黄河公伯峡水电站混凝土面板堆石坝工程特点
王君利 吴曾谋
(西北勘测设计研究院， 陕西 西安 710065)
摘 要：公伯峡水电站拦河大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高132.2m，坝顶宽度10.0m，坝址处于较高地震区，河谷不对称，气候寒冷，日温差大，岩性变化复杂，开挖渣料质量差别大。在设计中充分考虑了这些特点，吸取国内外先进技术和经验，采用设置强透水区、混凝土挤压墙、左右岸高趾墙、坝体填筑全断面均衡上升、混凝土面板一次性连续施工等，保证了大坝设计的先进，加快了施工进度、保证了施工质量。这些技术和措施，在公伯峡工程中的应用，是十分成功的。
关键词：混凝土面板堆石坝；工程特点；公伯峡水电站
1. 工程概况
公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处的黄河干流上，距循化县城25km，距西宁市153km。
本工程是以发电为主，兼顾灌溉、供水的一等大（Ⅰ）型工程。坝址以上流域面积143619km2，多年平均年径流量226×108 m3，水库正常蓄水2005.00m，设计及校核洪水位分别为2005.00m及2008.28m。水库总库容6.3亿m3，调节库容0.75亿m3，为日调节水库。电站装机容量1500MW，保证出力492MW，多年平均发电量51.4亿kW·h。
本枢纽工程主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。根据坝址地形地质条件、结合有利施工和运行的需要,经多种方案比选后，其枢纽布置格局为：河床混凝土面板堆石坝、右岸引水发电系统（由引渠、砼坝式进水口、明压力钢管、岸边地面厂房及330kv开关站组成）、左右岸泄洪洞、左岸溢洪道、右岸面板防渗系统及左右岸灌溉取水口。
公伯峡水电站工程2001年8月8日正式开工, 导流洞工程2000年7月1日开工, 2002年3月18日河床截流。第一台机组于2004年9月20日发电,预计2006年竣工。大坝于2001年8月15日开始基础开挖，2002年8月1日坝体开始填筑，2003年10月22日大坝填筑到2005.50m高程（防浪墙底）2004年3月15日开始混凝土面板浇筑，2004年6月3日面板混凝土浇筑已全部完成，2004年8月8日水库开始蓄水。
2.混凝土面板堆石坝布置
2.1自然条件
坝址区黄河流向NE30°~50°，河道平直，平水期河水位1900m，水面宽40~60m，水深12~13m，该河段河床覆盖层厚5~13m。河谷不对称，右岸1980.0m高程以下为岩质边坡，高程1940m以上，坡度40°~50°，以下岸坡陡立；1980.0m高程以上为Ⅲ级阶地的砂壤土和砂卵砾石层。左岸除1930.0m、
1950.0m高程为坡积碎石覆盖的Ⅱ级阶地外，其余皆为岩边坡，平均坡度30°左右，临河段有高约10m的陡立坡。坝址区主要岩性为：前震旦系片麻岩、云母石英片岩及石英岩；加里东期花岗岩；白垩系紫红色砂岩；第三系红色砾砂岩，第四系砂壤土及砂卵砾石等。坝址区地震基本烈度为7度，大坝设防烈度为8度。
2.2坝体布置
大坝布置在主河床，为钢筋混凝土堆石坝，坝轴线方位NW316°35’13.2″。坝顶高程2010.00m，最大坝高132.20m，坝顶长度429.0m，顶宽10.0m，混凝土面板上游坝坡1：1.4；下游坝坡1：1.5--1：
