周莉  宋修昌  李泽民  任国强（设计一处）

[摘要] 回龙电站上、下库在可研阶段采用常态混凝土重力坝，初设时考虑到碾压混凝土坝具有施工速度快、抗裂性能好、工程造价低等特点，因此补充设计了碾压混凝土重力坝方案，并最终确定选用此种坝型。

[关键词] 回龙电站  碾压混凝土重力坝  常态混凝土重力坝  坝型选择

1  前言

    南阳回龙抽水蓄能电站位于南召县城东北16km的岳庄村附近，是为解决南阳市的供电调峰问题而专设的调峰电站。电站装机容量120MW，上库总库容118×10⁴m³，下库总库容129×10⁴m³。根据规范规定为三等工程。上库大坝、下库大坝、引水发电洞、地下厂房、辅助开关站等主要建筑物为3级建筑物，交通洞、辅助交通洞等次要建筑物为4级建筑物，其它临时建筑物为5级。根据《防洪标准》规定，工程正常运用和非常运用洪水标准分别为50年一遇和500年一遇，施工导流洪水标准为5年一遇。

    回龙电站上库选在回龙沟左岸支沟石撞沟沟头接近分水岭部位，为一小型集水盆地。坝址处为“V”型谷，谷底宽15m，岩性为燕山晚期花岗岩。下库坝址位于岳庄村北西200m，九江河峡口以上。坝址处河谷呈“V”型，谷底宽约20m。两岸基岩裸露，岩性为燕山晚期似斑状花岗岩，河床覆盖层浅，两岸不具备作溢洪道的有利地形，因此按混凝土重力坝进行设计。考虑到近几年碾压混凝土筑坝技术的迅速发展，较常态坝具有施工速度快、抗裂性能好、坝体分缝少、且混凝土后期强度增长显著、工程造价较低等特点，后期补充设计碾压混凝土重力坝方案，并与常态坝方案进行比较，最终选用碾压混凝土重力坝坝型。

2  回龙电站修建碾压混凝土坝的可行性

    近年来，碾压混凝土筑坝技术日益成熟，我国已在许多工程中成功运用了碾压混凝土筑坝技术，并取得了很好效果。结合回龙工程的特点，上、下库结构相对简单，特别是上库不设泄洪坝段，采用碾压混凝土坝更为方便，且地形、水文、气候条件等也适合修筑碾压混凝土坝，运距48km的鸭河口火电厂可以提供优质粉煤灰，这些都为碾压混凝土坝施工提供了有利条件。

    为此， 我公司科研所针对碾压混凝土配合比进行了试验研究。试验项目包括原材料部分的水泥、粉煤灰、细、粗骨料等；碾压混凝土拌和物的工作度Vc值、拌和物密度、全级配碾压混凝土密度、碾压混凝土硬化后三个龄期的抗压强度以及掺粉煤灰、外加剂的水泥胶砂流动度和强度试验。

    试验结论表明本次试验所用水泥的强度、安定性、凝结时间均达到国家标准，为合格水泥。鸭河口电厂粉煤灰达到二级粉煤灰的要求。蒲山电厂粉煤灰达到一级粉煤灰的要求。

3  碾压混凝土坝施工方法比较

    碾压混凝土坝根据其特定的施工方法，对坝体不同部位进行材料分区。通常采用的方法有两种：一是传统的“金包银”方案；二是采用全断面碾压方案。“金包银”方案由于在同一施工仓面内既有碾压混凝土，又有常态混凝土，施工干扰大，进度慢，同时二者因胶凝材料和用水量的差异引起初凝时间相差很大，易在两种混凝土结合面形成冷缝而影响混凝土的整体性；全断面碾压方案采用二级配混凝土做防渗体，全断面整体碾压，仅在边角部位采用插入式强力震捣器以震动密实,这样不但可以改善碾压混凝土的性能，使之达到常态混凝土的防渗效果，而且可以缩短混凝土覆盖时间，减少冷缝的产生，并加快施工进度和提高混凝土质量。近几年，二级配混凝土作为防渗已被普遍采用，江垭水利枢纽工程、大朝山水利枢纽工程等均采用二级配混凝土防渗设计实例效果很好。因此，回龙工程大坝亦采用全断面碾压混凝土方案。

