITI ,在 国内目前开工建设的抽水蓄能电站中,坝最高,填 筑量最大,坝料全部利用建筑物开挖料。土石方挖 填动态平衡规划是本工程设计难点。 (3)坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。设计烈度Ⅷ 度。应重视大坝抗震分析研究和抗震措施设计。 (4)大坝填筑料全部利用工程建筑物开挖料, 主要采用下水库开挖料、上水库开挖料和输水发电 系统的洞挖料。料源复杂,如何合理利用开挖料特 别是软岩料筑坝,在提高经济效益的同时.取得环 保效益,需要对大坝分区以及各区的填筑标准进行 研究 (5)上水库库底采用土工膜水平防渗。土工膜 与排水廊道、连接板等混凝土建筑物防渗接头复杂, 类似可借鉴的经验少,库底土工膜防渗技术是工程 关键技术之一 针对以上工程特点和高面板堆石坝建设现状, 对溧阳抽水蓄能电站面板堆石坝关键技术进行了研 究 3坝料特性研究 大坝填筑料全部利用工程建筑物开挖料.填筑 石料岩性不均一,部分区域填有强风化料、蚀变岩 等软岩。在施工阶段对筑坝材料进行室内试验和现 场生产性爆破试验与现场碾压试验 3.1 堆石料工程特性试验研究 下水库开挖凝灰岩、安山岩、花岗斑岩等筑坝 材料特性变幅大、均匀性较差且伴有蚀变带(软 岩)。开展筑坝材料的室内常规三轴试验.以及上水 库面板坝在发电和抽水循环工况下应力变形特性的 试验研究。通过对堆石料的力学参数进行反演研究, 减小缩尺效应,求取合理的模型计算参数,进一步 验证大坝变形与应力计算结果.为设计优化提供依 据。 三轴试验结果显示。垫层区、过渡区、主堆石 区、增模区、干燥区料的强度参数 分别为40.0。、 39.5。、37.5。38.0。、38.1。、37.0。37.9。,邓肯模型 参数值分别为943.3、937.2、672.3~828.3、938.6、 583.8~797.2。试验各区筑坝料总体上符合面板堆石 坝从上游到下游模量逐级递减的设计原则,其应力 应变曲线具有非线性、压硬性和弹塑性等一般规律, 摩尔圆强度包络线较好,各区筑坝材料的应力应变 关系曲线基本符合邓肯一张模型曲线。 3.2堆石料现场爆破和碾压试验研究 通过对工程建筑物开挖料源各种岩性的石料进 行现场生产性爆破试验与现场碾压试验,寻求垫层 WaIerPower Vo1.39 No ¨ 料、过渡料、主次堆石料等各分区合理的级配曲线 和爆破参数。以分形理论为研究手段.对影响堆石 料压实特性的主要要素进行量化分析,选取颗粒级 配的粒度分维作为研究堆石料结构参数的指标,利 用现场相同压实条件下的干密度参数对其颗粒级配 进行评价.通过调整爆破方案来优化筑坝堆石料的 颗粒级配 现场爆破试验表明:由于岩石节理与隐节理非 常发育,在低装药松动爆破条件下,爆破后的岩石 整体较破碎,粒径400 mm以上颗粒极少。为此, 在试验中根据地质条件的差异对爆破孔间排距以及 炸药单耗进行了调整,但粒径并未因此发生变化, 爆破料级配不能满足原设计要求.最终设计根据爆 破试验对各分区级配进行了优化。 现场碾压试验表明:上下水库堆石料的沉降收 敛特性符合一般规律,8遍、l0遍沉降曲线开始收 敛;碾压破碎率比较大,上水库为15%~25%,下水 库为10%~20%。通过对比不同铺厚、洒水量、碾压 遍数情况下碾压效果。优选碾压参数。 3.3设计优化及调整 结合溧阳大坝填筑坝料的实际情况,研究提出 并优化各分区的施工填筑标准,使得不同分区堆石 的密实程度相互协调且符合规范要求,以便控制大 坝总体变形在合理范围,同时确保大坝各分区的变 形协调,为大坝防渗体系的运行安全提供保障。 (1)大坝分区调整。①增加185 ITI高程以下增 模区和265.8 m高程以上顶部增模区;②次堆区 (干燥区)由210 m高程降低至200 m;③过渡区后 增加10 m宽排水区。 (2)对各分区的施工填筑标准调整:①根据现 场爆破试验调整级配曲线的上下包络线范围;②调 整各分区填筑参数,包括干密度、孔隙率、渗透系 数、P5和P0.075含量等;③根据料源实际情况,蚀 变带附近的爆破开挖料全部剔除存在困难,因此允 许掺混不超过8%的的蚀变岩。 4施工期大坝变形控制研究 4.1 建立正分析模型。预测大坝应力与变形 建立以Boltzmann继效理论为基础的增量型流 变模型.研究土石坝变应力作用下的流变规律。进 行室内增量路径的三轴流变试验,研究提出适合于 溧阳筑坝堆石料流变特性的本构模型与参数。施工 阶段,基于大坝填筑参数和施工进度建立正分析增 量模型.进一步进行大坝静动力有限元计算分析, 预测施工期大坝的应力及变形,以便采取相应措施 控制大坝不均匀变形。 弟39雹弟l I期 丁iK3"1: p日州| 苗露 t:p2,JO.[: ̄水厍圆假胜勺 大健仅小计, 施工仿真分析结果表明:坝体的变形和应力分 计。在大坝的两坝肩部位,由于坝轴线弯曲,导致 面板缝的变形较大,坝体动应力也较大。建议加强 该部位堆石的施工质量控制,适当增加垫层区的宽 布较为复杂;与已建200 m级面板坝实测资料比较, 大坝预测变形相对较大.最大沉降为坝高的1.2%~ 1.4%:面板的挠度为38.3~46.6 em,相对于面板的 度,同时对面板止水结构进行仔细设计,确保大坝 运行安全 长度而言偏大;面板接缝变形相对较大,但最大值 基本在设计容许范围内;连接板无论变形还是应力 均较大.计算的最大拉应力已超过2 MPa。 5强震区库盆动水压力研究 5.1 堆石料的动力变形特性研究 进行与原型大坝遭遇实际地震相似加载方式的 动力三轴试验.研究堆石体试样的振动硬化现象, 4.2基于大坝原型监测资料动态反演分析的反馈设 计研究 结合大坝实际填筑施工进度,采用适应于面板 坝原型资料验证的增量流变模型,进行大坝施工全 过程的动态反演研究,在及时复核大坝实际填筑质 量的同时,优化大坝设计填筑方案,指导施工。 计算结果表明:大坝的变形与应力计算结果略 小于采用室内流变试验参数计算值,但变形稳定的 时间延长。目前大坝已填筑至263 m高程,坝高达 133 113..施工期最大沉降为66.1 em。 4.3坝体变形控制措施研究 根据施工期大坝的变形与应力三维有限元分析 和监测资料.提出大坝变形控制措施: (1)改善坝基地形条件。上水库主坝坝基为两 沟一山脊“W”地形,且沟和山脊均约17。倾向下 游,对坝的稳定和坝体不均匀变形很不利。对坝基 地形进行改造的措施包括:①对中部山梁凸起部位 进行削坡开挖,形成185m高程平台,减少坝体在 平行坝轴线方向的不均匀沉降。②结合坝基开挖, 对中部山梁陡峻基岩坡面进行台阶开挖,在170 m 高程形成10 m宽平台,减少堆石体沿基岩面的下滑 力。 (2)185 m高程以下设置增模区。在坝体185 m高程以下、排水区以上部分设置增模区,减少 “W”地形和斜坡地形对坝体不均匀变形的影响。采 用下水库库盆开挖的弱风化~新鲜石料填筑,堆石的 最大粒径600 mm.