水库混凝土面板建筑结构的优化设计

某水库大坝是一座采用C25W12F100混凝土面板的堆石坝，最大坝高95m。坝址位于高山峡谷地区，存在崩塌堆积、采空塌陷及岩体风化等地质问题，坝基地质条件较复杂，需要在勘察设计阶段对其布置方案及结构参数进行深入研究。围绕减少开挖及填筑工程量、增强坝基坝肩稳定性、确保防渗止水效果等关键技术难题，经多次体型结构优化调整，确保堆石坝枢纽布置、结构分区、坝基处理等均满足技术规范要求，对提高工程投资经济效益起到关键性作用。下面是鲁班乐标带来的关于水库混凝土面板建筑结构的优化设计的主要内容介绍以供参考。1工程概况某水库是以发电、农业灌溉和城镇供水为主，兼有农村人畜饮水等功能的一项综合性水利工程，坝址以上集雨面积101.65km2，水库正常蓄水位1416.00m，死水位1376.50，设计洪水位1416.36，校核洪水位1418.32m，总库容1995×104m3，兴利库容1345×104m3，死库容425×104m3，最大坝高95m，坝顶高程1419.80m。工程等别Ⅲ等，工程规模为中等，其永久性建筑物大坝按2级设计，坝型为砼面板堆石坝，建设工期29个月。2坝址地形地质条件河流总体为向左岸（NW）凸出，流向为N60°E转E，下游侧转至N45°E；坝址段河谷为不对称或基本对称“V”字型谷，河床高程1322―1330m，坝址坝段长约480m。设计正常蓄水位1416.0m时，谷口宽约210m，宽高比约3；左、右岸山脊高程大于1515.00m。左岸坡地形零乱，为一约凸出的山脊地形，冲沟较发育；右岸地形相对单一，总体为一凸出的山脊地形。坝址区主要出露（P3l+d）砂岩、粉砂质页岩、砂质粘土岩及煤层；（T1f1）粉砂质、钙质泥岩、泥质粉砂岩及粘土岩；（T1f2-1）粉砂质泥岩、紫红色泥质粉砂岩、粉砂岩及砂岩、紫红色泥岩等；第四系残坡积层（Qel+dl）；冲洪积层（Qal+pl）；崩塌堆积（Qcol）。坝址区岩体较完整，岩层产状为N75°―85°W/SW∠60°―70°，坝址区未见较大的褶皱及断层等通过，区内主要发育4组裂隙。坝址区物理地质现象主要为崩塌堆积、采空塌陷及岩体风化：①崩塌体：主要分布于坝轴线上游侧两岸坡，左岸（3#崩塌体）估计方量约3万m3；右岸（4#崩塌体）估计方量约4.5万m3，成份主要为粘土夹块石，未见架空现象，堆积较密实；②采空塌陷：主要分布于下坝址下游左岸，地表已形成多个塌坑，房屋大部分已经开裂，局部已塌陷。③岩体风化：左岸强风化深9.00―20.00m；河床强风化深3.00―9.00m；右岸强风化深13.00―18.00m。坝址区为碎屑岩地层，地下水主要为基岩溶隙水，岩体透水性弱，属相对隔水层。两岸地下水补给河水。坝址区为三叠系下统飞仙关组第二段第一亚段（T1f2-1）粉砂质泥岩、泥岩、泥质粉砂岩、砂岩等，岩体呈互层状结构，岩层倾右岸略偏上游。根据试验物理力学指标：砂岩强度较高，岩块饱和抗压强度大于40MPa；泥质粉砂岩强度一般，岩块饱和抗压强度小于20―30MPa；粉砂质泥岩、泥岩强度较低，岩块饱和抗压强度小于20MPa，经过综合分析及工程类比法，坝基岩体承载力建议值：砂岩为2500―3500kPa；泥质粉砂岩为2000―2500kPa；粉砂质泥岩、泥岩为1000―1500kPa。由于坝基以软质岩及较软岩为主，刚性坝建基面应置于弱风化中下部岩体，但岩体物理力学指标较低，需重视坝基岩体压缩变形问题；柔性坝建基面可置于强风化岩体上，但上游侧趾板处在崩塌体上，开挖难度及开挖量较大[1，2]。