黄河规划设计

西霞院工程土石坝设计

曹国利代巧枝田华祥(工程设计院) [摘要] 西霞院工程土石坝为砂砾石坝，采用复合土工膜斜墙防渗，最大坝高20.2m，坝顶设1.2m高的防浪墙，坝基采用混凝土防渗墙防渗。[关键词] 土石坝复合土工膜斜墙砂砾石坝混凝土防渗墙防浪墙 1 工程概述西霞院工程位于黄河干流中游河南省境内，上距小浪底工程16km，为黄河小浪底水利枢纽的配套工程，是一座以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。西霞院工程水库总库容1.62亿m3，工程规模为大(2)型，属Ⅱ等工程。主要建筑物由挡水土石坝、河床式电站、排沙洞、泄洪闸和引水闸等组成。坝顶总长度为3122.0m，其中土石坝段长2609m，最大坝高20.2m；混凝土坝段长513.0m，最大坝高51.0米(电站)。土石坝为复合土工膜斜墙砂砾石坝，坝顶宽8.0m，上游坝坡1：2.75，下游坝坡1：2.25和1：2.5，坝顶高程138.2m，上游设1.2m高的防浪墙。西霞院工程主要建筑物按百年一遇防洪标准设计、五千年一遇防洪标准校核。坝址区地震设计烈度为7度，最大水平加速度 0.1g。 2 工程地质西霞院工程坝址区属丘陵区，具有黄土地貌特征。坝址河谷呈宽浅的“U”型，谷底宽度约3050m，主河槽宽度约600m，平水期河水位在120～121m之间。主河槽两侧分布有高低漫滩，滩面较宽阔。左岸漫滩宽度约750m，滩面高程一般为124～127m；右岸漫滩宽1500～1700m，滩面高程一般为123.5～126.5m。两岸为Ⅱ级阶地，发育基本对称。左岸阶面较平坦，宽度约1.5km，高程一般为145～150m，中部稍低，两缘稍高。右岸阶面高程一般为155～170m，宽度1.5～2km，由南向北向河床方向逐渐降低。坝基地层分为第四系覆盖层和下伏的上第三系地层。第四系覆盖层包括两岸Ⅱ级阶地的风积黄土类土，厚度25～35m，底面高程120～125m，构成两坝肩；两岸河漫滩表部为冲积浅黄色砂壤土、砂层，局部为轻粉质壤土(统称为表部松散层)，其厚度2～7m，底面高程一般为120～122m，该层经强夯处理后构成土石坝的坝基；河床及河漫滩覆盖层下部的冲积砂卵石层，厚度23～28m，处于中密、密实状态，该区为夹砂层(砾砂层)分布较集中的地层，底面高程一般为100m，局部可达87m。整个坝址区的砂砾石层连通，宽度达7km左右。 3 坝型选择坝址区有丰富的壤土、砂砾石等建筑材料，因此采用当地材料坝。在可研阶段对壤土斜墙坝、壤土心墙坝以及壤土均质坝等坝型，结合坝基垂直防渗、水平防渗型式进行了比较，推荐壤土斜墙坝方案，坝基防渗采用水平壤土铺盖型式。初设阶段针对坝基防渗型式，重点比较了水平铺盖和混凝土防渗墙两种方案，虽然水平铺盖型式有施工简单、造价低等优点，但坝址区砂卵石覆盖层相变大，地层复杂，有透镜体，且有架空现象，渗透系数也较大，只有做垂直防渗才能更有效地解决渗透问题，防止渗透破坏。因此推荐采用混凝土防渗墙防渗方案。采用壤土防渗的坝型，通常要以损坏耕地为代价，常会引起纠纷，以往在工程施工中因取土受到农民阻挠而延误工期的事时有发生，建设单位为此也付出了大量人力和财力。考虑到土工合成材料在我国坝工建设中已取得一定的经验，因此在初设阶段又研究了复合土工膜防渗体坝型。土工膜防渗坝型可以采用复合土工膜斜墙或复合土工膜心墙坝。