4  混凝土重力坝设计比较

    两种坝型设计的相同点和不同点主要表现在以下几方面：

4.1 结构布置

4.1.1 上库

上库主要建筑物有主坝、副坝、引水发电系统进/出水口等。由于控制流域面积仅0.144km²，故上库不设泄洪建筑物。主坝左坝肩上游侧为引水发电系统进出水口，采用岸边塔式布置，可与主坝分开单独施工，右坝肩与待建的上坝公路相连接，主、副坝之间由环库公路相连，主坝与副坝在左坝肩均布置有回车场。副坝由于坝高较小，混凝土方量很少，如采用碾压混凝土施工，难以体现碾压混凝土的优越性，故决定在碾压坝方案设计时对进出水口和副坝仍采用常态混凝土，主坝采用全断面碾压混凝土施工。

主坝坝顶高程900.0m，最大坝高54.0m，坝顶宽度5.0m，坝顶总长208.0m，常态坝分15个坝段，碾压坝分为7个坝段。坝体上游坝面垂直，下游坝坡1:0.75。坝顶上游侧设有防浪墙。坝体内设有灌浆廊道，尺寸为3.0m×3.5m，城门洞型。

副坝坝顶高程900.0m，最大坝高14.0m，坝顶宽度5.0m，坝顶总长120.0m，分8个坝段。

4.1.2 下库

下库大坝坝顶高程507.3m，最大坝高53.3m，坝顶宽度5.0m，坝顶总长175.0m，常态坝分11个坝段，自左至右分别为左岸挡水坝段、2^#灌溉引水管坝段、3^#电站尾水洞坝段、4^#泄洪排沙底孔坝段、5^#溢流坝段和右岸挡水坝段。碾压坝分为6个坝段，自左至右分别为：1^#左岸挡水坝段、2^#电站尾水洞坝段、3^#溢流和泄洪排沙底孔坝段、4^#、5^#、6^#为右岸挡水坝段。挡水坝段上游坝面垂直，下游坝坡1:0.75。在坝顶上、下游侧设有防浪墙和防护墙。坝体内设有帷幕灌浆廊道，尺寸为3.0m×3.5m，城门洞型。左坝肩与上坝公路相连，并设有回车场。

常态坝方案穿坝尾水洞闸门井段结合坝体布置，箱型进/出水口段紧接坝体布置在坝前。泄洪排沙底孔为短压力进口明流无压洞，压力段末端设平板工作门，进口段上游贴近上游坝面设平板事故检修门，工作闸门后为无压明流段，出口采用挑流消能。溢流坝段采用WES剖面实用堰表面自由溢流。

碾压坝方案设计时考虑到碾压混凝土施工方便，将电站尾水洞坝段的进/出口段和泄洪排沙底孔的进口段布置在坝轴线上游，其余体型设计与常态坝设计相似。

4.2 坝体材料分区

常态坝设计时在基础混凝土以上、距上游坝面及廊道周边2.0m以外的坝体内部混凝土采用C15W4；坝体上游迎水面上部水位变化区采用C20W6F150；迎水面下部和基础采用C20W6；坝体下游面采用C20W4F100；溢流坝段溢流面采用C25F100抗冲耐磨混凝土；泄洪排沙底孔及电站尾水洞坝段上游坝面和闸门井四周采用C25W6F150;泄洪排沙底孔及电站尾水洞过流面底板采用C30F150抗冲耐磨混凝土，顶板及侧墙采用C25F100。

