2.4 碾压混凝土围堰设计
2.4.1 地质条件
上游围堰堰基出露地层有中三叠统板纳组T2b1～13和下三叠统罗楼组T1L3～8、T1L9层泥板岩、砂岩及硅质板岩和少量灰岩、层凝灰岩，岩体饱和抗压强度20～60MPa。岩层为单斜构造，走向与河流流向夹角约70°，倾向下游偏左岸，倾角60°。河床砂卵砾石覆盖层厚1～8m，两岸残坡积层厚0.5～4m，右岸高程219.00～230.00m之间有基岩礁滩裸露，水平宽度30～40m。围堰区主要断层有陡倾角顺层断层F2、F35、F65，北东向断层F3、F6、F9、F39及北西西向断层F4，除F2、F35、F65 3条层间断层规模较大外，其他陡倾角断层规模较小，无贯穿性的缓倾角软弱结构面。层间错动较发育。堰址两岸强风化下限埋深0.5～15m，河床及礁滩埋深0～13m，罗楼组中强弱风化带泥质灰岩夹层风化淋滤后形成众多风化泥化夹层，泥化夹层水平发育深度达35～40m。q<5Lu的相对不透水层顶板埋深：两岸44～80m，河床及礁滩40～70m。
下游围堰出露地层有中三叠统板纳组T2b25～27层砂岩夹泥板岩及砂岩与泥板岩互层，岩体饱和抗压强度50～100MPa。岩层倾向下游，倾角60°。河床覆盖层厚3～14m，两岸均有30～45m宽的基岩裸露，岸坡残坡积层厚0.5～4.0m。堰基出露主要断层有西北向F4，北东向F30、F36、F43、F60、F79等，其中出露于堰肩的F4、F60规模较大，其余均属陡倾角小断层。无贯穿性的陡倾角软弱结构面，但个别堰段下可能随机分布延伸长度5～15m的缓倾角结构面或节理密集带。左、右岸强风化岩体深4～8m，弱风化岩体深10～30m，河床弱风化深0～10.0m。
2.4.2 设计标准
龙滩水电站上游围堰最大高度为73.2m，堰前拦蓄库容6.05亿m3，历经2个汛期，鉴于围堰工程规模大、失事后经济损失重大，根据《水电工程施工组织设计规范》（SDJ 338—1989）的规定，围堰工程为3级临时建筑物。
根据《水电工程施工组织设计规范》（SDJ 338—1989）的规定及专家咨询意见，上、下游RCC围堰挡水标准采用43年实测水文系列的全年10年一遇洪水，洪峰流量为14700m3/s，同时考虑到RCC围堰运行期间可能遇超标准洪水而过水，对围堰进行适当的过水及消能保护，将两岸堰肩挡水标准适当提高至长系列（即考虑历史洪水）全年10年一遇洪水，洪峰流量为16300m3/s；超标准洪水的结构安全标准按长系列全年20年一遇洪水流量18500m3/s复核。水力学指标见表2.12。
表2.12 水力学指标表
注 表中“长系列”为历史洪水加1936—1992年插补、实测资料构成的系列；“短系列”为1959—1992年实测系列，2001年招标设计时，将实测水文系列延长至2000年年底，经复核后仍采用原设计值。
2.4.3 布置与特性
上游RCC围堰布置于大坝轴线上游约100.00m处，堰趾至坝踵的最短距离仅约8.50m，堰基置于罗楼组和板纳组地层上，围堰基岩为Ⅲ～Ⅴ类；堰顶长368.30m，最大堰高73.20m，混凝土总方量为48.6万m3。
下游RCC围堰布置于大坝轴线下游约370.00m处，堰基坐落于板纳组的T2b25～27地层上，围堰基岩为Ⅱ～Ⅳ类；堰顶长273.00m，最大堰高48.50m，混凝土总方量为11.0万m3。
2.4.4 体形设计
上、下游RCC围堰均采用重力式。堰顶宽均为7.00m。上游围堰迎水面高程220.00m以上为垂直面，高程220.00m以下坡比为1：0.2，下游面高程271.30m以下坡比为1：0.7。考虑到上游RCC围堰较高，且与大坝相距较近，为防止发生超标准洪水围堰过流时对堰基及坝基的破坏，基坑过水前需先行充水，结合围堰结构设计，进行了适当的过水及消能保护。上游RCC围堰采用将两岸堰肩加高、中间留缺口的布置方式，同时在下游坡面高程240.00m处设置5.00m宽消能平台。上游RCC围堰缺口段顶高程273.20m、缺口宽231.1m，两岸堰肩顶高程278.60m，围堰最低建基高程200.00m，最大堰高73.20m。