1.3，为干砌石护坡，并设有10.0m宽的“之”字形上坝公路，大坝下游综合坝坡为1：1.79。坝顶设有高度为5.8m的“L”墙与面板相接，墙底高程2005.5m。由于河谷狭窄电站进水口紧挨右坝头, 溢洪道紧挨左坝头布置，为此大坝右坝头与电站进水口衔接处及左坝头与溢洪道衔接处分别设有38m和50m的高趾墙与大坝面板相连接（见图1）。
坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、混凝土面板、垫层区（2A厚3m）、垫层小区（2B）、过渡区（3A厚3m）、主堆石区（3BⅠ—1强透水区、3BⅠ—2堆石区及3BⅡ砂砾石区）及下游次堆石区（3C）,详见大坝标准剖面（图2）。
3. 混凝土面板堆石坝主要特点
3.1在主堆石区中设强透水区
主堆石区为大坝主要支撑体的一部分，兼作坝体排水体（渗透系数K≥10-1cm/s）。原设计主堆石为利用本工程开挖料（要求为微、弱风化及强风化下部花岗岩和微、弱风化片岩，其中片岩含量不超过30%。最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量小于8%）。经现场大型碾压试验表明，开挖料碾压后细粒含量过多，渗透系数过小（K≤10-2cm/s），均不能满足要求。为保证坝体有通畅的排水通道，且又能充分利用本工程开挖料，故在主堆石区上游设置了用料场开采的微、弱风化花岗岩和片岩的强透水区（3BⅠ1），要求严格控制其中片岩含量不超过30%，最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量小于8%，渗透系数K≥10cm/s，孔隙率≤22.5%。而3BⅠ2堆石区小于5mm的颗粒含量小于20%，渗透系数K≥10cm/s，孔隙率≤20%，这样3BⅠ区大部分仍可用开挖料（强透水区仅占1/3左右），使坝体筑坝材料约有2/3是利用枢纽工程的开挖料。
3.2垫层采用挤压墙固坡
采用挤压墙可使边墙和垫层料可同时施工，省去坝面削坡、斜坡碾压、坡面保护等施工工序；避免 -1-1
图2 大坝标准剖面
垫层料超填，加快其填筑速度，并可提高坡面垫层料的密实度；减轻施工期对垫层料的冲蚀，有利于大坝坡面的保护和挡水度汛。计算论证，运行期挤压墙顺坡向的压应力为20MPa~36 MPa，轴向压应力为22MPa~36 MPa，大于墙体的抗压强度，因此运行期的挤压墙已被压碎，其性能基本与垫层相同；面板挠度有无挤压墙时分别为27.3cm和28.1cm；顺坡向拉应力分别为3.46MPa和3.52MPa、压应力分别为6.8MPa和7.1MPa，有挤压墙的计算值反略小，因此认为挤压墙对面板的应力、应变无不利影响，挤压墙体型设计合理，不影响面板安全运行。
挤压墙断面的上游坡面与坝体上游坡面相同，为1：1.4，顶部宽度取10cm，墙高与垫层料的铺料厚度相同，混凝土挤压墙内坡为8：1。
混凝土挤压墙应达到以下标准：
（1）其28天抗压强度不应超过5MPa，且2～4小时的抗压强度指标应以挤压成型的边墙在垫层料振动碾压时不出现坍塌为原则。
（2）其弹性模量指标应控制在5000～7000MPa，最好低5000MPa。
（3）其密度指标宜控制在2.0～2.25t/m3，尽可能接近压实密度。
（4）其渗透系数应控制在10-3cm/s范围，即尽可能与垫层区渗透系数一致（为半透水体）。
（5）挤压墙表面喷涂薄层乳化沥青，减小对混凝土面板的约束，有利于面板防裂。
3.3坝体填筑全断面均衡上升，为面板一次性连续施工创造条件
