黄登水电站碾压混凝土重力坝设计与实践

杨宜文，邓良军，李文杰，向 弘

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 工程简介

黄登水电站位于云南省兰坪县境内，采用堤坝式开发，以发电为主。坝址控制流域面积9.19×104km2，多年平均流量902 m3/s。水库正常蓄水位为1 619.00 m，其相应库容为15.49×108m3，调节库容为8.28×108m3，水库具有季调节性能；总装机容量1 900 MW(4×475 MW)，工程等级为一等大(1)型。大坝的工程抗震设防类别为甲类，抗震概率水准采用基准期100 a超越概率2%，基岩水平峰值加速度采用0.251g；非壅水建筑抗震按乙类设防，抗震概率水准采用基准期50 a超越概率5%，基岩水平峰值加速度0.160g。

电站工程里程碑节点工期为：2013年11月大江截流；2015年3月开始大坝混凝土浇筑；2017年11月28日，导流洞下闸蓄水；2018年7月5日首台机组投产发电，2019年1月1日全部4台机组投产发电。

根据中国规范标准的规定，结合工程特点确定各洪水标准、相应的洪峰流量及特征水位见表1。

表1 洪水标准、相应的洪峰流量及特征水位

图1 溢流表孔坝段混凝土分区示意

2 大坝混凝土与温控设计

碾压混凝土重力坝坝顶高程1 625.00 m，建基面最低高程1 422.00 m，最大坝高203 m，坝顶长464 m，共分20个坝段。下游坝面坡度为1∶0.75，起坡点1 619 m，上游坝面1 500.0 0m高程以上为铅直面，以下坡度为1∶0.2。分别采用材料力学法、平面有限元和三维有限元方法，对黄登水电站大坝建基面、碾压混凝土层面抗滑稳定及整体应力变形状况进行了静、动力分析。计算分析表明：坝体建基面、碾压混凝土层面抗滑稳定以及坝踵、坝趾应力均满足规范要求。针对地震工况下个别坝体体型转折点主拉应力超出混凝土抗拉强度，施工中大坝颈部及体型突变处均配置了双层抗震钢筋以控制裂缝发展范围。

2.1 混凝土分区设计

坝顶结构、大坝基础混凝土、电站进水口、泄洪放空底孔周边及闸室、泄洪洞进水口及闸室、表孔闸墩及边墙、溢流面为常态混凝土。坝内廊道及模板周边，为相应级配标号的变态混凝土。其余部位为碾压混凝土，防渗层为二级配、非防渗层为三级配。坝体混凝土共分为10个区，坝体典型分区见图1。

2.2 混凝土原材料与配合比

(1)混凝土原材料。使用质量稳定的中热水泥，其品质除满足中国国家标准的要求外，还需满足：28 d抗压强度为48±3.5 MPa，比表面积为250～340 m2/kg，MgO含量为3.5%～4.5%，碱含量≤0.6%。混凝土采用灰岩人工骨料，粗、细骨料的各项指标应满足中国标准要求。

(2)施工配合比。工程混凝土配合比由承包商根据设计指标要求进行配合比试验，提出混凝土施工配合比。工程主要混凝土配合比见表2。

2.3 坝体混凝土温控措施

根据坝体混凝土分区、坝址区气温和水温及混凝土性能试验成果等拟定的温控设计参数，采用三维有限元法计算相应坝段的稳定温度场，提出大坝混凝土温度控制要求，指导大坝混凝土温度控制施工。即：①控制混凝土容许最高温度、温差标准之常态混凝土新老混凝土温差≤15 ℃；碾压混凝土新老混凝土温差≤13 ℃；碾压和常态混凝土内外温差<17 ℃。②混凝土运输过程中加强施工管理，尽量减少转运次数，减少运输过程中温度回升。③控制浇筑温度。④大坝所有常态及碾压混凝土均需埋设冷却水管进行通水冷却。坝体常态混凝土内部冷却水管水平间距为1.0 m，碾压混凝土内部冷却水管水平间距为1.0 m或1.5 m。

2.4 实施效果评价

为落实混凝土温控措施、提高坝体混凝土施工质量，大坝混凝土浇筑伊始，工程项目业主组织科研单位和工程参建各方联合开发了“数字黄登·大坝施工信息化系统”，对混凝土重力坝施工质量和管理实施了智能控制和信息化管理，实现了大坝混凝土从原材料、生产、运输、浇筑到运行的全面质量监控。

表2 大坝碾压混凝土、常态混凝土主要施工配合比(水泥品种均为P.MH42.5)

2018年10月31日蓄水位维持正常蓄水位后，大坝坝体渗漏量0.53 L/s，表明坝体混凝土浇筑质量较好，渗漏量较小。坝基各压应力计压应力值介于-4.65～-0.09 MPa之间；坝体压应力值介于-0.58～-2.50 MPa；混凝土应变值以压应变为主，最大压应变-264.2με。坝体运行工作性态良好。

