關峽水庫瀝青心墻砂礫石壩心墻設計

■蔣曉云

（甘肅省甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 蘭州 73 03 00）

關峽水庫瀝青心墻砂礫石壩心墻設計

■蔣曉云

（甘肅省甘蘭水利水電建筑設計院，甘肅 蘭州 73 03 00）

主要介紹壩高31.88m的關峽水庫瀝青心墻砂礫石壩的瀝青心墻設計、對瀝青心墻混凝土的組成、指標控制、及本工程采用的設計指標進行了詳細分析，說明其瀝青心墻設計的合理性，為其他相似工程的設計提供借鑒作用。

瀝青心墻砂礫石壩；瀝青心墻混凝土；骨料；填料；摻料

一、工程概況

關峽水庫位于秦州區大門鎮以南低中山區、大山溝下游出山口處，屬西漢水南源大門河流域，水庫壩址以上控制流域面積11.6km2，主河槽長約4.67km，比降為26.0‰，多年平均徑流量174萬m3。該河段上游居民村莊較少，水質污染較小，其經過常規工藝的水處理就能滿足人飲需要，宜作為供水水源地。

關峽水庫是一座以天水鎮的天水村、廟坪村、焦李村、杏溝村、蒲后村等5個行政村的生活、牲畜供水為主，兼有全天水鎮及秦州區南部農村飲水安全工程涉及范圍內的抗旱應急任務的水源工程。工程設計基準年為2014年，設計水平年為2025年。正常供水設計保證率為95%。

本工程大壩左壩肩地處Ⅰ級階地后緣，天然岸坡坡角44°左右，上部為坡積碎石土覆蓋，厚1.0～10.0m。高程1690m以下基巖裸露，基巖巖性主要以中泥盆統（D22S14）灰綠色砂巖或粉砂巖為主，間夾板巖及粉砂質千枚巖。壩基段為河床、漫灘及Ⅰ級階地，河谷寬82m，壩基段基巖埋深3.9～6.5m，基巖面高程1671.57m，河床漫灘巖性為砂礫石層，厚6.0～7.0m，呈青灰色，結構稍密－中密，巖性主要為砂巖、粉砂巖為主，磨圓度及分選性均較好，呈棱角狀－次棱角狀，含大漂石，砂礫石底部為基巖，基巖巖性主要以中泥盆統（D22S14）灰綠色砂巖或粉砂巖為主，夾有板巖及粉砂質千枚巖薄層。右壩肩地處大山溝主河道右側田間小路旁，天然岸坡坡角44°左右，上部為坡積碎石土覆蓋，厚1.0～10.0m，高程1730m以下基巖裸露，基巖巖性主要以中泥盆統（D22S14）灰綠色砂巖或粉砂巖為主，間夾板巖及粉砂質千枚巖。工程區地震設防烈度為Ⅷ度。

二、樞紐區布置

本水庫工程樞紐由瀝青心墻砂礫石壩、導流泄洪排沙洞、溢洪道及輸水建筑物等組成。導流泄洪洞布置在右岸山體內，溢洪道布置在左岸壩肩，輸水建筑物設計為泄洪洞下埋設φ300mm的鋼管進行輸水。其總體布置見圖1。

圖1樞紐布置圖

瀝青心墻砂礫石壩壩頂高程1700.80m，壩基高程1668.92m，最大壩高31.88m，全長147.97m。壩頂寬度為6.0m，壩頂上游側設防浪墻高1.4m。壩體上游壩坡為1∶2.5、下游壩坡自上而下分別為1∶2.0、1∶2.5。壩體標準斷面見圖2。

圖2壩體標準斷面圖

下游壩坡在高程1687.00m處設寬2.0m的馬道，上游壩坡不設馬道。上游壩坡采用干砌塊石護面，厚0.5m，其下分別設0.25m厚砂礫石墊層和粗砂。下游壩坡采用C20鋼筋砼網格草皮護坡，厚0.2m。壩體排水型式采用排水棱體，頂寬2.0m，并在與砂礫石壩體和地基之間設反濾層。

壩體填筑料為砂礫石，填筑指標為相對密度不小于0.85。心墻為澆筑式瀝青砼結構，厚度0.4m，最大高度31.08m，頂部接C20鋼筋砼防浪墻，底部鑲嵌在心墻基座內。心墻上下游設置1.5m寬砂礫石過度層。

基礎處理方案為：清除壩基范圍內殘坡積粉質壤土及河床上部疏松層砂礫石。心墻部位除左壩肩清除上部覆蓋層和強風化層表層，心墻嵌入不完整基巖巖體中；其余壩段清除覆蓋層及強風化層，將心墻嵌入較完整基巖巖體中。

左壩肩心墻基座基礎位于強風化層段進行固結灌漿，固結灌漿深度為基巖強風化層以下3.0m，雙排布置，孔距2.0m，灌漿長度約330m。

三、瀝青心墻砂礫石壩心墻設計

（一）瀝青混凝土的組成及特性

瀝青混凝土是用瀝青將天然或人工礦物骨料、填充料及各種摻加料等膠結在一起所形成的一種人工合成材料。它具有良好的柔性，能較好的適應結構的變形；其次它具有優越的耐久性和防滲性；在嚴寒地區、高山或潮濕多雨地帶都可迅速施工；另外當溫度達到一定范圍時，它又近于熔融狀態，很便于修補。因此，非常適應做水工結構的防滲體。

