新疆某水庫碾壓式瀝青混凝土心墻壩設計

【摘要】以新疆某水庫碾壓式瀝青混凝土心墻建設為例，分析了心墻設計中軸線、厚度、過渡層的確定及其與周邊結構的連接設計，并通過有限元計算對壩體結構三維靜力進行分析。

【關鍵詞】碾壓式瀝青混凝土； 防滲心墻； 結構布置

引言

新疆某水庫工程等別為Ⅰ等，工程規模是大（1）型，主要建筑物包括大壩、溢洪道、泄洪兼導流隧洞及放水灌溉洞。壩頂高程為1989.20m，壩頂寬度為10.0m，最大壩高98.0m，壩長427.00m。

1、壩體結構布置

1.1 心墻防滲體結構布置

瀝青混凝土心墻的布置一般采用墻體軸線略偏向上游側，豎向布置一般有垂直式、傾斜式或下部垂直上部傾斜等三種方式。對于高壩，更多的采用后一種結構形式。本工程壩高98.0m，設計采用垂直式瀝青混凝土心墻，其具有面積較小、工程量小、施工簡單的優點。同時，為改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接，墻體軸線偏向上游側布置，防滲體軸線距壩軸線3.75m。

1.2壩體結構分區與過渡層的確定

壩體填筑分區從上游至下游分為砂礫料區、過渡料區、瀝青混凝土區、過渡料區及排水料區。壩殼填筑砂礫料采用C2、C3、C4料場的砂礫料，砂礫料的含泥量小于5%，相對密度不低于0.85。過渡層位于心墻的兩側，水平寬度上下游均為3m。過渡層厚度一般應超過瀝青混凝心墻墻厚的2倍，工程設計中應綜合考慮壩體結構穩定性以及過渡料的制備成本。理論計算過渡層厚度為1m，而實際確定厚度為3m。對于瀝青混凝土心墻結構而言，過渡層厚度越大，心墻施工控制難度越小。

1.3 瀝青混凝土心墻厚度設計

瀝青混凝土心墻厚度的確定主要考慮兩個方面的因素：一是建設壩體的高度；二是大壩壩殼料可能出現的應力變形情況，因為心墻厚度的大小會影響墻體的受力狀態，墻體過薄其自身的穩定性將會下降，而過厚又容易出現破壞裂縫，墻體厚度需保持在一個合理的范圍內。目前，大壩瀝青混凝土心墻布置多選擇底部厚、頂部薄的形式，大壩壩體高度越高，心墻厚度越小，一般情況下心墻厚度控制在0.5～1.2m，中等高度大壩瀝青混凝土心墻厚度控制在0.5～0.8m。而對于百米級大壩，心墻厚度需控制在0.6～1.2m，壩體頂部位置心墻厚度需在0.4m以上，底部心墻厚度控制在壩體高度的1/70～1/130。本工程設計烈度為7度，壩高98.0m，瀝青混凝土心墻頂高程1987.40m，墻底高程1891.20m。根據規范要求，設計心墻底部厚度為壩高的1/60～1/100，頂部不小于30cm，高壩不小于50cm。考慮到大壩位于7°地震區，所以設計心墻頂寬0.5m，高程1894.80m處墻厚1.2m，高程1892.40m處墻厚2.4m。

1.4心墻周邊結構設計

（1）心墻與壩基連接

瀝青混凝土心墻同周邊的連接是防滲系統結構的關鍵，為增強工程防滲效果，設計心墻澆注在混凝土蓋板上，并將瀝青混凝土心墻的厚度增加1～2倍。瀝青混凝土心墻防滲體建在弱風化基巖建基面上，在建基面上澆筑厚1.2m、寬6m的C20混凝土蓋板，將基巖與瀝青混凝土防滲體連為一體，以滿足壩基壩肩灌漿處理和防止接觸沖刷的需求。為增大粘結力并適應心墻水平變形，瀝青混凝土放大腳與混凝土底板之間做1cm瀝青瑪蹄脂，不需另設止水。

（2）心墻與溢洪道連接

根據瀝青混凝土心墻壩樞紐布置，溢洪道進口位于壩體樁號0+427m處，此處壩體高度為10.36m，工程設計與心墻連接部位的溢洪道邊墻的坡度為1：0.5，寬度為6.0m。心墻與混凝土結構之間設瀝青瑪蹄脂，擴大心墻端部，接觸面設計成淺弧連接

2、壩體結構三維靜力分析

為進一步掌握壩體結構布局狀況，對其進行三維有限元應力應變靜力分析。壩體結構本構模型選擇-B，心墻應力應變模型選用-μ模型，模型力學參數通過動態反演得到，見下表。

2.1 壩體結構應力應變分析

分析可知，壩體結構最大沉降變形量為32.0cm，僅為大壩高度的0.56%。水庫蓄水運行后，心墻水平位移量最大值為13.8，撓跨比不超過5%。心墻在竣工期第一和第三主應力分別為1.35MPa、0.49MPa，運行期為1.28MPa、0.52MPa。心墻與混凝土基座在不同時期的錯動量不同，蓄水運行期錯動量沿水流方向和河床方向的最大值分別為6.2mm、9.8mm。綜合分析得到，瀝青混凝土心墻具有較好的協調變形能力，應力分布較為合理，不會出現應力變形破壞，壩體結構布局基本合理。

2.2參數敏感性分析

敏感性分析參數為心墻模型參數Kb，按照數值的不同設計了四種模擬方案，各方案參數Kb從小到大依次為、、和。分析可知，隨著b的增加，瀝青混凝土心墻在水平和豎直方面的位移基本保持不變，而心墻結構受力確出現明顯的變化。心墻第一主應力與b成正相關關系，當b超出或低于一定數值時，心墻第一主應力均不再允許范圍之內。

3、結語

相較于其他壩型心墻結構，碾壓式混凝土心墻大壩在設計中應過渡層厚度進行嚴格控制，過渡層厚度宜較厚，心墻厚度要綜合考慮大壩高度與大壩壩殼料可能的變形情況。有限元三維靜力計算結果顯示，設計壩體結構具有較好的協調變形能力，壩體受力情況良好，不會出現不良變形破壞現象，結構布局合理。

參考文獻：

[1]張宏軍. 碾壓式瀝青混凝土防滲技術應用與探討[J]. 水利水電技術，2012，04：86-90.

[2]陸彥強. 寒冷地區碾壓式瀝青混凝土心墻壩設計[J]. 中國水運（下半月），2016，03：320-321.

作者簡介：李佳綸，男，（1983.12—），新疆石河子人，畢業于新疆農業大學，本科，工程師，研究方向：水利水電.