高寒及強震區瀝青混凝土心墻壩設計

趙 妮

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

瀝青混凝土心墻壩在新疆應用較廣，其主要特點是防滲體瀝青混凝土心墻受外部氣候影響較小，抗震性能好，對壩體和基礎變形有較強的適應性。幾十年來，新疆水庫由平原逐漸發展到山區，由于山區氣候多變，受不同地形條件的約束和氣候影響，當地材料壩得到了較好的應用，在高寒、強震區、深厚覆蓋層等特殊不良地質條件下，新疆大壩建設技術不斷突破，特別是以瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板壩為主要發展方向。

目前，正在建設的瀝青混凝土心墻壩中，大石門水利樞紐最大壩高128m，擬建的尼雅水庫大壩高131.00m，都是百米級高壩。瀝青混凝土心墻壩由于其良好的抗震性、良好的防滲及適應變形的能力，能夠充分利用當地材料填筑，且能夠在冬季施工，針對新疆的氣候條件非常適合，在新疆高震區、深厚覆蓋層等不良地質條件下得到了較好的應用。

1 新疆山區特殊條件下瀝青混凝土心墻壩的設計特點

1.1 大壩抗震措施

1.1.1 新疆地震區的分布及特征

新疆處于印度板塊和歐亞板塊碰撞的前沿地帶。新疆有五大地震帶，是中國多震省份之一，由北向南主要是阿爾泰地震帶、北天山地震帶、南天山地震帶、西昆侖山地震帶和阿爾金山地震帶。起頻率高、震級大、范圍廣。

1.1.2 壩體的抗震措施

瀝青混凝土心墻壩壩體的抗震措施應結合壩體結構、土料設計統一考慮。通常當設計強度為8度或9度時，在設計時應采用應加寬壩頂，放緩壩體邊坡，壩坡土體內加筋及上、下游壩腳壓重等抗震措施。

2010年建成的下坂地水利樞紐，位于塔什庫爾干河中下游，最大壩高78m。工程區屬帕米爾-喀喇昆侖-西昆侖抬升區，構造變形強烈，地震活動頻繁。庫壩區地震基本烈度為8度，大壩抗震設防烈度為8度。工程的抗震措施考慮了足夠的地震涌浪和壩體壩基產生的地震附加沉陷，適當提高壩體砂礫石料及堆石料的填筑標準。壩殼料選用低壓縮性、強度高、滲透性好的砂礫石料，為了增加大壩的整體穩定性，利用壩址區崩坡積物開挖料，在上、下游壩腳設置鎮壓層。適當放緩上、下游壩坡，并在不同高程處分設馬道，加寬壩頂寬度，壩頂設置阻滑土工格柵網，使大壩在各種工況下均能保持穩定。

結合已建工程經驗，還可采用以下壩體及心墻的抗震措施：

(1)防滲心墻采用塑性心墻，加強心墻與基座、基座及壩體各分區與壩基和岸坡的連接，防止壩體，特別是兩岸壩坡部分因地震而出現裂縫。

(2)在下游壩腳處加強排水措施，增設減壓排水井排除壩體下游壩基的滲水，消散強震作用下孔隙水壓力。為增強壩體的穩定，在壩體內設水平向排水體。

(3)設置地震監測項目和強震監測站，記錄壩區和庫區范圍內在施工期、蓄水期及運行期的地震情況，以便評價震后的損害程度及控制近壩區的施工爆破作業強度。

1.2 施工質量保證措施

1.2.1 新疆氣候條件及特性

新疆遠離海洋，深居內陸，高山環繞，海洋中的水分不容易進入，形成了明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫變化大，日照時間長(年日照時間達2550～3500h)，降水量少，空氣干燥。南疆年降水量只有20～100mm，而北疆的降雨量卻為100～500mm。南疆平原年平均氣溫10～13℃，北疆平原氣溫低于10℃。極端最高氣溫吐魯番曾達48.9℃，極端最低氣溫富蘊縣境可可托海曾達-51.5℃。南疆平原無霜期200～220d，北疆平原大多不到150d。

1.2.2 施工質量保證措施

受氣候的影響，新疆河道的汛期大部分從5月進入汛期，11月份進入冬季，有效的施工時間較短，新疆冬季寒冷，對混凝土心墻的施工影響較大。部分在建水庫位于高原地區，高原地區氣候多變，早晚溫差大，其施工的關鍵就是對溫度的控制。由于瀝青混凝土施工工藝比較復雜，且溫度控制的環節多，要求高，在選擇施工及監理單位時就要選擇經驗豐富、設備精良、技術精湛的單位，以確保工程的順利施工。

庫什塔依水電站位于特克斯縣，所處地冬季極端氣溫為-29℃，本工程在施工時恰逢特克斯縣多年極端氣溫，要在這種氣溫條件下進行施工在國內尚屬首例，施工過程中面臨了一系列困難。為了確保碾壓式瀝青混凝土心墻壩的冬季施工質量，在室內試驗室里進行了大量的模擬試驗，并且在施工現場進行了試驗驗證，研究出了一套在高原環境下瀝青混凝土的施工方法，尤其是在夜間施工、惡劣天氣下施工、高陡邊坡等措施下，保證了瀝青混凝土質量，為特殊環境下的瀝青混凝土施工積累了寶貴的經驗。

