水庫混凝土面板建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

水庫混凝土面板建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計某水庫大壩是一座采用C25W12F100混凝土面板的堆石壩，最大壩高95m。壩址位于高山峽谷地區(qū)，存在崩塌堆積、采空塌陷及巖體風(fēng)化等地質(zhì)問題，壩基地質(zhì)條件較復(fù)雜，需要在勘察設(shè)計階段對其布置方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行深入研究。圍繞減少開挖及填筑工程量、增強(qiáng)壩基壩肩穩(wěn)定性、確保防滲止水效果等關(guān)鍵技術(shù)難題，經(jīng)多次體型結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，確保堆石壩樞紐布置、結(jié)構(gòu)分區(qū)、壩基處理等均滿足技術(shù)規(guī)范要求，對提高工程投資經(jīng)濟(jì)效益起到關(guān)鍵性作用。1工程概況某水庫是以發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，兼有農(nóng)村人畜飲水等功能的一項(xiàng)綜合性水利工程，壩址以上集雨面積101.65km2，水庫正常蓄水位1416.00m，死水位1376.50，設(shè)計洪水位1416.36，校核洪水位1418.32m，總庫容1995×104m3，興利庫容1345×104m3，死庫容425×104m3，最大壩高95m，壩頂高程1419.80m。工程等別Ⅲ等，工程規(guī)模為中等，其永久性建筑物大壩按2級設(shè)計，壩型為砼面板堆石壩，建設(shè)工期29個月。2壩址地形地質(zhì)條件河流總體為向左岸（NW）凸出，流向?yàn)镹60°E轉(zhuǎn)E，下游側(cè)轉(zhuǎn)至N45°E；壩址段河谷為不對稱或基本對稱“V”字型谷，河床高程1322―1330m，壩址壩段長約480m。設(shè)計正常蓄水位1416.0m時，谷口寬約210m，寬高比約3；左、右岸山脊高程大于1515.00m。左岸坡地形零亂，為一約凸出的山脊地形，沖溝較發(fā)育；右岸地形相對單一，總體為一凸出的山脊地形。壩址區(qū)主要出露（P3l+d）砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、砂質(zhì)粘土巖及煤層；（T1f1）粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粘土巖；（T1f2-1）粉砂質(zhì)泥巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及砂巖、紫紅色泥巖等；第四系殘坡積層（Qel+dl）；沖洪積層（Qal+pl）；崩塌堆積（Qcol）。壩址區(qū)巖體較完整，巖層產(chǎn)狀為N75°―85°W/SW∠60°―70°，壩址區(qū)未見較大的褶皺及斷層等通過，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育4組裂隙。壩址區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為崩塌堆積、采空塌陷及巖體風(fēng)化：①崩塌體：主要分布于壩軸線上游側(cè)兩岸坡，左岸（3#崩塌體）估計方量約3萬m3；右岸（4#崩塌體）估計方量約4.5萬m3，成份主要為粘土夾塊石，未見架空現(xiàn)象，堆積較密實(shí)；②采空塌陷：主要分布于下壩址下游左岸，地表已形成多個塌坑，房屋大部分已經(jīng)開裂，局部已塌陷。③巖體風(fēng)化：左岸強(qiáng)風(fēng)化深9.00―20.00m；河床強(qiáng)風(fēng)化深3.00―9.00m；右岸強(qiáng)風(fēng)化深13.00―18.00m。壩址區(qū)為碎屑巖地層，地下水主要為基巖溶隙水，巖體透水性弱，屬相對隔水層。兩岸地下水補(bǔ)給河水。