碾压坝设计时为改善基岩与混凝土间的约束力及提高坝体与基岩的结合能力，坝基以上基础混凝土为1.5m厚的C20W6常态混凝土；坝体上游面防渗层和廊道周围1.5m范围内采用C20W8F150二级配碾压混凝土，其余坝体内部为C15W4三级配碾压混凝土。电站尾水洞坝段进/出水口箱涵及闸室段、检修闸门起吊排架采用C25F150常态混凝土，进出水口箱涵下支撑墙体采用C20常态混凝土；溢流坝段下游溢流面为C30F150二期常态抗冲耐磨混凝土，两侧导墙为C25F100常态混凝土；泄洪排沙底孔上游胸墙及坝轴线上游边墩为C25W8F150常态混凝土，坝轴线以上压力进口段464.57m～472.5m高程之间为C30F150常态混凝土，坝轴线下游明流段底板最小厚度1.5m范围内为常态抗冲耐磨混凝土C30F150，明流洞两侧壁及顶板各1.5m范围内为C20F100二级配碾压混凝土，出口两侧导流墙为C25F100常态混凝土。

4.3 坝体分缝与止、排水

常态坝设计时为适应混凝土的浇筑能力和减少施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置一条竖直纵缝，在垂直坝轴线方向根据坝段分缝相应设置横缝。纵、横缝面设置键槽，并埋设灌浆系统进行接缝灌浆。碾压坝只设横缝不设纵缝，为适应碾压混凝土快速施工的特点，横缝之间间距扩大。横缝由切缝机切割而成，缝内充填粗砂。

在距上游坝面1.0m和1.5m处的横缝上分别设置竖向止水两道，第一道为紫铜止水片，第二道为橡胶，止水底部伸入基岩0.5m；在廊道、泄洪排沙底孔和电站尾水洞跨横缝处及溢流面纵、横缝处均设紫铜止水片一道；在两岸等于或陡于1:1的坝基面设紫铜止水片一道。

在距坝体迎水面4.0m处平行于坝轴线方向设坝体排水孔一排，排水管间距3.0m，可将坝体渗水排至灌浆廊道。

在基础灌浆廊道内的下游侧设基础排水孔一排，孔距3.0m，孔深1/2帷幕孔深。

4.4 坝面处理

由于碾压混凝土属于无塌落度的超干硬性混凝土，施工过程中的侧压力很小，设计采用重力式混凝土预制块作为坝体下游模板，施工完成后模板可作为坝体的一部分；坝体上游面二级配碾压混凝土施工采用钢架模板。对于溢流坝段溢流面常态混凝土，待碾压混凝土施工完毕后再进行二期混凝土施工。

4.5 坝体抗滑稳定及应力计算

坝体抗滑稳定及应力满足规范要求。

4.6 基础处理

4.6.1 基础开挖

上库坝址处岩石为燕山晚期花岗岩，属弱风化岩体，左岸坡度较陡，右岸下部坡度较陡，上部坡度较缓，沟底有1.0m左右的覆盖物。下库河床坝基为弱风化和微风化，两岸岸坡分布有3～9m的全、强风化层。根据混凝土重力坝对基岩岩性的要求，并参照坝基应力情况，河床坝段坝基开挖到弱风化底部至微风化岩层，岸坡坝段坝基开挖到弱风化岩层，顺坝轴线方向尽量开挖成缓于1:1的斜坡，如遇断层，则沿断层两侧开挖成平台，以便进行断层处理，平台宽度视断层及影响带宽度而定。