根据地形地质条件分析，由于坝基以软质岩及较软岩为主，不宜于修建刚性坝，所以以面板堆石坝为代表坝型进行枢纽布置。3混凝土面板堆石坝方案优化设计面板堆石坝方案枢纽布置为：面板堆石坝+右岸溢洪道+右岸取水兼放空隧洞等。首部枢纽布置如图1所示。3.1面板堆石坝（1）坝体结构参数坝轴线方位NW51.290，坝顶长272.7m，宽6.5m，坝顶高程1419.8m，防浪墙高程1421.0m，建基面高程1321.00m，最大坝高98.6m。上游坝坡1：1.4，下游坝坡1：1.3，下游坝坡分别在1357m、1387m高程设置2m宽的马道。大坝坝体结构为：上游防渗面板+垫层区+过度区+主堆石区+下游堆石区+下游块石护坡+大块石护脚。砼面板堆石坝标准断面剖面，如图2所示。（2）坝顶设计根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013），综合考虑坝高、交通及坝顶布置等要求[3]，并参照一般工程经验取坝顶宽度9.00m。坝顶上游设防浪墙，下游设栏杆，坝顶面做成单侧排水坡，坡度为1%。防浪墙采用L型钢筋混凝土结构，墙底高程1417.0m，高出正常蓄水位1.0m，墙高4.0m，与面板相接处设伸缩缝及相应止水。（3）混凝土面板面板厚度：按控制水力梯度小于200，便于钢筋及止水布置时的较小厚度设计，采用由顶部向底部逐渐增厚的形式，顶部厚度0.30m。垂直缝间距为12m面板混凝土强度等级采用C25、二级配；抗渗等级W12；抗冻等级F100；水泥为525#普通硅酸盐水泥；掺用符合标准的粉煤灰[4]。根据规范要求，面板为单层双向配筋，纵向配筋率0.4%，横向配筋率0.4%，周边缝及受压伸缩缝附近面板内，布置加强筋。（4）趾板趾板建基面宜置于坚硬的基岩上，厚度0.8m。趾板建基面为弱风化上部或强风化下部，弱风化岩体允许水力梯度为10―20，强风化岩体允许水力梯度为5―10。（5）坝体分区坝体自上游至下游依次分为石碴盖重区（1B）、粘土铺盖区（1A），混凝土面板（F）、垫层区（2A）、周边缝下特殊垫层区（2B）、过渡层区（3A）、主堆石区（3B）、次堆石区（3C）、大块石护脚（3F）及下游块石护坡区（3D）。垫层区采用上、下等宽布置，其水平宽度取3.00m。过渡区上、下等宽布置，其水平宽度采用3.00m。主、次堆石区在上、下游方向以坝轴线下游3.00m处高程1407.00m的点为起点、1:0.4倾向下游坡线为分界线，上游为主堆石区3B，下游为次堆石区3C；下游最高水位为1331.17m，留有余地，以1332.00m高程作为湿润和干燥区的分界线。在竖直方向1332.00m高程以上为次堆石区3C，以下为堆石排水区3F。下游坡面设水平宽度为0.6m的大块石护坡。在1355.00m高程以下的面板上游，设顶部宽度为2.00m，坡度为1:1.6的铺盖区；铺盖区上游设顶宽4.00m、坡度为1:2的土石盖重区。（5）分缝及止水周边缝为面板与趾板间的分缝，采用三道止水。顶部止水由缝口Φ70mm橡胶棒、柔性填料和橡胶波形止水带覆盖组成；中部止水为“Ω”型紫铜片，布置在周边缝中央偏表部；底部止水采用“F”型紫铜片。由于面板垂直缝的张、压特性事先不能准确预计，从保证止水系统完整性出发，止水结构设计均按张性缝处理[5]。面板垂直缝采用两道止水，底部设“W”型紫铜片止水；顶部止水由Φ40mm橡胶棒、柔性填料和橡胶波形止水带覆盖组成。防浪墙与面板间水平缝，设顶、底两道止水，底部采用“W”型紫铜片止水，顶部与面板顶部止水相同。每12.0m设一条沉降缝。缝内设一道紫铜片止水，止水带与防浪墙底部的止水铜片相接。