本工程由于有上游大型水库的调蓄，减小了度汛洪水流量，因此可全年用围堰挡水。为减小坝体不均匀沉降及其对面板的影响，坝体填筑采用全断面均衡上升。经计算，坝体采用全断面填筑，其沉降由137.3 cm ~140.9 cm减小到99.69 cm ~103.6 cm。
坝体填筑到2005.50m高程（防浪墙底）后经5个月左右的自沉，开始面板混凝土浇筑，也减小了坝体后期沉降（含流变）对面板的影响，这都为面板一次性连续施工创造了良好的条件。
公伯峡面板一次浇筑块长度达218m，为当前在建工程之最，经计算，一次浇筑面板的应力、挠度都比面板分二期施工有所减小（挠度由23.3 cm 减小到20.5 cm，面板顺坡向应力由10.04 MPa 减小到6.32 Mpa），坝体应力应变状态基本相同，周边缝的变位值略有减小，说明面板一次浇筑对大坝安全是有利的。但应注意加强面板混凝土的防裂措施（重点是混凝土材料、施工工艺、养护及减小基面约束）。
3.4高趾墙
高趾墙是面板防渗体系的重要组成部分，它直接关系到面板防渗的可靠性和大坝的安全。公伯峡左右岸混凝土高趾墙最大墙的高度分别为38 m 及50m。高趾墙的基础置于弱风化岩上（左岸高趾墙基础局部为强风化岩），局部出露有片岩捕掳体。
左岸高趾墙位于溢洪道右侧（兼作溢洪道右导墙）为砼重力式挡墙，墙顶高程2010.0m，同时作为坝顶通往左岸泄洪洞进水塔交通道路的一部分，全长50.0m。墙顶按交通要求宽度为8.0m（含悬臂牛腿宽1.5m），墙体两侧面均为扭面，墙左侧面由直坡渐变到1∶0.5，墙右侧面由斜坡1∶0.5渐变到直坡。右岸高趾墙位于电站进水口左侧，为砼重力式挡墙，墙顶高程2010.00m～1952.417m，全长84.99m，根据结构的要求，墙顶宽度为4.0～13.21m，沿长度方向墙顶为1：1.5的斜坡，墙高逐渐减小。墙体右侧面为垂直面，左侧面为1∶0.6的斜面，建基高程为1960.0m～1950.0m不等。 墙内设有灌浆排水廊道。墙底均进行固结灌浆和帷幕灌浆。
高趾墙在施工期要承受坝体堆石的侧向压力，在蓄水期不仅要承受巨大的水压力，而且不允许产生较大的变形，避免破坏面板与高址墙之间周边缝止水，或拉裂高趾墙下的灌浆帷幕，影响面板的正常运行。由于高趾墙受力的复杂性，其计算分析必须按整体考虑，计算结果显示，左、右墙墙体中都有较小的拉应力区域，但拉应力值很小，最大只有0.1MPa左右，墙体中的压应力值也较小，且墙体的抗滑稳定均有较高的安全储备。
3.5抗震措施
静、动应力变形分析成果表明：坝顶地震反应加速度放大倍数达3.7，动力反应较大，下游坝坡上部可能出现局部坍塌等破坏现象，为此，采取以下抗震措施：
①改变下游坝坡坡比分布，分三级呈下陡上缓之势，最顶部坡比为1：1.5，中部为1：1.4，下部为1：1.3，以降低地震对坝顶的危害。
②大坝1980.00m以上的下游坡用浆砌石护坡，保护下游边坡。
③1995m以上均用过渡料（3A），提高坝顶结构强度，在1980.00m以上的坝体内预埋拉筋且与浆砌石护坡连接，加强坝顶的整体性，增加坝体顶部的抗震能力。预埋拉筋为Φ25，间距2m，层距1.6m，单根长15m。
4.结语
① 大坝施工期观测资料的反馈计算表明，坝体不均匀沉降较小，至下闸蓄水时总沉降量不到坝高的1%。从蓄水初期观测资料看坝体沉降变形变化缓慢、均匀，规律正常。以上情况说明大坝设计是合理、安全和成功的。
② 公伯峡工程大坝设计中，紧密结合工程地形地质条件，充分吸取国内外先进技术和经验，在设计、施工过程中采用设置强透水区、混凝土挤压墙、左右岸高址墙、坝体填筑全断面均衡上升、混凝土面板一次性连续施工等，保证了大坝设计的先进，加快了施工进度、保证了施工质量。这些技术和措施，在公伯峡工程中，是十分成功的。
