下坂地水庫瀝青混凝土心墻砂礫石壩及基礎處理設計

楊西林 張忠東 黃 云

（陜西省水利電力勘測設計研究院 西安 710001）

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔里木河水系葉爾羌河的支流塔什庫爾干河中下游，地處喀什地區塔什庫爾干塔吉克自治縣境內，距喀什市315km，距塔什庫爾干縣45km。下坂地水利樞紐工程，是以生態補水和春旱供水為主，結合發電的綜合性水利樞紐工程。下坂地水庫總庫容8.67億m3，調節庫容6.93億m3。電站總裝機150MW，保證出力 35.9MW，年發電量 4.64億 kW·h。下坂地水庫是塔什庫爾干河梯級規劃中的龍頭水庫，工程建設對促進開發塔什庫爾干河水能資源、緩解喀什、克州缺電、提高供電質量、促進當地經濟發展具有十分重要的作用。

本工程屬大（2）型Ⅱ等工程，樞紐建筑物由大壩、導流泄洪洞、引水發電洞及地下廠房等建筑物組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，為2級建筑物，地震設計烈度為8度。大壩設計洪水標準為 100年一遇，校核洪水標準為5000年一遇。水庫正常蓄水位2960.0m，死水位2915.0m，設計洪水位 2963.2m，校核洪水位2964.6m。

2 地質條件

下坂地水庫在大地構造單元中位于西昆侖褶皺系中部，涉及帕米爾—喀喇昆侖—西昆侖抬升區、塔里木斷陷和天山抬升區三個一級新構造單元，新構造變形強烈，地震活動水平較高。庫壩區地震基本烈度為 8度，基巖峰值加速度為250.7g，地表峰值加速度為 0.309g，場地特征周期為0.30s。水庫誘發地震烈度不超過庫壩區地震基本烈度。

壩址區河谷呈“U”型，壩軸線處河床寬約310m。兩岸邊坡陡峻，基巖裸露，巖性主要為角閃黑云二長片麻巖。左岸山峰高程3400m，邊坡坡度45～54°；右岸山峰高程4300m左右，邊坡坡度70～80°。右壩肩邊坡巖體風化卸荷程度較弱，左壩肩邊坡巖體質量較差。壩基覆蓋層最大厚度達 150m，成分復雜，變化較大，自下而上可分為冰磧層、砂層、軟土層、沖洪積層和崩坡積層。

3 大壩設計

3.1 壩體剖面設計

大壩壩頂高程 2966m，大壩上游坡比為1:2.35，在高程2942m、2910m處分設兩級馬道，馬道寬2m；下游坡比為1:2.15，在高程2940m、2910m處分設兩級馬道，馬道寬2m。在上下游壩腳設置鎮壓層，頂部高程均為2910m，上游鎮壓層寬 40m，下游鎮壓層寬 60m。瀝青混凝土心墻頂部厚度 0.6m，底部厚度 1.2m，心墻底部通過混凝土基座與壩基混凝土防滲墻連接。心墻下游設有施工、觀測兼排水廊道，廊道高度 5m，寬度3.5m。心墻上下游各設置水平寬度3m的過渡層，下游過渡層后設置水平寬度 3m的豎向排水體與壩基水平排水體相連。

3.2 壩料設計

3.2.1 過渡料

過渡料選用壩址上游河漫灘砂礫石料，粒徑小于0.1mm的顆粒含量為3%，5mm以下顆粒含量為33.55%，不均勻系數Cu=76.7，屬不良級配礫，均勻性較好，滲透系數K=5.4×10-3cm/s。過渡料設計指標：相對密度大于0.75，最大粒徑不超過80mm，小于5mm粒徑含量不超過35%，小于0.075mm粒徑含量不超過5%，滲透系數K＞1×10-3cm/s。

