CHE水电站碾压混凝土重力坝

1 工程概况

CHE水电站位于北疆地区，是干流上的第三个梯级电站。水电站装机容量110MW，为中型Ⅲ等工程，主要任务以发电为主，兼有灌溉、供水等综合效益。

CHE水电站大坝下游全景

2 气象及工程地质

2.1 气象

工程所在地气候干燥，春秋季短，冬夏季长，夏季较凉爽，冬季多严寒，气温年较差悬殊，日较差明显。多年平均气温2.6℃，历年极端最高气温36.6℃，历年极端最低气温-45℃。多年平均年降水量269.40mm，多年平均年蒸发量1800mm（φ20cm）。多年平均最大风速28m/s，历年各月最大积雪深36cm，最大冻土深127mm。

2.2 工程地质

坝区内断裂展布以NWW向和NNW向为主，根据历史地震分布，工程区属外围中强地震的波及区，地震动峰加速度值为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，建筑物抗震设防烈度为6度。

库区出露的地层岩性主要为云母石英片岩、变质砂岩和部分花岗岩等中硬～坚硬不透水岩层。第四系地层在库区两岸阶地、河谷、冲沟出口及下游以及陡坎下部广泛分布。库区无区域性断裂通过。

坝址区河谷呈不对称U形，走向近南西向，河流纵坡约0.31%。谷底与两岸山顶相对高差近200m，河床宽90～120m，正常高水位处谷宽530m。左岸山体陡峻，岸边残留有Ⅱ级堆积阶地；右岸坝线上游发育Ⅱ级堆积阶地，岸边分布有Ⅲ级侵蚀阶地，阶地前缘为基岩陡坎，阶面地形平缓。

坝址区出露的地层岩性以云母石英片岩为主，呈中～厚层状。阶地、冲沟、岸坡坡脚、河床等部位分布有厚度不等的风积黄土、碎石土及粉土、含土碎石、含漂石砂卵砾石等。

3 枢纽布置

枢纽工程所属建筑物由碾压混凝土挡水坝段、表孔溢流坝段、底孔泄洪坝段及左岸发电引水系统坝段等组成。采用坝后式厂房，压力钢管为坝后背管，表孔坝段布置在河床段，底孔坝段布置在右岸阶地。枢纽平面布置见图1。

4 大坝设计

4.1 坝体轮廓设计

大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高71m，坝顶宽度为8m。坝体上游面高程10.00m处至坝顶为垂直面，以下至坝基为1∶0.2的斜坡面。坝体下游面高程64.06m以下由1∶0.7的坝坡连接至坝基。大坝典型剖面见图2。

4.2 坝体分区及混凝土设计指标

（1）坝体分区。坝体混凝土设计主要考虑挡水坝段和溢流坝段两种剖面。在分析坝体在各种工况工作条件及应力计算的前提下，为满足坝体应力控制要求，坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、低热等性能方面的要求，另外，坝体材料分区应在满足强度及耐久性要求的前提下，力求简洁，共分为5个区。主要设计方案如下：

Ⅰ-1区为上游高程55.00m以上防渗碾压混凝土；Ⅰ-2区为上游高程55.00m以下防渗碾压混凝土；Ⅰ-3区为下游外部防渗碾压混凝土；Ⅱ区为坝内部碾压混凝土；Ⅲ区为基础常态混凝土，河床部位厚1m。碾压混凝土坝各部位混凝土设计指标见表1。

（2）混凝土设计。工程采用的C2、C3料场的天然砂、粗骨料均为具有高度可疑潜在危害性反应的活性骨料。为抑制碱—骨料反应，采取的措施有：使用低碱水泥，控制水泥的含碱量低于0.6%；控制混凝土中的含碱量，从各种原材料选择上控制原材料的总碱量，降低混凝土的总含碱量；粉煤灰对碱—骨料反应有明显的抑制效果，要求各种混凝土必须掺用粉煤灰，其掺量不宜低于20%。施工采用碾压混凝土配合比见表2。