瀝青混凝土主要組成材料包括瀝青、骨料、填充料。

瀝青是瀝青混凝土中的有機膠結材料，由碳氫化合物及非金屬衍生物組成。在常溫條件下呈固體、半固體或黏稠液體，不導電。

骨料和填充料骨料是瀝青混凝土結構的骨架，占瀝青混凝土質量的80%左右。骨料可以分為粗骨料、細骨料以及填充料。在水工瀝青混凝土中，粗骨料通常被定義為粒徑大于2.5mm的粒料，細骨料通常是指粒徑位于0.074～2.5mm之間的粒料，填充料則是粒徑小于0.074mm的粒料。骨料宜采用性質穩定、質地堅硬的巖石加工而成；骨料中針片狀顆粒的含量應該較少；骨料表面應清潔干凈；選擇骨料應盡量選擇堿性骨料，當需用酸性或中性巖石時，必須經過充分的論證。

瀝青混凝土的性能主要有滲透性、感溫性、力學變形特性和耐久性，掌握好瀝青混凝土的特性，才能對工程進行針對性的設計。

（二）瀝青心墻設計

本工程左右岸岸坡較對稱，對壩體的整體布置有利，且河床較為開闊，壩體應力分布較好。但由于河床較寬，壩體在河床中間向下游方向變位撓度較大，對壩體防滲體適應變形的要求較高，本工程經過對砼面板堆石壩和瀝青心墻砂礫石壩進行同精度比選后，推薦采用瀝青心墻砂礫石壩進行設計。工程中主要設計難點為瀝青心墻的設計，直接關系到工程成敗。故對瀝青心墻的設計分別從總體控制指標、瀝青、骨料、填料、摻料四個環節分別進行控制設計，已達到工程安全設計和運行的目的。

1.瀝青心墻總體控制指標。本工程澆筑式瀝青砼心墻控制指標為：孔隙率應不大于2%；滲透系數應不大于1×10-8cm/s；水穩定系數應不小于0.9；分離度應不大于1.05；抗流變性能好，澆筑時應有足夠的施工流動性和抗分層性；瀝青含量可為9%～13%；粗骨料的最大粒徑宜不大于26.5mm。施工時采用碾壓式施工方法。其具體技術性能指標見表1。

表1碾壓式瀝青混凝土技術性能指標

2.瀝青性能控制指標。根據工程區類別、結構性能要求、當地氣溫、運用條件和施工要求，本工程選用70號b瀝青，采用克拉瑪依丙脫瀝青。

3.骨料。瀝青混凝土骨料采用關子料場灰巖為原料加工，該料巖性主要以青灰色中—厚層灰巖為主，單層厚一般20～40cm，局部夾有2～10cm的砂質頁巖、粉砂巖，灰巖為塊狀構造，致密堅硬，巖體較為完整，強風化層厚1.0～2.0m，巖石比重2.79，吸水率0.20%，飽和抗壓強度為40～60Mpa，軟化系數0.85，凍融25次損失率僅0.07%，灰巖為堿性巖石，人工破碎后可達到瀝青混凝土骨料技術要求。

細骨料采用人工砂或可摻入超過50%比例的天然砂。為改善瀝青混凝土的性能，其配制比例應通過試驗優選，質量應符合表3的規定。

表2瀝青性能指標

表3粗細骨料技術要求

4.填料。本工程填料采用堿性石粉（石灰巖粉）。填料的儲存必須防雨、防潮、防止雜物混入。散裝填料應采用筒倉儲存，袋裝填料應存入庫房，堆高不應超過1.5m，最下層距地面至少300m m。拌和機回收的粉塵可作為礦粉的一部分使用，但每盤用量不得超過填料用量的25%。填料質量要求見表4及5。

5.摻料。根據工程需求，并按照監理工程師指示選用利于改善瀝青混凝土物理力學性能的摻料，摻料的品種有石棉、消石灰、水泥、橡膠和塑料，其摻量應通過試驗確定。

根據以上設計原則，并經過計算和工程類比，本工程心墻采用等厚0.4m的澆筑式瀝青混凝土結構，最大高度31.08m，頂部接C20鋼筋砼防浪墻，底部鑲嵌在心墻基座內。心墻上下游和壩殼料接觸區分別設置1.5m厚的砂礫石過度保護層，以滿足壩殼料和心墻之間的層間穩定，在心墻發生裂縫或局部漏水的情況下保證整個壩體的滲透穩定安全。

表4填料的質量要求

表5礦粉的級配要求

四、結束語

本工程經過以上精心設計，并通過多次方案審查，目前已經開工建設，為工程早期發揮工程效益打下了基礎。經過多次專家論證，說明本工程瀝青心墻的設計是合理可行的，本工程采用瀝青心墻砂礫石壩方案是合理可行的，本工程對心墻的控制是成功的，能夠滿足工程施工期和運行期的安全。可為類似工程的設計作為經驗借鑒。

建議工程在施工過程中加強施工期壩體、心墻的變形變位監測、壩體的沉降監測，心墻的溫控監測等，為工程后期運行做好基礎資料的分析，為工程管理提供可靠的依據。

（編輯：王駿杰）

蔣曉云，1976年生，女，甘肅甘谷人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。