3.2.2 壩殼料

壩殼料選用砂礫石料和石方開挖利用料。砂礫石料場選用Ⅺ料場和ⅩⅣ料場，Ⅺ料場位于壩下游 2.5km，粒徑一般為 1～50cm，大者 1.0～2.0m，粒徑＞80mm的顆粒含量占51.3%，粒徑2～80mm含量占37.22%，粒徑小于0.1mm顆粒含量占 8.03%。抗剪強度φ=43～43.2°，滲透系數平均值為9.8×10-2cm/s。ⅩⅣ料場位于壩下游0.3km處，呈棱角狀及次棱角狀，含少量泥質，粒徑一般以8～45cm為主，大者可達 1～4m，粒徑大于80mm的顆粒占 33.8%，礫石含量為 31.5%，粒徑小于0.1mm顆粒含量占7%，抗剪強度φ=38.5～44.4°，滲透系數平均值為8×10-2cm/s。

石方開挖利用料包括導流泄洪洞和引水發電洞的石方開挖料，洞渣料粒徑大于 60mm的顆粒占 72.3%，粒徑 2～60mm含量為 23.97%，抗剪強度φ=39.9～42.2°，滲透系數 k＞1×10-1cm/s。

砂礫石壩殼料設計指標：相對密度大于0.8，孔隙率 n＜22%，最大粒徑不超過 800mm，小于5mm粒徑含量不超過30%，小于0.075mm粒徑含量不超過5%，滲透系數K＞1×10-2cm/s。

石方開挖利用料設計指標：孔隙率 n為20%～28%，最大粒徑不超過800mm，小于5mm粒徑含量不超過30%，滲透系數K＞1×10-2cm/s。

3.2.3 排水體

下游過渡層后設置的水平寬度 3m的豎向排水體由過渡料與混凝土骨料的篩余料摻配而成，摻配粒徑為5mm以上的礫石，最大粒徑150mm，過渡料與摻合料的比例為3:1，摻配后的排水體的滲透系數要求K＞1×10-2cm/s。水平排水體和排水棱體采用洞室開挖料填筑。

3.2.4 鎮壓層

鎮壓層采用岸坡開挖的崩坡積物填筑，崩坡積物以塊碎石為主，屬低壓縮性土，內摩擦角φ=38.8～42.1°，滲透系數值 k=0.74×10-3～1.19×10-3cm/s，屬中等透水，要求碾壓后相對密度大于0.75。

3.3 瀝青混凝土心墻防滲體設計

3.3.1 心墻結構

壩體防滲結構為碾壓式瀝青混凝土心墻，頂部高程2965m，厚度0.6m，底部高程2888m，底部與混凝土基座連接處為擴大段，心墻厚度由1.2m漸變為 2m。心墻與壩肩岸坡混凝土基座連接，連接部位心墻進行放大，接觸面心墻厚度2.8～2.9m。心墻與混凝土接觸面設 2cm厚瀝青瑪蒂脂和兩道止水銅片。心墻與防浪墻之間設混凝土連接板，心墻混凝土連接板縫間埋設止水銅片，混凝土連接板與防浪墻縫間埋設橡膠止水。瀝青混凝土心墻與基礎及岸坡連接見圖1，瀝青混凝土心墻與防浪墻連接見圖2。

圖1 瀝青混凝土心墻與基礎及岸坡連接圖

圖2 瀝青混凝土心墻與防浪墻連接圖

3.3.2 瀝青混凝土材料

（1）瀝青。瀝青混凝土心墻選用克拉瑪依煉油廠生產的克拉瑪依70#水工瀝青，含蠟量低，在低溫條件下抗裂性、抗老化性、變形性及與骨料的黏結性較優，質量穩定性好，在 25℃下延度為185cm，軟化點50℃，針入度70（1/10mm）。

（2）粗骨料。壩址區大理巖是典型的堿性材料，對大理巖進行了瀝青和骨料的黏附力試驗、硫酸鈉5次循環重量損失試驗、吸水率試驗、壓碎率試驗、抗熱性試驗。試驗結果表明：黏附力大于4級，重量損失2.764%，吸水率0.397%，壓碎率 14.86%，在 250～300℃溫度下，加熱 3小時，骨料無開裂分解。

（3）細骨料。需用的細骨料有人工砂、河砂和填料礦粉。大理巖人工砂和河砂質地堅硬，在加熱過程中未出現開裂、分解等現象，級配良好。礦粉采用喀什水泥廠生產的石灰巖礦粉。

（4）配合比。通過對26種不同配合比進行試驗對比，最終選用的瀝青混凝土配合比見表1。

（5）瀝青混凝土設計指標見表2。.

