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小浪底大坝的设计特点及施工新技术作为小浪底水利枢纽挡水建筑物的斜心墙堆石坝已于1999年10月正式投入运用,现最高蓄水位接近210m,蓄水约18亿m3预计将于今年8月底完工,比合同工期提前约10个月小浪底大坝为坐落在深覆盖层上的壤土斜心墙堆石坝,设计坝高154m,实际坝高160m,坝顶长1667m,总填筑方量5185万m3,就其体积来说堪称中国第一大坝,也是目前国内最高的壤土心墙堆石坝
一、大坝的设计条件
1.大坝坝基沿坝轴线约有420m坐落在砂卵石覆盖层上,覆盖层一般深30〜40m,最深达70余米在覆盖层中夹有连续的、厚度约20m的粉细砂层及粉细砂透晶体
2.坝基岩石为砂岩和黏土岩互层,分布有大小10多条顺河向断层,其中断距约200m的Fl断层将河床基岩分为二叠纪(南侧)和三叠纪(北侧)两个不同的地质年代岩层呈缓倾角6°16倾向北东,也即倾向下游和倾向北岸在岩层中含有磨擦系数值仅为
0.2〜
0.
28、C值为
0.005MPa的泥化夹层
3.在坝轴线附近的河床深槽右侧有一个高约45m的基岩陡坎.平均坡度为
10.3;在靠近左岸防渗帷幕线附近是较疏松的坡积和洪积覆盖层,下伏有呈反坡状被称为“老虎嘴”的岩石陡坎
4.右坝肩东坡滑坡体体积约90万m3,需要挖除或处理;大坝轴线上游2〜3km有体积分别为1100万m3和410万m3的两个大滑坡体;左岸山体为相对单薄的分水岭
5.根据我国有关规范要求.大坝按8度地震烈度设防;按世行专家建议,应校核震中距lOkm发生
6.25级水库诱发地震时大坝的动力稳定
6.施工导流按百年一遇洪水标准设计,并随着坝体的升高将主坝的拦洪标准提高至300年一遇和500年一遇
7.拦沙减淤是小浪底水库的一项主要功能和效益水库将有
75.5亿m3的淤沙库容,最高淤积高程达254m
二、小浪底大坝的设计特点
1.大坝防渗设计据统计,38%的土石坝破坏是由渗漏和管涌引起的,30%是由于地基破坏,因而对于小浪底这样的高土石坝来讲,防渗设计是大坝设计的关键基于上述设计条件,经过多方案的论证和比较,根据坝体各部分的功能进行了坝的分区设计,共采用了17种材料大坝的防渗设计具有如下特点1选择壤土斜心墙堆石坝坝型,以垂直防渗为主;大坝斜心墙防渗轴线位于坝轴线上游约80m,以尽量避开右岸覆盖层下部高达45m的基岩陡坎的影响,从而也可获得较好的心墙应力状态在覆盖层深槽部位采用混凝土防渗墙,墙厚L2m,下部嵌入基岩1〜2m,上部插入心墙12m;在心墙和基岩接触的部位铺设厚1m的钢筋混凝土盖板,在盖板的保护下进行固结灌浆和帷幕灌浆左右两岸在灌浆帷幕下游设排水帷幕2截流俄堤、枯水围堰是主围堰的一部分,主围堰是大坝的一部分主围堰采用斜墙剖面,通过内铺盖将心墙和主围堰的斜墙连接起来,利用坝前的淤积形成天然铺盖,作为大坝的辅助防渗线主围堰施工期在右岸滩地部分用水平铺盖和塑性混凝土防渗墙、龙口段用高压旋喷灌浆防渗帷幕拦截上游覆盖层的渗水实践证明,这样的设计节省工程量,有利于抢赶截流后的施工进度,同时也改善了斜心墙的应力条件,提高了上游坝坡的静态、动态稳定性3将左岸单薄山体视为大坝的延伸将大坝防渗线向左岸延伸约1km,在地表、235m高程灌浆廊道和170m高程灌浆廊道分别进行帷幕灌浆,形成完整的防渗幕体在防渗帷幕下游设排水帷幕对于左岸单薄的山体断面进行堆渣压侦以保证蓄水后山体的稳定4采用掺有人工轧制料、级配良好、可适应机械化施工的宽厚反滤体大坝心墙料与相邻的材料之间均用精心设计的反滤料过渡以保证渗透稳定斜心墙下游侧设粒径范围为O.l~20mm及5〜60mm、宽分别为6m及4m的反滤层,上游侧设粒径范围
0.1〜60mm、宽为4m的混合反滤层反滤体与堆石体之间设最大粒径不超过250mm的过渡料区
2.其他特殊的设计考虑1挖除坝基表砂层坝基砂卵石132m高程以下为上更新统Q3冲积砂卵石层,经过30m以上盖重的预压比较紧密132m高程以上为全新统Q4近代河流冲积的较疏松的砂卵石、粉细砂层对易发生液化的表砂层及Q4地层予以全部挖除2设置下游坝坡压俄大坝按防8度地震烈度、
0.215g的地震加速度进行了动力稳定性分析,并按
6.25级的水库诱发地震、
0.5g的地震加速度进行了稳定性复核分析研究结果显示,在大坝下游坝脚附近的砂卵石地基中有液化破坏的可能为保证大坝的稳定,在下游坝脚以外设置了宽80m的石渣压破,按上覆有效压力不小于
