猴子岩水电站面板堆石坝趾板设计

索慧敏　何　兰

（中国电建成都勘测设计研究院有限公司）

【摘　要】　猴子岩水电站混凝土面板堆石坝地处狭窄河谷，两岸地形不对称，河谷宽高比约1.25，最大坝高223.5m，为目前世界第二高混凝土面板堆石坝，趾板结构布置和结构设计存在一定难度。本文结合猴子岩水电站坝址区地质地形条件，阐述趾板布置原则；结合工程特点，介绍趾板基准线的选择、趾板结构型式、趾板厚度、混凝土及配筋设计等；介绍深达70m深基坑趾板回填基础（趾墙）设计；趾板施工采用预留宽槽、跳块浇筑，宽槽中后浇筑低热微膨胀混凝土；介绍了不同地质条件下，趾板基础处理措施。

【关键词】　猴子岩水电站　趾板设计　回填基础　基础处理

1　概述

猴子岩水电站为大渡河干流水电规划22级开发方案的第9个梯级电站，位于丹巴县城下游约47km处。电站开发任务主要为发电。电站装机容量1700MW，水库总库容7.06亿m3，具有季调节性能。电站采用堤坝式开发，拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为1848.50m，坝顶宽14m，上游坝坡1：1.4，下游坝坡考虑之字形公路后综合坡度约1：1.7，最大坝高223.50m，坝顶长278.35m。

猴子岩水电站混凝土面板堆石坝地处狭窄河谷，两岸地形不对称，河谷宽高比约1.25，最大坝高223.5m，为目前世界第二高混凝土面板堆石坝，趾板结构布置和结构设计存在一定难度。本文将对猴子岩面板堆石坝趾板结构设计进行概括和阐述。

2　趾板基础地质条件简述

左岸趾板区地形从上游到下游地形坡度由缓变陡，自然坡度由35°～45°变为55°～ 65°。建基岩体为厚层—巨厚层状，局部薄层状白云质灰岩、变质灰岩，夹含绢云母变质灰岩等，岩石较坚硬完整，岩溶发育轻微，以溶孔、溶隙为主。趾板未发现大的断层及层间挤压破碎带，岩体中可能随机分布小的断层及顺层挤压破碎带。左岸低高程岩体风化卸荷较浅，强卸荷、弱风化上段水平深度0～19.5m，弱卸荷、弱风化下段39 ～51m；中高程岩体强卸荷、弱风化上段水平深度13m，弱卸荷水平深度56m、弱风化下段水平深度65m；高高程强卸荷、弱风化上段水平深度8～30m，弱卸荷、弱风化下段39～65m。

河床趾板部位建基岩体为薄层-中厚层-巨厚层状白云变质灰岩、变质灰岩，局部含绢云母变质灰岩等，岩石较坚硬完整，岩溶不发育。岩体中随机分布小的断层及顺层挤压破碎带。趾板基座回填混凝土大部分建于弱风化下段岩体上，部分为微新岩体。

右岸趾板部位地形坡度60°～65°，局部达72°。建基岩体为厚层-巨厚层状，局部薄层状白云变质灰岩、变质灰岩，局部含绢云母变质灰岩等，岩石较坚硬，岩溶不发育。趾板未发现大的断层及层间挤压破碎带，岩体中有随机分布小断层及顺层挤压破碎带。右岸低高程岩体风化卸荷较浅，强卸荷、弱风化上段水平深度2m，弱卸荷、弱风化下段55～65m；高高程强卸荷、弱风化上段水平深度51～65m，弱卸荷、弱风化下段110m。

3　趾板设计

3.1　趾板布置

本工程趾板布置按以下基本原则布置：①趾板基础原则上坐落在坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化至新鲜基岩上，对于强卸荷岩体需加强固结灌浆处理；②趾板线布置尽可能平顺；③为避免开挖工程量过大，可适当设置转折点；④趾板线尽可能避开断裂发育和风化强烈等不利地质条件地基，使趾板基础的开挖和处理工作量较少。依据上述原则，并结合地质条件和大坝布置要求，趾板基本沿地形布置，为了减少开挖量，采用“等宽窄趾板+防渗板”的布置型式。趾板建基面大部分置于弱风化上段强卸荷岩体上，河床段趾板建基面为弱风化—新鲜岩体。趾板采用结构型式较简单的平趾板，施工方便，并且易于固结灌浆和帷幕灌浆作业。趾板轴线平面布置见图1。