表1 瀝青混凝土配合比

表2 瀝青混凝土設計指標

4 壩基處理

4.1 基礎防滲設計

壩基150余米深厚覆蓋層的防滲處理，采用上部混凝土防滲墻下接砂礫石層帷幕灌漿方案。設計對不同墻深、墻厚、墻體材料、帷幕厚度、灌漿材料進行了專題研究，并進行了現場試驗。綜合防滲墻的應力應變、滲流控制、施工工效和工程投資等因素，確定防滲墻墻厚 1m，墻底高程2812m，岸坡段防滲墻嵌入基巖1.0m，防滲墻最大深度85m，下部設4排帷幕灌漿，與防滲墻的搭接長度10m。帷幕灌漿的頂部高程為2822m，底部深入不透水基巖深度 5～10m，最低高程2741m。墻體材料為 C25混凝土，抗壓強度 R90≥25MPa，抗滲等級W8。帷幕灌漿材料為水泥黏土漿，設計要求帷幕滲透系數k＜1×10-4cm/s。

左岸防滲體與岸坡結合槽底寬取 5m，帷幕灌漿為3排孔，排距1m，孔距2m，兩邊1m處各布置 1排固結灌漿孔，孔距 2m，與帷幕灌漿孔結合布置為梅花形；右岸防滲體與岸坡結合槽底寬取4m，帷幕灌漿為1排孔，兩邊1.5m處各布置1排固結灌漿孔，孔距2 m。

左岸分別在2961m和2900m高程設置兩層灌漿洞。2961m高程灌漿洞結合地質探洞布置，向山體延伸 132m，2900m高程灌漿洞向山體內延伸111m，帷幕灌漿深度 75～150m。右岸在壩頂設置一層灌漿洞，高程2966m，灌漿洞結合右岸上游交通洞布置，向山體延伸130m，灌漿深度30～110m。

4.2 壩基開挖

對壩基下伏的軟黏土、淤泥質黏土、崩坡積物及左岸漫灘沖積砂礫石層全部進行開挖清除，河床開挖高程2888m，左岸上游由于軟黏土層埋藏較深，局部開挖至2875m高程。

4.3 基礎加固

河床段沖積砂礫石層埋藏較深，開挖難度大，設計開挖至地下水位后，采用振沖碎石樁加固的處理措施。樁距 3m等邊三角形布置，選用125kW振沖器，振沖最大深度 24m，要求加固后的砂礫石層相對密度達到0.7以上。

5 結語

下坂地水庫大壩工程具有高海拔、深厚覆蓋層、高地震烈度、高陡邊坡、自然環境惡劣等特點。通過大量的試驗研究和計算分析，采用合理的設計方案，解決了許多技術難題。

（1）針對高陡邊坡和深厚覆蓋層等地形地質條件，選定瀝青混凝土心墻壩，防滲體能夠適應基礎及壩體的沉降，計算分析表明心墻的應力狀態較好。

（2）壩基深厚覆蓋層的防滲處理采用上部混凝土防滲墻下接砂礫石層帷幕灌漿方案，防滲墻最大深度 85m，砂礫石層帷幕灌漿最大深度151m，在國內居領先水平。

（3）對壩基下伏砂層的液化特性進行了多項試驗研究，為增加大壩整體穩定，在上下游壩腳設置鎮壓層。

（4）砂礫石壩殼料平均粒徑大，細料含量少，級配不連續，力學性能介于砂礫石與堆石之間。設計對砂礫石壩殼料碾壓指標采用相對密度與孔隙率雙重控制。