0.2MPa计,压能顶部高程为155m这样将坝基的液化区推向压坡坡脚下游,可确保大坝在地震情况下的稳定和安全3精心处理F1顺河向大断层在心墙和反滤层底部的F1断层带及其两侧影响带宽约30m的范围内设置1m厚的钢筋混凝土盖板,并设错开布置的纵横缝和止水混凝土盖板下布设间距3mx3m、孔深10m的固结灌浆在帷幕与断层带交会的地段加密布置5排深孔帷幕灌浆孔,深度与大坝防渗帷幕协调一致4用旋喷灌浆加固左岸沟口洪积和坡积基础位于主坝混凝土防渗墙轴线附近的左岸岩石局部呈反坡和陡坡俗称“老虎嘴”,邻近覆盖层为疏松的坡积和洪积土的交会,如处理不当可能使心墙产生裂缝或心墙土料与岸坡基础接触错动和渗流破坏经反复研究,最终采用对“老虎嘴”部位的岩石反坡和邻近砂卵石覆盖层采用高压旋喷灌浆加固措施,槽孔混凝土防渗墙一直打到岸边,消除了隐患
三、大坝施工采用的新技术
1.混凝土防渗墙施工小浪底大坝建在最大深度70多米的砂卵石覆盖层上,其混凝土防渗墙深度、墙体厚度和混凝土强度均在国内首屈一指1横向槽孔塑性混凝土保护下的平板式接头新技术主坝混凝土防渗墙施工采用横向槽孔填充塑性混凝土保护平板式接头新技术,克服了高标号混凝土35MPa防渗墙接头孔施工困难的缺点,仅93天即完成截水面积达
5085.7m2的混凝土防渗墙的施工该项技术槽孔开挖采用钢缆式抓斗、重锤和液压铳槽机又称双轮铳等先进设备配套有泥浆设备、循环除砂系统等一套先进的设备,使整个槽孔的开挖效率大为提高混凝土浇筑仍为水下直升导管法,但采用混凝土拌和车直接入仓,简化了工艺,提高了浇筑速度泥浆采用法国产优质膨润土制成,比重为
1.0g/cm3~
1.1g/m3o接头形式如图在施工中先按预定位置施工横向槽孔与混凝土防渗墙轴线垂直,浇筑塑性混凝土,然后施工序槽孔浇筑墙体混凝土n序槽开挖后,用双轮铳将已达到一定强度的I序槽混凝土自上而下铳掉10cm厚,露出新鲜混凝土,再浇筑n序混凝土,连接成墙2上游围堰主河槽旋喷灌浆造墙新技术上游围堰主河槽防渗墙采用高压旋喷灌浆造墙新技术由于墙体设计标号低,不易用取芯样试验来检查成墙质量,只能用严格的工艺控制措施来予以保证,高压旋喷灌浆采用二重管法根据旋喷灌浆机械设备的性能,通过现场单桩和围井试验及挖坑检验确定施工工艺和各种技术参数,从而在设计桩间距为1m的情况下,保证桩体成桩直径不小于
1.2m施工时严格控制钻孔的偏斜率以保证墙体的连续性,控制浆液配比、压力和钻杆提升速度以确保墙体强度和抗渗性共完成钻孔进尺11562m,旋喷进尺约10075m,形成墙体面积9897m
22.稳定浆液及GIN法灌浆技术1稳定浆液灌浆在小浪底工程中,大范围全部帷幕灌浆使用了浓度较高的、具有单一配比的稳定浆液进行了帷幕灌浆并取得了成功,在全国尚属首次该方法主要有如下优点一是浆液配比单
一、配制工艺简单,减少了浆液变换等人为影响,有利于浆液的质量控制;二是稳定浆液凝聚力小,流动性好,水泥颗粒沉降速度慢,不会过早堵塞裂隙,故具有良好的可灌性;三是稳定浆液中水泥含量高,密度大,水泥结石强度高三是稳定浆液中水泥含量高,密度大,水泥结石强度高灌浆方法采用了小口径56〜69mm钻进、孔口封闭、自上而下孔内循环的灌浆工艺采用的稳定浆液配合比如下水灰比膨润土%RC-M减水剂%
0.
712.
00.62GIN法灌浆GIN法灌浆是目前国际上推广十分迅速的一项新的灌浆技术GINGroutingIntensity Number即灌浆强度值,等于灌浆段上最终的灌浆压力和单位灌浆段上浆液灌注量的乘积,其含义为单位灌浆段上消耗的能量在灌浆施工中,选取合适的GIN值,并在各灌浆段上基本保持一致,即可形成一道大致相同的防渗帷幕其技术要点为一是使用稳定浆液;二是在计算机上用选定的GIN曲线对灌浆压力和浆液灌注量进行全过程监控,以免出现过高的灌浆压力和过大的、不必要的灌注量为了论证GIN法在小浪底帷幕灌浆工程中的可行性,1996〜1997年在左岸三叠系地层中的4号灌浆洞内和右岸二叠系地层中的2号灌浆洞内,完成了进尺为3815m的GIN法帷幕灌浆试验性生产试验性生产汲取了我国较常用的孔口封闭、自上而下孔内循环灌浆法和GIN法灌浆技术两者的优点,探索出了一套适合我国国情的新的灌浆方法小浪底大坝的施工采用了国际招标,国际承包商在施工中采用了很多先进技术,如主坝混凝土防渗墙施工中采用了目前世界上最先进的大型双轮铳机具,并采用了槽孔平接技术特别应指出的是国际承包商表现出的现场管理水平很值得我们学习和借鉴。