壩址區(qū)為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組第二段第一亞段（T1f2-1）粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖等，巖體呈互層狀結(jié)構(gòu)，巖層傾右岸略偏上游。根據(jù)試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)：砂巖強(qiáng)度較高，巖塊飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa；泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度一般，巖塊飽和抗壓強(qiáng)度小于20―30MPa；粉砂質(zhì)泥巖、泥巖強(qiáng)度較低，巖塊飽和抗壓強(qiáng)度小于20MPa，經(jīng)過綜合分析及工程類比法，壩基巖體承載力建議值：砂巖為2500―3500kPa；泥質(zhì)粉砂巖為2000―2500kPa；粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為1000―1500kPa。由于壩基以軟質(zhì)巖及較軟巖為主，剛性壩建基面應(yīng)置于弱風(fēng)化中下部巖體，但巖體物理力學(xué)指標(biāo)較低，需重視壩基巖體壓縮變形問題；柔性壩建基面可置于強(qiáng)風(fēng)化巖體上，但上游側(cè)趾板處在崩塌體上，開挖難度及開挖量較大[1，2]。根據(jù)地形地質(zhì)條件分析，由于壩基以軟質(zhì)巖及較軟巖為主，不宜于修建剛性壩，所以以面板堆石壩為代表壩型進(jìn)行樞紐布置。3混凝土面板堆石壩方案優(yōu)化設(shè)計面板堆石壩方案樞紐布置為：面板堆石壩+右岸溢洪道+右岸取水兼放空隧洞等。首部樞紐布置如圖1所示。3.1面板堆石壩（1）壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)壩軸線方位NW51.290，壩頂長272.7m，寬6.5m，壩頂高程1419.8m，防浪墻高程1421.0m，建基面高程1321.00m，最大壩高98.6m。上游壩坡1：1.4，下游壩坡1：1.3，下游壩坡分別在1357m、1387m高程設(shè)置2m寬的馬道。大壩壩體結(jié)構(gòu)為：上游防滲面板+墊層區(qū)+過度區(qū)+主堆石區(qū)+下游堆石區(qū)+下游塊石護(hù)坡+大塊石護(hù)腳。砼面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)斷面剖面，如圖2所示。（2）壩頂設(shè)計根據(jù)《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（SL228-2013），綜合考慮壩高、交通及壩頂布置等要求[3]，并參照一般工程經(jīng)驗(yàn)取壩頂寬度9.00m。壩頂上游設(shè)防浪墻，下游設(shè)欄桿，壩頂面做成單側(cè)排水坡，坡度為1%。防浪墻采用L型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻底高程1417.0m，高出正常蓄水位1.0m，墻高4.0m，與面板相接處設(shè)伸縮縫及相應(yīng)止水。（3）混凝土面板面板厚度：按控制水力梯度小于200，便于鋼筋及止水布置時的較小厚度設(shè)計，采用由頂部向底部逐漸增厚的形式，頂部厚度0.30m。垂直縫間距為12m面板混凝土強(qiáng)度等級采用C25、二級配；抗?jié)B等級W12；抗凍等級F100；水泥為525#普通硅酸鹽水泥；摻用符合標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰[4]。根據(jù)規(guī)范要求，面板為單層雙向配筋，縱向配筋率0.4%，橫向配筋率0.4%，周邊縫及受壓伸縮縫附近面板內(nèi)，布置加強(qiáng)筋。（4）趾板趾板建基面宜置于堅(jiān)硬的基巖上，厚度0.8m。趾板建基面為弱風(fēng)化上部或強(qiáng)風(fēng)化下部，弱風(fēng)化巖體允許水力梯度為10―20，強(qiáng)風(fēng)化巖體允許水力梯度為5―10。