常态坝设计时将两岸岸坡顺坝轴线方向开挖成台阶状，平台宽度不小于坝段宽度的1/3～1/2，坝体以外基坑岩石综合开挖坡度为1:0.4。

根据碾压混凝土重力坝对基岩岩性的要求，碾压坝设计时在平行坝轴线方向将常态坝方案时坝基开挖成台阶状修改成碾压坝方案的折线形，左岸、右岸侧开挖坡度尽可能缓于1:1。

4.6.2 断层处理

上库在沟底有节理密集带L₅₁穿过坝体；在右岸有L₄₉穿过坝体。对节理密集带处理措施为挖除其中的破碎岩体，之后用C20W8防渗混凝土堵塞。

根据下库地质平、剖面图，在坝基开挖范围内有F₂₄和F₄₀两条断层斜向横穿坝基，对坝基应力和渗漏的影响较大，考虑在建基面下作梯形素混凝土断层塞，断层塞座落于弱风化基岩上，对于F₂₄断层因其宽度较窄，断层塞厚度取为约一倍断层宽，对于较宽的F₄₀断层，根据具体情况设置断层塞。另有F₃₅、F₃₆两断层在左坝肩埋藏较深，左岸的F₃₄、F₃₇、F₃₈三条断层地表出露高程较高，且在坝体以外，但由于这三条断层均倾向河床，在左坝肩深层与F₃₅、F₃₆共同作用，对坝基深层渗漏会有一定影响，因此需作相应处理。右坝肩除F₄₀断层外，还有一条F₂₆断层，此断层距地面较近倾向河床且倾角较缓，考虑挖除。对于F₂₄、F₃₄、F₃₅、F₃₆、F₃₇、F₃₈、F₄₀断层的防渗由帷幕灌浆解决。

4.6.3 固结灌浆

为局部提高基岩的整体性，增强基岩的承载力，在坝基应力比较大的基岩部位设置固结灌浆，固结灌浆孔共设3排，帷幕上游2排，下游一排，平行坝轴线布满整个坝长，灌浆孔间、排距均为3.0m，孔深8.0m。

4.6.4 基础防渗处理

参照《回龙电站防渗设计》。

5 坝型方案比较与结论

5.1 可行性比较

从地形、地质、枢纽总体布置和施工情况可以看出，常态坝和碾压坝都是可行的。考虑到碾压混凝土筑坝技术近几年的迅速发展，并较常态坝具有施工速度快、水泥用量少、抗裂性能好等优点，因此碾压混凝土重力坝应是首选坝型。

5.2 工程量比较

上、下库常态混凝土重力坝与碾压混凝土重力坝方案的主要工程量见表5-1。

表5-1 上、下库两种坝型工程量比较表

从工程量表中可以看出，上、下库碾压坝比常态坝混凝土方量多5350m³，紫铜止水片和橡胶止水带分别少499.0m和317.0m；从两种坝型的混凝土、石方明挖和止水材料工程量上看差别不大。但因碾压混凝土重力坝纵缝的取消、横缝的减少，大大地减少了施工中的立模工序并省去了坝体接缝灌浆系统的管路埋设工作量，从而减少了施工干扰，加快了施工进度，同时也节省了工程投资。

5.3 工期比较

上、下库常态混凝土坝与碾压混凝土重力坝工期比较见表5-2。

表5-2 上、下库两种坝型工期比较表

从表中可以看出，上、下库碾压坝方案比常态坝方案工期分别缩短了5个月和2个月，合计工期共缩短了7个月。

5.4 投资比较

根据概算，上、下库常态混凝土重力坝与碾压混凝土重力坝的静态总投资和总投资（包括配套工程）见表5-3。

表5-3 上、下库两种坝型投资比较表

从投资情况看，上、下库碾压坝方案的静态总投资和总投资（包括配套工程）分别比常态坝方案节省了956万元和1049万元。

5.5 结论

通过对上、下库常态混凝土重力坝与碾压混凝土重力坝的比较，认为两种坝型方案均是可行的，但因碾压混凝土重力坝方案比常态混凝土重力坝具有水泥用量少、抗裂性能好、坝体分缝少且混凝土后期强度增长显著等特点，加之工期短、投资少，因此，上、下库确定为碾压混凝土重力坝方案。

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