粒径小于5 mm的含量控制在不 大于20%,小于0.075 mm粒径含量不大于5%。压 实层厚0.6 m,设计干密度不小于2.18 cm ,孔隙 率不大于18%。 (3)合理安排预留沉降周期,尽量减少坝体后 期沉降。大坝面板必须在坝体填筑完成经过至少6 个月的沉降且沉降速率不大于5 mrn/月后才能施工。 (4)根据大坝施工期监测成果,调整大坝与库 底预留沉降超高。根据大坝三维有限元计算成果, 主坝坝顶和库底回填区预留沉降超高O~1 m,施工 阶段根据大坝施工期监测成果.调整大坝与库底预 留沉降超高。 (5)加强两岸部位施工质量控制和关键部位设 寻求其非线性、滞后性和残余变形的规律,研究适 应大坝堆石体的合理动力本构模型与计算参数,使 得面板坝的非线性动力计算具有更为客观的科学依 据。 5.2强震区抽水蓄能电站的库盆动水压力与大坝动 力反应研究 考虑库水可压缩性和表面波的影响.研究库盆 内水体的自振特性。考虑库底回填石渣地基、库岸 岩质边坡能量反射与吸收.研究地震时是否可能发 生共振使得动水压力急剧增大的现象:研究面板坝 动水压力的规律,建立动水压力数值计算的方法。 计算大坝的地震加速度反应、动位移、动应力、震 后永久变形以及坝坡动力稳定性,研究动水压力对 抽水蓄能电站面板坝动力反应的影响。 5.3强震区抽水蓄能电站大坝的极限抗震能力与安 全评价研究 对溧阳抽水蓄能电站大坝极限抗震能力进行研 究,为采取有效抗震措施、减小高土石坝的抗震风 险提供依据。 5.4抗震工程措施研究 根据抗震研究成果,提出如下坝抗震措施: (1)地震时面板的动应力与坝高密切相关,上 水库大坝高度大于150 m。地震反应中高震型参与 作用强烈,坝的上部地震加速度放大效应显著,坝 体上部变形增大,坝顶部的“鞭鞘”效应使得面板 上部高应力区.在坝高的314~415附近面板应力最 大,在高应力区范围,面板加强配筋.提高面板双 向配筋率0.1%.以裂缝的扩展。265.8~284.5 1TI 高程处设置增模区,在不明显增加堆石颗粒破碎的 前提下,适当提高堆石体的填筑标准.提高坝顶抗 震能力。 (2)为提高坝体抗震性能,坝顶防浪墙采成U 形。 (3)下游坝坡采用预制混凝土网格梁护坡,提 高坝坡抗震能力。 (4)为防止高水位时遭遇地震造成破坏,接缝 Water Power Vo1.39No 11豳 爪/J仅吧 U1 年11月 采用能适应较大变形并具有自愈能力的止水结构。 针对溧阳抽水蓄能电站工程上水库大坝特点,垂直 缝尽量多地按照张性缝设计。在受压的面板区域选 择几条垂直缝,在缝内填塞有一定强度可压缩的填 充板,可以吸收部分地震中产生的能量,以保证受 压区面板不产生挤压破坏。 钢筋,压性缝内设橡胶板。 6.3连接板结构形式研究 溧阳工程上水库采用库底采用土T膜水平防渗, 面板坝趾板(连接板)不是坐落在基岩上,而是在 堆石体上,堆石体最大厚度达70 m,且顺轴线向为 “W”形,连接板基础存在不均匀变形。为减少基础 不均匀变形对连接板影响,采用以下措施: (5)对于垫层,要求具有较好的透水能力,以 保证地震时所产生的孔隙水压力迅速消散。 (6)在地震区修建混凝土面板堆石坝时,应适 (1)在大坝堆石体填筑完成后浇筑连接板,以 便有效减小水库蓄水时周边缝连接板的变形和应力。 (2)连接板尽量少设置结构缝或不设结构缝。 (3)连接板配双层钢筋。 当放宽坝顶宽度。类比其他强震区工程,溧阳抽水 蓄能电站上水库大坝坝顶宽定为10.0 m,均具有较 好的抗震性能 (4)连接板在大坝堆石体填筑完成后浇筑,以 便有效减小水库蓄水时周边缝连接板的变形和应力。 