黄河公伯峡水电站混凝土面板堆石坝工程特点
王君利 吴曾谋
(西北勘测设计研究院， 陕西 西安 710065)
摘 要：公伯峡水电站拦河大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高132.2m，坝顶宽度10.0m，坝址处于较高地震区，河谷不对称，气候寒冷，日温差大，岩性变化复杂，开挖渣料质量差别大。在设计中充分考虑了这些特点，吸取国内外先进技术和经验，采用设置强透水区、混凝土挤压墙、左右岸高趾墙、坝体填筑全断面均衡上升、混凝土面板一次性连续施工等，保证了大坝设计的先进，加快了施工进度、保证了施工质量。这些技术和措施，在公伯峡工程中的应用，是十分成功的。
关键词：混凝土面板堆石坝；工程特点；公伯峡水电站
1. 工程概况
公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处的黄河干流上，距循化县城25km，距西宁市153km。
本工程是以发电为主，兼顾灌溉、供水的一等大（Ⅰ）型工程。坝址以上流域面积143619km2，多年平均年径流量226×108 m3，水库正常蓄水2005.00m，设计及校核洪水位分别为2005.00m及2008.28m。水库总库容6.3亿m3，调节库容0.75亿m3，为日调节水库。电站装机容量1500MW，保证出力492MW，多年平均发电量51.4亿kW·h。
本枢纽工程主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。根据坝址地形地质条件、结合有利施工和运行的需要,经多种方案比选后，其枢纽布置格局为：河床混凝土面板堆石坝、右岸引水发电系统（由引渠、砼坝式进水口、明压力钢管、岸边地面厂房及330kv开关站组成）、左右岸泄洪洞、左岸溢洪道、右岸面板防渗系统及左右岸灌溉取水口。
公伯峡水电站工程2001年8月8日正式开工, 导流洞工程2000年7月1日开工, 2002年3月18日河床截流。第一台机组于2004年9月20日发电,预计2006年竣工。大坝于2001年8月15日开始基础开挖，2002年8月1日坝体开始填筑，2003年10月22日大坝填筑到2005.50m高程（防浪墙底）2004年3月15日开始混凝土面板浇筑，2004年6月3日面板混凝土浇筑已全部完成，2004年8月8日水库开始蓄水。
2.混凝土面板堆石坝布置
2.1自然条件
坝址区黄河流向NE30°~50°，河道平直，平水期河水位1900m，水面宽40~60m，水深12~13m，该河段河床覆盖层厚5~13m。河谷不对称，右岸1980.0m高程以下为岩质边坡，高程1940m以上，坡度40°~50°，以下岸坡陡立；1980.0m高程以上为Ⅲ级阶地的砂壤土和砂卵砾石层。左岸除1930.0m、
1950.0m高程为坡积碎石覆盖的Ⅱ级阶地外，其余皆为岩边坡，平均坡度30°左右，临河段有高约10m的陡立坡。坝址区主要岩性为：前震旦系片麻岩、云母石英片岩及石英岩；加里东期花岗岩；白垩系紫红色砂岩；第三系红色砾砂岩，第四系砂壤土及砂卵砾石等。坝址区地震基本烈度为7度，大坝设防烈度为8度。
2.2坝体布置
大坝布置在主河床，为钢筋混凝土堆石坝，坝轴线方位NW316°35’13.2″。坝顶高程2010.00m，最大坝高132.20m，坝顶长度429.0m，顶宽10.0m，混凝土面板上游坝坡1：1.4；下游坝坡1：1.5--1：