斜墙坝土工膜铺设于上游坝坡，心墙坝土工膜位于坝体中部。经过对两种坝型的施工、运行维修、投资等的比较，两者工程费用基本相当，但斜墙坝土工膜施工方便，干扰小，易于检修、维护。考虑土工膜防渗的土石坝，在中、高坝及高等级工程中实例尚不多，使用于便于检修的部位更为稳妥，选用复合土工膜斜墙坝参与坝型比较。大坝剖面见图3.1。鉴于土石坝的坝基防渗型式已确定采用混凝土防渗墙，而壤土心墙坝与混凝土防渗墙、混凝土建筑物、两岸的连接比壤土斜墙坝有利，投资上也较省，因此选用壤土心墙坝参与坝型比较。大坝剖面见图3.2。复合土工膜斜墙坝与壤土心墙坝比较。(1)从防渗材料比较复合土工膜防渗性能好、质量轻、对不均匀沉陷适应能力强、施工简便，造价低廉，但在大型土石坝工程运用较少，并且由于工程中应用时间短，对复合土工膜的耐老化性和使用寿命还存有疑虑。壤土防渗是土石坝常用的一种防渗型式，可靠性好，但工程量大，工期长，受降雨和冬季影响，施工干扰大，造价较高。(2)与混凝土建筑物连接比较土工膜斜墙坝直接和混凝土建筑物连接，斜墙土工膜锚固于混凝土侧墙上。土石坝段防渗墙与混凝土坝段防渗墙通过沿着泄水建筑物上游导墙底部布置的防渗墙连接，型式相对复杂。土工膜与混凝土的连接需要设置伸缩节。壤土心墙坝通过刺墙与混凝土建筑物连接，设过渡段，心墙上下游边坡变缓，施工相对复杂。土石坝段与混凝土坝段防渗墙直线连接，比较简单。(3)施工工艺比较壤土心墙坝施工技术成熟，施工质量比较有保障。土工膜施工接缝多，易被带棱角、尖锐的砾石刺穿，对施工人员的素质要求高。质量控制相对困难。(4)施工导流比较二种坝型均是分两期施工。一期施工左、右两岸滩地土石坝和混凝土坝段，二期施工河槽段土石坝。二期工程施工期间，土石坝需临时挡水渡汛，上游坝坡要分两次施工。对于复合土工膜斜墙坝型，河槽段的复合土工膜增加了一道水平接缝，并且增加了临时保护的工作；对于壤土心墙坝型则影响较小。(5)料场占地土工膜斜墙坝不用壤土防渗，没有土料场，但砂砾石料用量较壤土心墙坝多，二坝型料场占地相差不多。(6)对施工道路的影响土工膜斜墙坝没有土料场，相应的取消到土料场的公路，长度1.7km。(7)工程费用比较壤土心墙坝和复合土工膜斜墙坝的投资比较见表3.1，投资估算考虑了施工导流、施工占地及移民安置等费用。壤土心墙坝投资为36226万元，复合土工膜斜墙坝35761万元，壤土心墙坝投资多465万元。通过以上各方面综合比较，壤土心墙坝和复合土工膜斜墙坝技术上均是可行的。我国人均耕地面积小，不占、少占耕地是应提倡的。壤土斜墙坝需要开采粘土筑坝，往往破坏耕地，引起纠纷。土工膜防渗，可以不用壤土，不占耕地，有利于环保，在我国更有特殊意义。土工膜防渗体坝在国内外已有不少成功的经验，且投资较省。因此，综合考虑推荐坝型为复合土工膜斜墙砂砾石坝。4 坝体结构设计4.1 坝顶高程及宽度通过对西霞院水库特征水位分析并结合小浪底水库的运用方式研究，西霞院水库正常蓄水位为134.00m，坝址水面多年平均年最大风速17.0m/s，吹程8km。由此计算顶高程为138.20m，上游设1.2m高的防浪墙。坝顶为进场公路主干线，根据金属结构和机电设备等最大部件的运输要求，以及考虑施工、运行需要，同时考虑坝轴线较长，坝顶宽度定为8.0m。4.2 坝体设计西霞院大坝分为滩地坝段及河槽坝段。滩地坝段建基在河漫滩表部松散层上，基础进行强夯处理。