图1 CHE水电站平面布置图

图2 CHE水电站碾压混凝土重力坝典型剖面图

4.3 坝体防渗结构

上游防渗层采用二级配碾压混凝土加变态混凝土防渗方案，其厚度为高程55.00m以下厚4m，高程55.00m以上厚3.5m。

4.4 坝体分缝设计

坝体根据地基条件、结构布置、施工浇筑条件以及混凝土温度控制等因素，设置永久横缝，将大坝分为29个坝段。非溢流坝段横缝间距一般为20m，溢流表孔坝段间距19m，泄洪底孔坝段宽度23m，发电引水系统坝段横缝间距为15.5m。

4.5 止水系统设计

坝体上游二级配碾压混凝土防渗层及坝体下游非溢流坝面横缝内设置两道止水，第一道为铜止水，第二道为橡胶止水，缝内填充厚1cm的沥青木板。上下游横缝止水均埋设在坝踵和坝趾的止水基座内，止水片埋入基岩内的深度为50cm，止水槽设置插筋。

坝内所有穿越横缝的廊道，均在廊道周边横缝内布置一圈橡胶止水带。对于中轴线与横缝重合的廊道，在廊道顶部和底部的横缝上各设置一道橡胶止水带。

4.6 坝体坝基排水设计

为了灌浆、排水、监测、交通及运行维护的需要，碾压混凝土大坝设置纵向廊道，断面为城门洞型，布置2层。除基础灌浆廊道外，其下游主河床段设有网格状的基础排水廊道，纵向为二道，横向为三道，断面为城门洞型。

坝体排水孔设置于上游二级配与三级配混凝土交界面上，从左岸至右岸形成坝体排水幕。通过坝面二级配混凝土渗入排水管，再汇集至排水廊道和集水井，抽排出坝体。排水孔间距3m，孔径为110mm。大坝上游侧设置横缝排水管，位于最后一道横缝止水下游0.5m处，横缝排水管采用塑料管，直径为110mm。

4.7 坝基处理

该工程岩体以中～厚层状云母石英片岩为主，局部片理发育带属薄层状，为保证原状岩体少扰动，应严格控制施工爆破，根据岩石特性，保护层厚度控制为2.5～3m，以保证坝基下岩体质量。

在坝基范围内进行铺盖式的固结灌浆，固结灌浆在大坝基础混凝土浇筑完成，达到50%强度后实施，固结灌浆孔深5m，孔距、排距3m，梅花形布置。帷幕灌浆深度按3Lu线和坝基承受最大水头的1/2控制。灌浆深度为3Lu线以下5m。帷幕灌浆设置一排，最大帷幕深度为40m，孔距为2m。右岸帷幕灌浆向坝肩延伸30m，深度为40m。

4.8 温控设计

（1）温控标准。坝址所在地区气候条件比较恶劣，对大坝混凝土的浇筑客观上存在着夏季消除高温、越冬温度保护等不利因素，必须通过仿真计算对温度控制做精心设计，以有效防止并控制裂缝的产生。

针对主河床坝段和岸坡坝段，对大坝基础约束区与非约束区混凝土不同季节合理的浇筑厚度、间歇期、浇筑温度、冷却措施及通水时间（初期冷却、中期冷却、后期冷却）、各季节混凝土施工方法及保温标准等温控措施进行了仿真计算，计算结果见表3。

（2）温控设计。通过温控计算，工程采取如下温控措施：夏季温控的主要目标是降低（同自然拌和相比）坝体混凝土最高温度5～7℃；基础约束区的高温夏季温差较大，尽可能安排在较低气温季节内完成，如4—5月及9月后施工；混凝土4月、10月浇筑时，由于外界温度较低，在自然情况浇筑即可满足温控要求，基础温差在容许范围内，所以无须进行特殊的温控措施，只需加强混凝土的养护，混凝土浇筑后及时以保温板进行覆盖；5月、9月，可以采用一般的温控措施——降低骨料和水泥的温度，来降低混凝土的浇筑温度，从而控制混凝土的最高温度；6—8月必须采取降低骨料和水泥的温度并通冷却水降温等特殊温控措施，否则，坝体最高温度会超出要求。