3.2溢洪道溢洪道采用岸坡式开敞式溢洪道，紧邻右坝肩布置，由引渠段、控制段、泄槽段和消力池段组成。引渠段主要是将库水平顺地引入控制闸，引渠底板高程1407.00m，轴线长98.848m，引渠底板厚200mm。闸室控制段基础置于新鲜的砂质泥岩上，闸室采用3孔布置，溢流净宽16.00m，中墩厚2m，边墩厚度2.0m，总宽24.00m；闸室沿水流向长18.249m（桩号溢0+000.000―溢0+018.249），闸室顶高程与大坝坝顶齐平，上部设启闭机室及交通桥；闸室底部及两侧灌浆帷幕与坝肩及右岸山体连接。泄槽底坡根据泄槽内水流平稳、水面线平顺的原则，并结合地形尽可能减少开挖和回填工程量等要求研究形成缓坡、陡坡结合的型式。桩号溢0+018.249―溢0+032.520段为侧收缩段，坡降i=0.0167，收缩段首端宽22m，尾端宽16m，侧墙采用C20钢筋砼厚2m，底板采用C30钢筋砼厚0.5m；收缩段后接缓坡段（桩号溢0+032.520―溢0+046.792），底坡i=0.0167，长14.274m；缓坡后接一北盘江段抛物线（桩号溢0+046.792―溢0+075.843），抛物线方程为：y=0.017x+0.012x?，长31.414m；抛物线后接陡坡段（桩号溢0+075.843―溢0+124.450），底坡i=0.714，长约59.733m；陡坡段后接圆弧段（桩号溢0+124.450―溢0+136.380），圆弧半径R=10m，长14m，圆弧段后再接陡槽段（桩号溢0+136.380―溢0+199.610），底坡i=0.714，长约71.310m。泄槽段为矩形横断面，宽度16米，混凝土底板衬砌厚0.5m，侧墙高3.34m，厚1m。泄槽段总长度约205m。泄槽后设置消力池，消力池长34.983m，宽16m，底板高程1319.60m，泄槽与消力池采用反弧段连接，反弧半径R1=6m。3.3取水兼放空工程根据大坝枢纽布置情况，结合地形地质条件及面板堆石坝相关特性，从方便施工，节约工程投资等多方面考虑，取水方式采用取水放空工程与施工导流工程三洞合一，进口段采用龙抬头方式。取水兼放空隧洞进口底板高程为1360.25m，高于淤沙高程1359.00m。进口塔架段长8.85m，宽6.5m，顶部高程与大坝坝顶高程相同，为1419.8m。进口塔架上布置启闭机室及交通桥。根据进口段的地形条件，在1419.8m高程布置交通道路，与右岸坡公路相连接。取水口进口为三面收缩的喇叭型，并设置固定式拦污栅，孔口尺寸为2.0×1.5m（宽×高）；拦污栅后设置1扇检修闸门，孔口尺寸为1.5×1.5m；闸门后为渐变段，长3.0m，后接φ1500厚度为14mm的压力钢管，引水至大坝下游。取水兼放空管龙抬头段（管0+000.000―0+051.773）采用埋管型式，管外回填C20砼厚0.6m，龙抬头段与导流洞交接段采用C15砼回填，回填段长20m；钢管与防渗帷幕线交接段采用31m长的C20砼堵头封堵。取水兼放空隧洞出口依次设置闸阀和六声道超声波流量计，闸阀内径1.5m，用于控制流量。钢管在导流洞出口分岔，支管管径均为1.0m，分别用于输水和放空。4基础处理优化设计4.1坝基开挖坝址河段河谷狭窄，河谷两岸及河床出露地层为T1yn1-3，上部岩性以灰色薄至厚层灰岩为主，夹灰至灰绿色薄至中厚层泥质灰岩、薄层泥灰岩，下部为极薄层泥灰岩夹薄至中厚层灰岩条带，岩石强度较高，属中硬岩-硬质岩类。岩体呈层状结构，弱风化至新鲜岩体结构面中等发育（多闭合），无贯穿性结构面，岩体较完整，强度较高，抗滑、抗变形性能力较强；强风化岩体卸荷带较发育，岩体完整性相对较差，抗滑、抗变形性能力受结构面和岩块间嵌合能力控制。