下游RCC围堰高程235.00m以上为垂直坡，背水面高程235.00m以下坡比为1：0.55，迎水面高程235.00m以下坡比为1：0.33。考虑遇超标准洪水时对基坑先行充水，在下游RCC围堰设置高2.60m、长162.00m的自溃式编织袋黏土子堰充水缺口，同时在堰身段设6个退水阀退水。围堰缺口混凝土顶高程242.40m，自溃式编织袋黏土子堰顶高程245.00m，两岸堰肩高程247.50m。围堰最低建基高程196.50m，最大堰高48.50m。
上、下游围堰典型断面如图2.3所示。
图2.3 上、下游围堰典型断面图（尺寸单位：mm）
2.4.5 稳定与应力分析
2.4.5.1 设计参数及控制标准
围堰堰基岩石物理力学参数见表2.13。混凝土与堰基接触面抗剪断参数根据表2.13的建议值和围堰建基高程，按围堰堰基坐落于各岩层上的堰基面积的加权平均值取值；堰身RCC层面抗剪断强度指标为f′c=1.00、c′c=1.00MPa。
设计风速为13.0m/s，相应风向为NW；淤沙高程为220.00m。
表2.13 围堰堰基不同岩体物理力学参数表
计算工况及荷载组合为：
（1）挡水期。自重+静水压力+扬压力+淤沙压力+浪压力。
（2）过水期。自重+静水压力+扬压力+淤沙压力+动水压力。
（3）退水期。自重+静水压力+扬压力。
根据《水电工程施工组织设计规范》（SDJ 338—1989）和《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）的规定，选取典型断面按材料力学法计算围堰的堰踵、堰趾应力和抗滑稳定；堰体应力采用材料力学法和有限元法分别计算。
按《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）规范计算时的围堰稳定与应力控制标准见表2.14。
表2.14 堰基面及堰体计算截面稳定与应力控制标准表
注 1.抗滑稳定计算式中，抗力函数R（·）=f′∑W+c′A；作用效用函数S（·）=∑P；γ0为结构重要性系数；ψ为设计状况系数。
2.0.10、0.20均为拉应力控制标准；fR为基岩抗压强度；fc为混凝土抗压强度。
按有限元法计算围堰上游垂直应力时，控制标准为：
（1）堰基上游面。计扬压力时，拉应力区宽度宜小于堰底宽度的0.07倍（垂直拉应力分布宽度／堰底面宽度）或堰踵至帷幕中心线的距离。
（2）堰体上游面。计扬压力时，拉应力区宽度宜小于计算截面宽度的0.07倍或计算截面上游面至排水孔（管）中心线的距离。
2.4.5.2 稳定与应力成果分析
上游RCC围堰各典型断面综合计算结果见表2.15。
表2.15 上游RCC围堰各典型断面综合计算结果表
注 1.表中“-”号表示压应力。
2.排水设置高程为自堰基至高程235.00m。
从表2.15可见，各计算断面堰基面及堰体RCC层面抗滑稳定均满足规范要求；堰身RCC层面过水期拉应力超过了应力控制标准，且分布范围较大，因此考虑堰身设置排水。根据计算结果，堰身自堰基至高程235.00m设排水后，过水期上游面拉应力减小至0.15MPa，应力满足要求。
采用有限元法计算时，围堰上游面均出现拉应力，但拉应力区深度很浅，均在距堰面0.5m以内，各工况均满足《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）的要求。
下游RCC围堰堰基及堰身RCC层面无论是挡水期、过水期还是退水期抗滑稳定性和应力均满足规范要求。
2.4.6 堰体构造设计
2.4.6.1 防渗层厚度和混凝土分区
上游围堰迎水面防渗层采用0.50m厚的三级配变态混凝土（C10W8），下游围堰迎水面未另设变态混凝土防渗层；堰身均为三级配碾压混凝土（C10W6）。围堰基础垫层混凝土为1.00m厚的三级配常态混凝土（C15W8），局部深槽部位亦采用三级配常态混凝土（C15W8）回填；围堰基础帷幕灌浆廊道和排水廊道及止水铜片周边不小于1.00m范围内采用三级配变态混凝土（C10W8），断层刻槽混凝土塞和止水铜片基座均采用细石混凝土（二级配C15W8）回填。