3.2　趾板定线

通常趾板以X线（即面板底面与趾板底面的交线）作为趾板的基准线，但对于高陡狭窄河谷面板堆石坝，由于其两岸趾板线与河流夹角较小，常出现X线超出趾板区域（图2）情况，增加了趾板施工放线难度，同时拐点处接头趾板设计和施工难度亦较大。本工程坝址区河谷狭窄，趾板以拐点和厚度变化处为界，共有8段，其中5段X线位于趾板区域之外，1段垂直于坝轴线，结合本工程V形河谷特点，最终选择Z线（即面板底面与趾板下游表面的交线）作为趾板设计的基准线（图2），这样不仅拐点数量较少、结构简单、便于接头段设计，同时现场施工放线更便捷、简单，从目前现场施工情况看效果较好。所以，对于狭窄河谷的趾板定线，建议采用Z线。

3.3　趾板宽度、厚度确定

为防止趾板基础发生渗透破坏，趾板宽度必须满足水力梯度要求。按照规范要求及参考类似工程，本工程趾板基础设计允许水力比降按15左右控制，可研阶段依此初定河床段趾板宽10m，两岸趾板宽度根据水头采用8m和6m。技施阶段，考虑到本工程两岸山体陡峻，采用常规趾板宽度，不仅趾板断面不经济，同时带来开挖量较大和增加边坡开挖高度及支护量，且工期相对较长。为此对趾板宽度和防渗型式进行了适当优化调整，通过技术经济比较，最终采用“等宽窄趾板+防渗板”的型式。其中河床趾板宽10.0m，两岸趾板等宽均为6.0m，根据水力梯度要求，河床段趾板后防渗板宽度约10.0m，1740.00m高程以下两岸趾板后防渗板宽度8.0m。为安全起见，两岸趾板下游的基岩面20m范围内进行喷混凝土以延长渗径。防渗板与趾板间设铜片止水，防渗板和喷混凝土不仅有防渗作用，同时兼顾趾板基础固结、帷幕灌浆盖重作用。

趾板厚度按以下几个方面因素确定：①满足趾板本身稳定要求并考虑与相邻面板厚度相适应；②趾板能起到灌浆平台的作用；③避免因温度应力引起的趾板裂缝；④满足施工要求，面板底面以下的趾板高度应满足规范要求。趾板设计特征见表1。

3.4　趾板混凝土、分缝及配筋

趾板作为面板与防渗帷幕之间的连接结构，要求混凝土具有良好的抗渗性和耐久性。由于趾板厚度较薄，受施工条件、地质条件和基础约束影响很大，故要求趾板混凝土无论在施工期还是运行期均须有良好抗裂性能。鉴于耐久性和抗裂抗渗要求，趾板混凝土采用C30W12F100混凝土，混凝土中添加粉煤灰、聚乙烯醇纤维、减水剂、引气剂等材料。

趾板钢筋布置在顶部，为单层双向钢筋，每向配筋率为0.4%。在周边缝侧的趾板混凝土中还增设抗挤压钢筋。趾板典型配筋见图3。

为加强趾板与基础的连接，保证趾板在灌浆压力及其他外力作用下的稳定，趾板设置ϕ28和ϕ32的锚筋，锚筋采用梅花型布置，锚筋间、排距为1.2m。

趾板采取连续、不设永久缝的布置方式，为防止连续趾板在施工期出现收缩裂缝，采用分序跳块浇筑的施工方法，每12～16m留一个1m宽的后浇带，浇筑间距时间大于90d，后浇块具有微膨胀性。对于施工缝，要求清除缝面疏松物并凿毛，在浇筑混凝土前涂水泥浆处理并嵌填“GBW”遇水膨胀止水条，钢筋穿过施工缝。

3.5　河床趾板回填基础（趾墙）设计

猴子岩坝址地形狭窄，基坑深达70m，基底最窄处约为7m，为减小基坑涌水对河床段趾板施工的影响和改善河床基坑施工条件，考虑河床深槽部位设置基础回填混凝土。招标阶段河床深槽回填混凝土拟定的断面较大，顶部顺水流方向长度为80m，最大深度14m，回填碾压混凝土C20。技施阶段为进一步减少回填混凝土量和方便施工，根据计算分析，将河床深槽由回填碾压混凝土调整为回填常态混凝土，高度降低为6.5m，顶部顺水流方向长度减小为40m。