坝址岩层产状为N70°―85°W/SW∠55°―∠60°，总体倾向上游偏右岸，坝址区未见大的地质构造形迹，主要以小规模层间错动带、挤压破碎带为主，局部有小规模绕曲现象。根据坝址地质情况，河床段大坝建基面置于弱风化下部，接近坝顶高程的拱圈建基面置于弱风化中、上部，接近河床的拱圈建基面至于弱风化底部或微风化上部。由于左坝肩下游有崩塌堆积体（已清除），因此，适当加深了左拱圈的嵌深。大坝开挖深度除考虑地质因素外，还需满足坝基（肩）抗滑稳定要求，平均法向嵌深16.0―24.0m。开挖边坡基岩按1：0.3边坡开挖，河床沙砾石按1：1边坡开挖。由于两岸坡地形较陡，为防止沿基础接触面渗漏，并增强表层固结灌浆效果，大坝左右两岸建基面作接触灌浆处理[6]。坝基（肩）开挖后，由于左岸岸坡较陡，在大坝左、右坝肩形成10.0―15.0m高的开挖边坡，为保证施工期及运行期边坡稳定，对该边坡采取的主要措施是“Φ25系统锚杆+C20喷混凝土+Φ8钢筋网（双层）”支护，锚杆间距3.0m，深入岩层长度3―5.0m，呈梅花型布置。4.2固结灌浆大坝基础开挖过程中，爆破震动可能使岩体松动，并存在部分裂隙向坝基岩体内延伸发展的可能性，从而降低其承载力。因此，为保证坝基岩体的完整性，提高基础承载能力，需对大坝基础作固结灌浆处理。固结灌浆孔布置于整个坝基面，沿坝底宽度方向按7排呈梅花形布置，排距3.0m，沿坝基面纵向孔距3.0m，除上游面三排孔深15m外，其余孔深8m，灌浆压力0.3―0.5MPa。4.3防渗帷幕坝址区为T1yn1-3地层，岩层总体倾向上游偏右岸，两岸坡岩体为弱岩溶含水层，主要为基岩裂隙水。岸坡及河床强至弱风化岩体裂隙较发育，渗漏型式主要为库首绕坝裂隙性渗漏和岸坡层间渗漏，拟采用帷幕灌浆解决渗漏问题，降低坝基渗透压力，保证坝肩稳定。由于坝址区为弱岩溶发育区，可能存在岩溶管道水，防渗边界考虑接上游T1yn2及下游T1f2碎屑岩地层，根据最短布置原则，左岸边界接T1f2，右岸边界接T1yn2，同时下限满足帷幕端点进入地下水位以下10―15m为宜；河床坝段防渗帷幕下限深入建基面以下0.3―0.7倍坝高，同时保证透水率小于3Lu。防渗帷幕采用单排孔，孔距为3m，左、右岸帷幕端点为地下水位与正常蓄水位的交点，防渗下限深入地下水水位线以下15m。坝基帷幕灌浆施工按1347.0m高程以下在灌浆廊道中进行，1347.0m高程以上从坝顶钻孔进行，分层实施，帷幕灌浆最大孔深81m。两岸的防渗帷幕主要为露天灌浆，灌浆压力按孔口段1.5倍水头，孔底段2倍水头控制。1）根据拟定坝址区地形地貌及地质结构条件，结合建基面选择和首部枢纽筑物布置，推荐采用砼面板堆石坝，并对堆石坝坝体分区和体形结构特性参数进行了优化调整。2）按照《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013）指标要求，经多次体形优化调整，大坝坝顶高程确定为1419.80m，坝顶宽9m，采用C25W12F100混凝土面板。3）采用局部加深嵌深并回填混凝土、7排梅花孔固结灌浆、分层帷幕灌浆等防渗加固技术进行综合处理，有效增强了岩体整体性和牢固性，确保坝基、坝肩、坝体等结构稳定。更多关于“水库混凝土面板建筑结构的优化设计”等建筑方面的知识和建筑施工企业资质，可以登入中国鲁班乐标鲁班乐标进行查询。更多关于建筑行业独家信息，敬请实时关注鲁班乐标微信号。关注手机鲁班乐标（m./），实时了解建筑行业最新动态。