碾压混凝土围堰主要技术指标见表2.16。
表2.16 碾压混凝土围堰主要技术指标表
注 混凝土设计强度等级和90d强度指标，是指按标准方法制作的边长为150mm的立方体试件，分别在28d和90d龄期用标准试验方法测得的保证率分别为95%和80%的抗压强度标准值。
2.4.6.2 堰体分缝和止水
原则上30.0～40.0m长堰段和地形突变处设一条横缝，缝内设一道止水铜片。各横缝在常态混凝土和变态混凝土范围内采用10mm厚的沥青杉木板嵌缝，在碾压混凝土内均采用切缝机切缝，缝内填10mm厚聚乙烯闭孔泡沫隔缝板。
上游碾压混凝土围堰总长368.34m，共设置10条横缝，最大堰段长43.60m。下游碾压混凝土围堰总长273.04m，原设计设置7条横缝，最大堰段长47.00m，实际施工过程中结合下游围堰掺加MgO的试验要求，取消下游围堰所有横缝及横缝内的止水铜片（厚1.2mm）和聚乙烯闭孔泡沫板（厚10mm），碾压混凝土通仓浇筑。
2.4.6.3 帷幕灌浆和排水
上游RCC围堰设一道纵向基础帷幕灌浆和排水廊道，纵向廊道尺寸为2.50m×3.00m（宽×高），其中心线位于围堰轴线下游0.75m处；另设3道横向廊道，在河中深槽和两岸岸坡部位与纵向廊道相连。堰基设单排帷幕，深入堰基5Lu线以下3.00m，灌浆帷幕最大深度49.00m。帷幕下游侧堰基设单排排水孔，深度为15.00m。堰身高程235.00m以下设一排排水孔，孔距3.00m，造孔孔径150mm。堰身和堰基渗水通过排水廊道自排入基坑后抽排。
下游RCC围堰未设帷幕和排水。
2.4.7 地基处理
上、下游围堰建基面除左右岸堰肩局部建于强风化下部岩体外，堰体绝大部分位于弱风化岩体内，岩层走向与上游围堰轴线夹角32.5°～17.5°、与下游围堰轴线基本平行，岩层倾向下游偏左岸，倾角较陡。基础处理措施主要为：
（1）泥化夹层、断层及其破碎带刻槽后回填细石混凝土塞。
（2）地质条件较差的T2b2～4地层、溶洞以及深潭部位清除表部砂砾石覆盖层后回填三级配垫层混凝土。
（3）节理密集带固结灌浆。
2.4.8 过水保护设计
2.4.8.1 围堰过水保护措施
为简化围堰遇超标洪水的过水保护，节省过水保护工程量，采取将围堰两岸堰肩加高，基坑先行充水，同时下游堰面高程240.00m处设置平台造成面流消能效应，堰身下游坡面施工成台阶状辅助消能的工程措施。围堰两岸堰肩加高的标准为：当发生长系列全年10年一遇洪水（Q=16300m3/s）时，两岸堰肩不过水，相应上游RCC围堰缺口高程为273.20m，缺口宽231.10m，两岸堰肩高程为278.60m；下游RCC围堰缺口高程为242.40m，缺口宽162.00m，两岸堰肩高程为247.50m。上游围堰过水时，基坑由下游RCC围堰预留的缺口先行充水，使上游RCC围堰过水时堰脚形成水垫，保护堰脚和坝踵不被过堰洪水冲坏。
模型试验表明，当下泄流量超过围堰初期挡水标准的泄量时，下游围堰自溃子堰先于上游围堰进水，基坑充水；围堰缺口过流情况下，上游围堰、下游堰面未设置平台时，过堰水流冲刷堰体下游坡面并顺坡而下呈底流状态淘刷堰基，堰肩过流时过堰水流与堰体之间形成不稳定的空腔，在堰后坡面和岸坡基岩面交接处形成集中水流横向挤压沿堰面下泄水流，在两股水流交汇处流态紊乱。当发生全年20年一遇的超标洪水时，下泄水流入水流速为22.1m/s、堰后坡面与岸坡基岩面交接处最大流速为14.6m/s，堰脚淘刷深度达16.7m，危及围堰及岸坡稳定。若堰、坝之间采用全断面混凝土衬护，工程量较大。经多次试验比较，选用在堰体下游面设置平台，使过堰水流以面流形式与下游衔接，有效防止了水流对堰脚的淘刷。试验表明，当发生长系列全年10～20年一遇洪水时，基坑水深20.0～60.0m，上游围堰的过堰水流经堰后的高程240.00m平台产生面流消能效果，水流平顺，堰后临底流速均小于基岩抗冲流速，基本消除了对堰后基坑的冲刷，因此堰下不另设保护措施。