1.3，为干砌石护坡，并设有10.0m宽的“之”字形上坝公路，大坝下游综合坝坡为1：1.79。坝顶设有高度为5.8m的“L”墙与面板相接，墙底高程2005.5m。由于河谷狭窄电站进水口紧挨右坝头, 溢洪道紧挨左坝头布置，为此大坝右坝头与电站进水口衔接处及左坝头与溢洪道衔接处分别设有38m和50m的高趾墙与大坝面板相连接（见图1）。
坝体从上游向下游依次分为：面板上游面下部土质斜铺盖（1A）及其盖重区（1B）、混凝土面板、垫层区（2A厚3m）、垫层小区（2B）、过渡区（3A厚3m）、主堆石区（3BⅠ—1强透水区、3BⅠ—2堆石区及3BⅡ砂砾石区）及下游次堆石区（3C）,详见大坝标准剖面（图2）。
3. 混凝土面板堆石坝主要特点
3.1在主堆石区中设强透水区
主堆石区为大坝主要支撑体的一部分，兼作坝体排水体（渗透系数K≥10-1cm/s）。原设计主堆石为利用本工程开挖料（要求为微、弱风化及强风化下部花岗岩和微、弱风化片岩，其中片岩含量不超过30%。最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量小于8%）。经现场大型碾压试验表明，开挖料碾压后细粒含量过多，渗透系数过小（K≤10-2cm/s），均不能满足要求。为保证坝体有通畅的排水通道，且又能充分利用本工程开挖料，故在主堆石区上游设置了用料场开采的微、弱风化花岗岩和片岩的强透水区（3BⅠ1），要求严格控制其中片岩含量不超过30%，最大粒径800mm，小于5mm的颗粒含量小于8%，渗透系数K≥10cm/s，孔隙率≤22.5%。而3BⅠ2堆石区小于5mm的颗粒含量小于20%，渗透系数K≥10cm/s，孔隙率≤20%，这样3BⅠ区大部分仍可用开挖料（强透水区仅占1/3左右），使坝体筑坝材料约有2/3是利用枢纽工程的开挖料。
3.2垫层采用挤压墙固坡
采用挤压墙可使边墙和垫层料可同时施工，省去坝面削坡、斜坡碾压、坡面保护等施工工序；避免 -1-1
图2 大坝标准剖面
垫层料超填，加快其填筑速度，并可提高坡面垫层料的密实度；减轻施工期对垫层料的冲蚀，有利于大坝坡面的保护和挡水度汛。计算论证，运行期挤压墙顺坡向的压应力为20MPa~36 MPa，轴向压应力为22MPa~36 MPa，大于墙体的抗压强度，因此运行期的挤压墙已被压碎，其性能基本与垫层相同；面板挠度有无挤压墙时分别为27.3cm和28.1cm；顺坡向拉应力分别为3.46MPa和3.52MPa、压应力分别为6.8MPa和7.1MPa，有挤压墙的计算值反略小，因此认为挤压墙对面板的应力、应变无不利影响，挤压墙体型设计合理，不影响面板安全运行。
挤压墙断面的上游坡面与坝体上游坡面相同，为1：1.4，顶部宽度取10cm，墙高与垫层料的铺料厚度相同，混凝土挤压墙内坡为8：1。
混凝土挤压墙应达到以下标准：
（1）其28天抗压强度不应超过5MPa，且2～4小时的抗压强度指标应以挤压成型的边墙在垫层料振动碾压时不出现坍塌为原则。
（2）其弹性模量指标应控制在5000～7000MPa，最好低5000MPa。
（3）其密度指标宜控制在2.0～2.25t/m3，尽可能接近压实密度。
（4）其渗透系数应控制在10-3cm/s范围，即尽可能与垫层区渗透系数一致（为半透水体）。
（5）挤压墙表面喷涂薄层乳化沥青，减小对混凝土面板的约束，有利于面板防裂。
3.3坝体填筑全断面均衡上升，为面板一次性连续施工创造条件
本工程由于有上游大型水库的调蓄，减小了度汛洪水流量，因此可全年用围堰挡水。为减小坝体不均匀沉降及其对面板的影响，坝体填筑采用全断面均衡上升。经计算，坝体采用全断面填筑，其沉降由137.3 cm ~140.9 cm减小到99.69 cm ~103.6 cm。