高趾墙结构受力复杂，目前尚无规程规范提出专门要求，已建工程的稳定分析大多参照重力坝的有关要求，趾墙稳定应力计算分析过程中，墙体自重、水压力及扬压力均较准确计算，其所受填土土压力如何计算问题，尚有不同认识。美国面板坝专家谢腊德认为，高趾墙设计不能考虑堆石的支持作用，尤其不能考虑其被动土压力，以免发生不容许的位移。由于高趾墙近于重力坝的尺寸，故一瞥之下，这种设计好像是稳定的，然而，混凝土的重力与水压力之间的关系对于这种高趾墙是与重力坝完全不同的。如需设置高趾墙时，高趾墙需设计成大体积混凝土结构，水压力直接传到地基，不要依靠堆石的稳定作用。澳大利亚设计导则认为，在趾板稳定计算中可以考虑堆石在水压力作用下产生的侧向压力（泊桑效应），按实测资料，其侧压力系数约为0.25。国内曹克明等专家认为，更合理的设计是考虑堆石的静止土压力作用，只考虑主动土压力偏于保守。根据美国新国库坝观察资料分析，在施工期墙后堆石到达接触面顶部高程时，堆石作用于趾墙上的土压力达到最大，平均土压力达到最大土压力处的堆石自重的0.38倍，此后土压力系数随填筑高度高出墙顶后逐渐减小，在坝顶高出墙顶50m时，其系数为0.31，到达坝顶高程时为0.26，水库蓄水满库时堆石压力增加约10%，增加量并不显著。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（DL/T 5016—1999）的规定，坝体堆石体可按主动土压力计算。

综上，同时借鉴类似工程经验，本工程河床回填混凝土稳定分析参照重力坝的有关要求采用材料力学法进行计算复核，土压力按主动土压力计算，墙顶高程以上填土及水体通过面板传递的压力按均布荷载作用于墙后填土及墙顶上，计算简图见图4。

由于面板以上土荷载及水荷载是按均布荷载全部传递到墙顶及墙后填土上进行考虑，此部分荷载如何传递及传递量值多少目前尚无一致说法，基于此，按面板以上土荷载及水荷载的60%和40%通过面板作用于墙顶及墙后填土上进行敏感性分析，计算结果表明，此部分荷载的取值对计算结果影响较大。计算结果见表2。

上述稳定分析中，由于回填基础边界条件复杂，其受力做了一定的的简化处理，尤其是面板上部水压力及土重对深槽回填混凝土作用采用不同的简化模型，计算成果相差较大。出于安全考虑，本工程回填基础顶宽取40m，笔者认为，随着计算模型的进一步完善，回填基础宽度是否还有优化余地值得探讨。

4　趾板基础处理设计

对于趾板区内的断层破碎带、挤压破碎带及卸荷裂隙夹泥等地质缺陷，要求全部或部分清除其充填物，然后用混凝土回填处理。挖槽宽度为破碎带的最大宽度，深度为宽度的1～1.5倍，长度为通过趾板基础的长度加上垫层料底部长度，挖除后回填混凝土并在其表面布置限裂筋。

为防止趾板与基岩接触面产生渗流接触冲刷破坏，增强表层岩体的抗渗性，提高趾板基础岩体的整体性，改善岩体的力学性能和防渗性，对趾板部位进行基础固结灌浆处理。固结灌浆沿趾板Z线布置，6m宽趾板设置4排，10m宽趾板设置6排。采用梅花形布置，孔距2m。固结灌浆孔深结合基础强卸荷深度为15～35m，在断层破碎带和裂隙密集区等地质缺陷部位适当加密加深。

5　结语

猴子岩面板堆石坝为目前世界第二高混凝土面板堆石坝，坝高达223.5m，地处狭窄河谷，两岸地形不对称，趾板结构布置和结构设计存在较大难度。本文着重概括和阐述了猴子岩混凝土面板堆石坝趾板的布置、定线、宽度厚度、趾板混凝土、分缝、配筋、河床趾板回填基础（趾墙）、趾板基础处理等设计成果，可为类似工程提供参考。