2.4.8.2 下游围堰充水和退水措施
下游RCC围堰设宽162.00m的缺口，缺口顶高程242.40m，缺口段的上部为2.60m高的编织袋黏土子堰。根据洪水预报，当有超标准洪水时，拆除2.60m高的编织袋黏土进行基坑充水。经计算，当基坑充水至水位235.00m时约需1.2h，当基坑充水至水位240.00m时约需1.4h，因此只要洪水预报时间提前3h，充水时间就有足够的保证。
洪峰过后，基坑内的积水由下游RCC围堰162.00m宽（顶高程242.40m）的缺口退水，以保证下游RCC围堰尽量不受反向水压力的作用，同时为避免退水过程中由于内外水头差使堰趾出现拉应力，在堰身高程230.00m和238.00m处分别设置了2排共6个缓闭止回退水阀。
2.4.9 施工及运行
根据RCC围堰施工布置特点，上游围堰采用自卸汽车直接入仓、自卸汽车直接入仓+高速皮带机供料线入仓和高速皮带机供料线入仓3种入仓手段；下游RCC围堰施工全部采用自卸汽车直接入仓。
碾压混凝土浇筑采用通仓平层连续铺筑的施工方法，碾压层厚30cm，横缝采用切缝机造缝；原设计1.0m厚堰基垫层混凝土根据现场情况改为常态混凝土找平形成碾压仓面后，即进行碾压混凝土的施工，岸坡连接部位采用1.0m厚的变态混凝土。
结合“MgO混凝土筑坝关键技术研究及应用”科研项目的研究工作，在龙滩工程下游围堰上进行外掺MgO材料的生产性试验研究。利用MgO所具有的独特延迟性微膨胀性能，补偿混凝土的收缩变形，防止温度裂缝。根据特性MgO微膨胀混凝土对温度应力的补偿作用，确定堰体不分横缝，设计要求整体全断面浇筑特性MgO微膨胀混凝土。掺MgO的碾压混凝土从2004年3月11日由高程201.00m开始浇筑，到4月19日浇筑至高程222.90m，即强约束区与弱约束区共21.9m全部采用MgO混凝土浇筑。4月19日后由于MgO材料供应不上，采用不掺MgO的碾压混凝土于5月30日浇筑至堰顶。下游围堰混凝土总方量为10余万m3，其中掺MgO混凝土约3万m3。全堰通仓连续浇筑，未分缝，未采取其他温控措施。
上游RCC围堰于2004年1月23日开始浇筑垫层混凝土，2004年2月2日开始浇筑碾压混凝土，2004年6月10日浇筑至堰顶高程，历时139d，平均月浇筑强度12万m3，最高月浇筑强度20.3万m3／月，最高日强度1.05万m3／月。下游RCC围堰于2004年2月16日开始浇筑垫层混凝土，2004年3月11日开始浇筑碾压混凝土，2004年5月28日浇筑至堰顶高程，历时102d。
围堰在计划的挡水期内未过水，实际遭遇最大挡水流量为10300m3/s，运行情况良好。上游围堰不需拆除，下游围堰于2007年和2008年汛前分两期拆除完毕。
龙滩RCC围堰工程量大、工期紧、施工强度高，其设计除考虑正常挡水工况外，还需考虑超标准洪水的过水保护措施。根据模型试验，通过采取两岸堰肩不过水、河床中间堰段预留缺口，以及下游围堰缺口上设置自溃子堰和堰身设置缓闭止回退水阀门等基坑预充水措施，在上游围堰堰后坡面亦仅设置5.0m宽的消能平台，两岸岸坡和堰后基础不另进行保护，大大地简化了超标洪水的防冲保护工作量，方便了施工，为工程快速施工创造了条件。水力模型试验表明，采用消能平台后，过堰水流经堰后平台产生的面流消能效果基本消除了对堰后基岩的冲刷；加高的两岸堰肩有效减小了堰肩过流，从而减免了岸坡保护工程量。上游73.2m高围堰混凝土施工在139d内完成；下游围堰结合“MgO混凝土筑坝关键技术研究及应用”科研项目的研究工作，近1/2高度的堰体采用MgO混凝土浇筑，全堰通仓连续浇筑，未分缝，未采取其他温控措施。实际运行上、下游围堰均未出现裂缝，运行3年情况良好，为工程按期发电创造了条件。下游围堰采用外掺MgO混凝土的实践，为推进MgO混凝土筑坝技术的广泛应用，取得简化温控措施、加快施工进度和提高混凝土质量的经济和社会效益作出了有益的探索。