河槽坝段，建基在河槽砂砾石地基上，坝体与截流围堰结合，上游坝坡在126.5m高程设17.63m宽的平台，平台以下是截流围堰，围堰上游边坡1：2。滩地坝段及河床坝段坝体结构基本相同。坝体采用砂砾石填筑，上、下游坝坡根据实际工程经验并经过稳定计算确定。上游坝坡1：2.75，采用复合土工膜斜墙防渗，复合土工膜下设0.15m厚的中细砂垫层，上铺0.20m厚的砾石保护层，外设0.3m厚的预制混凝土块护坡。下游坝面在高程127.2m设3.5m宽的马道，马道以上坝坡1：2.25、以下坝坡1：2.5。马道以上设0.3m厚的干砌卵石护坡，马道以下设贴坡排水，贴坡排水由0.5m厚的反滤和1.0m厚的干砌块石组成。滩地坝段坡脚以外3.0m设砌石排水沟，沟深1.5m，底宽1.5m，两侧边坡1：1.5。河槽坝段下游坡脚设3.0m宽的干砌石护脚，不设排水沟。下游坝坡设横向排水沟，间距100.0m，尺寸0.5m×0.5m，采用0.3m厚的浆砌石砌筑。西霞院大坝剖面见图4.1、图4.2。4.3 复合土工膜选择工程常用土工膜有聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)两种。PVC膜比重大于PE膜；PE膜较PVC膜易碎化；PE膜成本价低于PVC膜；二者防渗性能相当；PVC膜可采用热焊或胶粘，PE膜只能热焊；PVC膜和PE膜还有一个突出差别，就是膜的幅宽，PVC复合土工膜一般为1.5～2.0m，PE复合土工膜可达4.0～6.0m，相应地接缝PE膜比PVC膜减少一倍以上。在物理性能、力学性能、水力学性能相当的情况下，大面积土工膜施工，应尽量选用PE膜。而且，PE膜接缝采用热焊，施工质量较稳定，焊缝质量易于检查，施工速度快，工程费用低。因此，经综合分析，采用PE膜。复合土工膜是膜和织物热压粘合或胶粘剂粘合而成。土工织物保护土工膜以防止土工膜被接触的砾石碎石刺破，防止铺设时被人和机械压坏，亦可防止运输时损坏。织物材料选用纯新涤纶针刺非织造土工织物。复合土工膜的厚度应能满足减少渗漏，避免施工破损、水压击穿，地基变形撕裂土工膜等要求，并满足应力水平小于20%以延长寿命。因此根据国内相似工程的经验以及三维应力应变计算结果，对于应力应变较大的区域如河槽段、左岸滩地转弯段，复合土工膜采用500g/0.8mm/500g规格；对应力应变较小的区域如右岸滩地段，采用350g/0.6mm/350g规格。4.4 复合土工膜抗滑稳定分析西霞院工程土石坝上游坝坡1：2.75，复合土工膜斜墙下设0.15m厚的中细砂垫层，上设0.2m厚的砾石保护层和0.3m厚的预制混凝土块护坡(见图4.1、图4.2)。复合土工膜与垫层、保护层之间应满足抗滑稳定要求。根据复合土工膜与中细砂、砾石之间的摩擦系数测试试验成果，与中细砂的摩擦系数在0.57～0.65之间，与砾石的在0.50～0.59之间。经稳定计算，复合土工膜与中细砂之间的抗滑稳定安全系数在1.57～1.79之间，与砾石的在1.38～1.62之间，满足要求。 5 坝基处理两岸滩地的土石坝段，坝基表部为砂壤土、砂层，厚2～7m，采用强夯进行处理，强夯技术参数为主夯单击夯击能为1500~2000kN.m，平夯为1000kN.m。对局部存在淤泥质土，天然含水量高的坝基，采用挖除的方法处理。河床坝段清除表层的淤砂层。坝基防渗采用混凝土防渗墙，墙厚0.6m，混凝土强度等级C15，墙底嵌入上第三系地层中的泥岩1.5m。