5 施工

（1）导流方式及导流标准。该工程采用分期围堰导流方式。结合分期导流方案和施工总进度计划安排，导流分为三个阶段，即：一期导流、二期导流和坝体临时度汛阶段。一期导流阶段利用束窄后的原河床过流，一期纵横向围堰挡水，进行右岸坝段高程36.50m以下碾压混凝土施工；二期导流阶段利用底孔泄流，二期纵横向围堰挡水，进行左岸坝段高程36.50m以下碾压混凝土施工；三期导流阶段由底孔泄流，坝体临时断面挡水，进行整个坝体碾压混凝土、溢流表孔、厂房和发电引水系统施工。一期、二期施工导流标准为10年一遇，洪峰流量1405m³/s；施工导流的坝体临时断面度汛标准为20年一遇，洪峰流量1603m³/s。

（2）施工进度。工程于2006年12月立项；2007年4月主体土建工程开工建设，2008年4月泄流底孔过流；2009年10月4号机组具备发电条件，2010年10月完工。

6 大坝监测及成果分析

为了解和评价大坝的运行状况，本工程设立的主要监测项目有坝体变形监测、温度应力应变监测、渗流观测、水力学监测等，监测系统采用自动化系统，具备自动数据采集功能和信号越限报警功能。大坝监测项目详见表4。

根据施工期实际监测资料分析比较，得出如下结论：

（1）坝体内各部位温度变化监测。温度计全部埋设在11号坝段，其中基岩温度计4支，坝体温度计16支，表面温度计5支，库水温度计6支。基岩岩石温度计分别埋设于基岩面以下5m、10m、15m、20m处，从2008年5月—2009年7月，基岩下20m、15m，10m、5m处的温度分别保持在7.8～8.6℃、8～9.6℃、7.9～10.7℃、8.7～13.5℃，14个月中，各部位温度变化分别为0.9℃、1.6℃、2.8℃、4.8℃。可以看出，基岩下20m处的温度变化最小，基岩下5m处的温度受上部混凝土水化热的影响最大。

（2）坝底的扬压力监测。埋设在帷幕线上游侧的3支渗压计随着上游水位的变化，所测的渗水压力明显发生变化。2008年8月25日，坝体上游侧水位与河道水位基本保持相平，3支渗压计的测值分别为0.104～0.150MPa、0.180～0.224MPa、0.180～0.215MPa。

（3）混凝土应力应变监测。埋设在8号坝段（引水发电系统坝段）的应变计监测的混凝土拉应变为87×10^-6～203×10^-6，其中位于0-007.50底板上部监测的混凝土拉应变最大，为203×10^-6。埋设在16号坝段（泄洪底孔坝段）的两向应变计监测的混凝土拉应变为364×10^-6～686×10^-6，其中位于0+043.50底板中部监测的混凝土拉应变和温度的变化幅度均最大，混凝土拉应变为686×10^-6，温度变化了60.7℃。混凝土应变实测值均小于规范允许值。

施工中监测未发现大的异常，各仪器运行正常。

7 工程特点

（1）该工程位于严寒地区，施工条件差。工程所在地积雪较厚，冬季有4～5个月均不具备露天施工条件，导致有效施工时段较短，工期安排较为困难。

（2）施工期和永久运行期各建筑物过冬保护和防冰冻破坏是设计的难题。由于工程所在地特殊的气候条件，碾压混凝土的冬季保温是该工程的一大难点，经过温控计算及参考相关工程的施工经验教训，大坝越冬保温采用喷涂厚5cm的聚氨酯泡沫。相对于传统的保温方式，聚氨酯保温保湿效果显著，且施工方便，工程建设过程中两个越冬期未发现混凝土贯穿裂缝，因而值得在寒冷地区推广应用。

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本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人李劲飞、彭卫军。