（5）壩體分區(qū)壩體自上游至下游依次分為石碴蓋重區(qū)（1B）、粘土鋪蓋區(qū)（1A），混凝土面板（F）、墊層區(qū)（2A）、周邊縫下特殊墊層區(qū)（2B）、過渡層區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、次堆石區(qū)（3C）、大塊石護(hù)腳（3F）及下游塊石護(hù)坡區(qū)（3D）。墊層區(qū)采用上、下等寬布置，其水平寬度取3.00m。過渡區(qū)上、下等寬布置，其水平寬度采用3.00m。主、次堆石區(qū)在上、下游方向以壩軸線下游3.00m處高程1407.00m的點(diǎn)為起點(diǎn)、1:0.4傾向下游坡線為分界線，上游為主堆石區(qū)3B，下游為次堆石區(qū)3C；下游最高水位為1331.17m，留有余地，以1332.00m高程作為濕潤和干燥區(qū)的分界線。在豎直方向1332.00m高程以上為次堆石區(qū)3C，以下為堆石排水區(qū)3F。下游坡面設(shè)水平寬度為0.6m的大塊石護(hù)坡。在1355.00m高程以下的面板上游，設(shè)頂部寬度為2.00m，坡度為1:1.6的鋪蓋區(qū)；鋪蓋區(qū)上游設(shè)頂寬4.00m、坡度為1:2的土石蓋重區(qū)。（5）分縫及止水周邊縫為面板與趾板間的分縫，采用三道止水。頂部止水由縫口Φ70mm橡膠棒、柔性填料和橡膠波形止水帶覆蓋組成；中部止水為“Ω”型紫銅片，布置在周邊縫中央偏表部；底部止水采用“F”型紫銅片。由于面板垂直縫的張、壓特性事先不能準(zhǔn)確預(yù)計，從保證止水系統(tǒng)完整性出發(fā)，止水結(jié)構(gòu)設(shè)計均按張性縫處理[5]。面板垂直縫采用兩道止水，底部設(shè)“W”型紫銅片止水；頂部止水由Φ40mm橡膠棒、柔性填料和橡膠波形止水帶覆蓋組成。防浪墻與面板間水平縫，設(shè)頂、底兩道止水，底部采用“W”型紫銅片止水，頂部與面板頂部止水相同。每12.0m設(shè)一條沉降縫?？p內(nèi)設(shè)一道紫銅片止水，止水帶與防浪墻底部的止水銅片相接。3.2溢洪道溢洪道采用岸坡式開敞式溢洪道，緊鄰右壩肩布置，由引渠段、控制段、泄槽段和消力池段組成。引渠段主要是將庫水平順地引入控制閘，引渠底板高程1407.00m，軸線長98.848m，引渠底板厚200mm。閘室控制段基礎(chǔ)置于新鮮的砂質(zhì)泥巖上，閘室采用3孔布置，溢流凈寬16.00m，中墩厚2m，邊墩厚度2.0m，總寬24.00m。4基礎(chǔ)處理優(yōu)化設(shè)計4.1壩基開挖壩址河段河谷狹窄，河谷兩岸及河床出露地層為T1yn1-3，上部巖性以灰色薄至厚層灰?guī)r為主，夾灰至灰綠色薄至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r、薄層泥灰?guī)r，下部為極薄層泥灰?guī)r夾薄至中厚層灰?guī)r條帶，巖石強(qiáng)度較高，屬中硬巖-硬質(zhì)巖類。巖體呈層狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化至新鮮巖體結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育（多閉合），無貫穿性結(jié)構(gòu)面，巖體較完整，強(qiáng)度較高，抗滑、抗變形性能力較強(qiáng)；強(qiáng)風(fēng)化巖體卸荷帶較發(fā)育，巖體完整性相對較差，抗滑、抗變形性能力受結(jié)構(gòu)面和巖塊間嵌合能力控制。壩址巖層產(chǎn)狀為N70°―85°W/SW∠55°―∠60°，總體傾向上游偏右岸，壩址區(qū)未見大的地質(zhì)構(gòu)造形跡，主要以小規(guī)模層間錯動帶、擠壓破碎帶為主，局部有小規(guī)模繞曲現(xiàn)象。根據(jù)壩址地質(zhì)情況，河床段大壩建基面置于弱風(fēng)化下部，接近壩頂高程的拱圈建基面置于弱風(fēng)化中、上部，接近河床的拱圈建基面至于弱風(fēng)化底部或微風(fēng)化上部。1）根據(jù)擬定壩址區(qū)地形地貌及地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，結(jié)合建基面選擇和首部樞紐筑物布置，推薦采用砼面板堆石壩，并對