坝体填筑到2005.50m高程（防浪墙底）后经5个月左右的自沉，开始面板混凝土浇筑，也减小了坝体后期沉降（含流变）对面板的影响，这都为面板一次性连续施工创造了良好的条件。
公伯峡面板一次浇筑块长度达218m，为当前在建工程之最，经计算，一次浇筑面板的应力、挠度都比面板分二期施工有所减小（挠度由23.3 cm 减小到20.5 cm，面板顺坡向应力由10.04 MPa 减小到6.32 Mpa），坝体应力应变状态基本相同，周边缝的变位值略有减小，说明面板一次浇筑对大坝安全是有利的。但应注意加强面板混凝土的防裂措施（重点是混凝土材料、施工工艺、养护及减小基面约束）。
3.4高趾墙
高趾墙是面板防渗体系的重要组成部分，它直接关系到面板防渗的可靠性和大坝的安全。公伯峡左右岸混凝土高趾墙最大墙的高度分别为38 m 及50m。高趾墙的基础置于弱风化岩上（左岸高趾墙基础局部为强风化岩），局部出露有片岩捕掳体。
左岸高趾墙位于溢洪道右侧（兼作溢洪道右导墙）为砼重力式挡墙，墙顶高程2010.0m，同时作为坝顶通往左岸泄洪洞进水塔交通道路的一部分，全长50.0m。墙顶按交通要求宽度为8.0m（含悬臂牛腿宽1.5m），墙体两侧面均为扭面，墙左侧面由直坡渐变到1∶0.5，墙右侧面由斜坡1∶0.5渐变到直坡。右岸高趾墙位于电站进水口左侧，为砼重力式挡墙，墙顶高程2010.00m～1952.417m，全长84.99m，根据结构的要求，墙顶宽度为4.0～13.21m，沿长度方向墙顶为1：1.5的斜坡，墙高逐渐减小。墙体右侧面为垂直面，左侧面为1∶0.6的斜面，建基高程为1960.0m～1950.0m不等。 墙内设有灌浆排水廊道。墙底均进行固结灌浆和帷幕灌浆。
高趾墙在施工期要承受坝体堆石的侧向压力，在蓄水期不仅要承受巨大的水压力，而且不允许产生较大的变形，避免破坏面板与高址墙之间周边缝止水，或拉裂高趾墙下的灌浆帷幕，影响面板的正常运行。由于高趾墙受力的复杂性，其计算分析必须按整体考虑，计算结果显示，左、右墙墙体中都有较小的拉应力区域，但拉应力值很小，最大只有0.1MPa左右，墙体中的压应力值也较小，且墙体的抗滑稳定均有较高的安全储备。
3.5抗震措施
静、动应力变形分析成果表明：坝顶地震反应加速度放大倍数达3.7，动力反应较大，下游坝坡上部可能出现局部坍塌等破坏现象，为此，采取以下抗震措施：
①改变下游坝坡坡比分布，分三级呈下陡上缓之势，最顶部坡比为1：1.5，中部为1：1.4，下部为1：1.3，以降低地震对坝顶的危害。
②大坝1980.00m以上的下游坡用浆砌石护坡，保护下游边坡。
③1995m以上均用过渡料（3A），提高坝顶结构强度，在1980.00m以上的坝体内预埋拉筋且与浆砌石护坡连接，加强坝顶的整体性，增加坝体顶部的抗震能力。预埋拉筋为Φ25，间距2m，层距1.6m，单根长15m。
4.结语
① 大坝施工期观测资料的反馈计算表明，坝体不均匀沉降较小，至下闸蓄水时总沉降量不到坝高的1%。从蓄水初期观测资料看坝体沉降变形变化缓慢、均匀，规律正常。以上情况说明大坝设计是合理、安全和成功的。
② 公伯峡工程大坝设计中，紧密结合工程地形地质条件，充分吸取国内外先进技术和经验，在设计、施工过程中采用设置强透水区、混凝土挤压墙、左右岸高址墙、坝体填筑全断面均衡上升、混凝土面板一次性连续施工等，保证了大坝设计的先进，加快了施工进度、保证了施工质量。这些技术和措施，在公伯峡工程中，是十分成功的。