3 坝基处理与实践

3.1 坝基工程地质条件

开挖揭露建基面分布地层为三叠系上统小定西组第8层及第7层，岩性主要为紫红色变质火山角砾岩、变质火山细砾岩，夹有变质凝灰岩条带。开挖揭露大坝坝基无Ⅰ、Ⅱ结构面及规模较大的顺江断层分布，坝基范围揭露属Ⅲ级结构面的断层有10条，以陡倾角为主，少数中陡倾角，断层破碎带宽度一般为0.1～0.5 m，仅挤压破碎带局部宽度可达1.0 m，少数NW向结构面有张开现象。断层带的分布造成了沿裂面附近岩体风化加深，完整性及力学强度减弱；但破碎带所占比例有限，且基本为中陡倾角，对大坝整体抗滑稳定性影响小，对坝基地基强度的影响亦有限。综合分析表明，大坝中低坝坝段坝基岩体较完整，多以次块状及镶嵌结构岩体为主，坝基岩体质量类别以Ⅲ2、Ⅲ1类为主，大坝中高坝坝段坝基岩体多以块状及次块状结构岩体为主，坝基岩体质量类别以Ⅱ、Ⅲ1类为主。坝基范围爆后声波波速总体均较高，主要集中在4 000 m/s以上。

3.2 坝基处理设计

针对坝基范围内宽度小于50 cm的Ⅲ级结构面、部分泥填充Ⅳ级结构面，混凝土浇筑前结构面影响范围内加强人工清撬，视需要表面铺钢筋：针对深卸荷张开的结构面进行专门的灌浆处理。其余Ⅳ级结构面不专门进行了处理，混凝土浇筑前加强清基和验收。针对局部分布零散，不便于整体挖除的Ⅳ类岩体，清基时加强清撬，后期加强固结灌浆。

3.3 基础处理实践及效果

2018年8月17日水库蓄水至正常蓄水位1 619.00 m，坝体渗压力、应力应变监测、渗漏量变化符合一般规律，2018年10月31日蓄水位维持正常蓄水位后，大坝坝基渗漏量5.66 L/s，坝体渗漏量0.53 L/s，渗漏总量为8.57 L/s，表明坝体混凝土浇筑质量和基础处理质量较好，渗漏量较小。

4 泄洪消能设计与实践

4.1 泄洪消能设计

在泄洪孔口的选择时需设置具有较大超泄能力的表孔以降低汛期校核洪水位、降低坝高；同时，为满足宣泄常年洪水、水库放空和初期蓄水时向下游不间断供水等需要，使枢纽泄水调度更加灵活，需设置相应的坝身泄洪放空泄水孔。在泄量分配上(见表3、4)，力求使每套泄洪设施单独运行，加上电站机组过流量均能渲泄常年洪水，即两套泄洪设施在宣泄常年洪水时能互为备用，分散泄洪流量和泄洪功率，提高安全度。工程采用3个开敞式溢流表孔、2个泄洪放空底孔方案及坝后水垫塘(护坡不护底)的联合泄洪方案。孔口平面布置见图2。

表3 泄洪建筑物各频率洪水泄量分配成果

表4 各频率洪水泄量

图2 泄洪建筑物三维示意

坝身泄洪建筑物防洪标准按洪水重现期500年一遇设计，校核洪水标准为5 000年一遇洪水，相应的洪峰流量分别为11 500 m3/s和14 800 m3/s，水垫塘消能防冲按100年一遇洪水设计，相应的洪峰流量为9 160 m3/s。

泄洪建筑物进行了1∶40比尺的模型试验验证，试验表明泄水建筑物下泄各种频率的洪水，都应具有足够的过流能力，表孔及泄洪放空底孔单独运行时，可宣泄常年洪水；下游消能设施在宣泄设计洪水及其以下各级洪水流量，尤其是常遇洪水流量时具有良好的消能效果，经消能后的流速小于河床抗冲流速。在宣泄校核洪水流量时，不造成消能设施及下游建筑物的严重破坏。

4.2 实践及效果

2018年8月随坝体混凝土浇筑完成，泄洪建筑物也随之完建，并投入汛期度汛泄洪，经过1个汛期的运行，坝身泄洪建筑物运行良好，泄量满足设计要求，泄洪后检查泄槽建筑物体形良好，没有发生空蚀空化现象。

5 结 论

通过黄登工程RCC重力坝设计与工程实践，结合工程监测成果分析，对峡谷区RCC重力坝设计有以下思考和认识：

(1)工程枢纽布置应根据工程地形地质条件，结合坝体稳定、应力条件和泄洪消能安全综合比选确定。

(2)坝体原材料选择和配合比设计对混凝土温控措施影响大，宜采用合适的配合比和施工工艺，并加强施工工艺控制，以提高混凝土施工质量。

(3)根据坝基开挖后揭示的工程地质条件，采用具有针对性的基础处理工程措施，可有效提高坝基的均质性、抗渗性，提高坝体渗流稳定安全度。

(4)根据枢纽泄量和建筑物布置，选择合适及合理的泄洪建筑物体形和布置，结合水力学模型试验成果和计算分析成果采取合理可行的泄洪消能方案是确保建筑物泄洪安全的必要手段。