6面板防裂措施和连接板结构形式研究 6.1 混凝土面板和连接板抗裂验算方法研究 考虑钢筋混凝土的塑性特性,利用子结构原理. 进行面板和连接板的开裂计算与分析。高坝面板的 变形较大,将面板由目前的偏心受压的弹性结构处 7结语 根据施工阶段面板坝开挖现状、料源实际情况、 坝体分区优化等,结合大坝填筑现场的原型监测资 料,提出大坝的填筑质量标准,对面板坝施工期和 理为承受较大弯曲变形的弹塑性结构,同时进行变 形非线性问题研究。 运行期应力应变进行研究与反馈分析,对准确预测 大坝的工作性态.指导大坝的运行与管理,确保大 坝的安全,具有重大的现实意义。 6.2混凝土面板防裂措施研究 通过混凝土配合比及其性能试验明确大坝面板 设计强度,抗渗、抗冻等设计参数,提出满足溧阳 工程要求的设计配合比 参考文献: [1]宁永升.溧阳抽水蓄能电站上水库工程技术难点及其对策[J]. 调频调峰技术,2013(1):4—6. [2]宁永升,胡育林,胡旺兴,等.溧阳抽水蓄能电站枢纽布置设 计[J 3.水力发电,2013,39(3):29—31. [3]陈洪来,宁永升,常姗姗,等.溧阳抽水蓄能电站上水库面板 堆石坝设计及优化[J].水力发电,2013,39(3):32—34. [4]陈宁,祁舵,宁永升.溧阳抽水蓄能电站.I:程解决建设难点的 通过研究面板厚度及分缝宽度,面板配筋率和 钢筋直径,综合温差,混凝土热膨胀系数等面板抗 裂性能影响因素.提出如下面板抗裂措施: (1)掺聚丙烯纤维混凝土,掺量o.9 kg/m ,提 高面板混凝土抗裂能力。 (2)掺加引气剂、减水剂,降低混凝土水灰比。 (3)受压区面板周边距缝1 ITI范围内设抗挤压 举措fJ].水力发电,2013,39(3):1-5. (责任编辑焦雪梅) +“+”+一-+-一+一+一+”+一+ (上接第1O2页) 『8]张光州.王德胜,丁剑锋.运用MATLAB对爆破震动数据的回 归分析[J].山西建筑,2005,31(16):102—103. 『9]曾科,周林,贺盼旬.复杂环境下水电站厂房开挖控制爆破试 参考文献: [1]GB 6722—2003爆破安全规程[S]. 验研究fJ],爆破,2010,27(1):48—50. [1O]傅倬,方向,郭涛等.田湾核电二期深孔台阶爆破振动监测与 分析[J].工程爆破,2008,14(3):74—76. [2]DIJT 5135--2001水电水利工程爆破施工技术规范[s]. [3]DL/T 5010--2005水电水利工程物探规程[S]. [4]DL5061--1996水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范[S]. [5]吴新霞,任贤斌,王文辉.采石场周边民房爆破振动破坏范围 的鉴定方法[J] 爆破,2009,26(4):94—95. [6]蔡冻,吴立,梁禹.野山河隧道爆破振动监测与分析[J].爆破, 20O9,26(4):89—92. [11]梁向前,张芳等,爆破挤淤水中冲击波特性分析及工程监测 『J].工程爆破,2006,12(2):16—18. f12]张文煊,刘美山,大型水电站围堰及岩坎爆破拆除中的安全 防护问题研究[J].工程爆破,2008,14(4):76—81. 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