1.3 深厚覆蓋層防滲處理措施

1.3.1 新疆山區水庫地形、地質條件及特點

新疆山區水庫地形地質條件復雜，不同地貌單元其巖性、結構、覆蓋層深度變化很大，有的山區水庫位于高寒高海拔地區，存在強震、深厚覆蓋層、高陡邊坡等問題。

1.3.2 深厚覆蓋層的處理措施

受地形、地質條件等因素的影響，新疆不同地區山區河床覆蓋層厚度和結構特征差異較大，新疆大部分地區覆蓋層以砂卵礫石層居多，其厚度和物理力學性質千差萬別，覆蓋層厚度從幾米到百余米，粒徑從細粒到巨型漂石，各種情況無所不有。新疆深厚覆蓋層壩基防滲一般采用垂直防滲或倒掛井施工技術。對于大多數工程一般采用防滲墻至基巖，基巖以下再接帷幕灌漿進行基礎防滲。

下坂地水利樞紐覆蓋層厚度達到150m，工程區地質條件復雜多樣，防滲施工難度很大。工程在設計初就選定瀝青混凝土心墻壩作為首選壩型，經過不斷的試驗研究總結出了一整套復雜地質條件下防滲墻的施工工藝。其壩基防滲處理措施采用“上墻下幕”垂直防滲結構型式，防滲墻最大深度85m，砂礫石層帷幕灌漿最大深度150m，施工難度較大，突破了當時我國施工技術水平，在國內居領先。2010年1月下坂地水利樞紐下閘蓄水，水庫蓄水后大壩運行良好。

大河沿水庫壩址地層厚度84～174m，全部為第四系全新統沖積含漂石砂卵礫石層，覆蓋層厚，結構復雜。針對大河沿水庫工程復雜的地質條件，通過總結國內外深厚覆蓋層筑壩和防滲經驗，結合大壩及壩基三維有限元滲流計算成果以及國內防滲墻施工技術水平分析等，最后確定壩基防滲墻深度為175m。新疆部分深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的統計數據見表1。

2 瀝青混凝土心墻壩設計需考慮的因素

2.1 心墻應力應變

在大壩抗震結構設計中，對于壩址區地震烈度為8度以上的大壩，需加強大壩抗震結構設計，對壩高在50m以上的大壩，需進行心墻的應力-應變分析和計算以及大壩的動靜態應力分析。

瀝青混凝土心墻壩應力和變形計算結果取決于其是否正確。對瀝青混凝土心墻壩進行應力和變形計算時，計算參數應通過試驗確定，由于瀝青混凝土材料對溫度和加載速度極為敏感，試驗確定的參數受溫度和加載速度影響較大，實驗的溫度、加載速度控制應接近環境條件和施工、運行情況，能夠反映心墻的實際工作狀態。已建成的坎而其水庫、下坂地水利樞紐等水利樞紐都采用有限元法進行了應力和變形分析，采用二維、三維進行計算，有些工程不僅進行了靜力分析，而且還作了動力分析。

表1 新疆部分深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩統計表

擬建的新疆大石門水利樞紐，最大壩高130m，結合壩體開挖料進行三軸試驗，并使用三維有限法和鄧肯E-B模型計算壩體應力。通過對大壩各種工況的模擬，以及靜力和動力計算分析，系統地對大壩進行了分析，為瀝青混凝土心墻壩應力和變形情況提供了全面、深入的了解。

下坂地水利樞紐針對強震區、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細砂層等工程特點，在靜、動力特性實驗基礎上對壩體和覆蓋層地基進行地震情況下的地震反應分析和評價，非線性黏彈塑性模型和等效線性黏彈性模型分析，豐富了瀝青混凝土心墻壩在特殊條件和工況下的設計方法。

2.2 壩體結構及穩定性

在壩基下存在承壓水且水頭較高時，應在下游壩腳處應增設減壓排水井排除壩體下游壩基的水，為了在強震作用下快速消散孔隙水壓力，以提高壩體的穩定性。

擬建的大石門水利樞紐壩高最大為130m，大壩設防烈度為9度，為了防止大壩因地震而導致壩體中上部失穩和變形，將壩基清理及建筑物的開挖料堆放在壩坡腳與電站尾水渠之間，這樣既可以有效地利用廢棄料，又可以增強壩體的抗震性。

布倫口-公格爾水電站，最大壩高35m，壩頂寬10m，壩長331.32m，工程基本地震烈度為8度，為了提高壩體的抗震能力，除放緩坡比、加寬壩頂寬度等措施外，利用了開挖料在部分壩段設置壓重戧臺，既有效利用棄渣，又增強了壩體的穩定性。

2.3 施工組織設計

瀝青混凝土心墻壩其優點之一就是可以和圍堰相結合，有效地減少工程臨時費用。圍堰防滲標準按臨時工程設計，但填筑標準與壩體應相同，若工程位于高震區時，要適當提高壩體的施工填筑碾壓標準，需選用抗震性能、滲透穩定性好、級配良好的砂卵礫石進行填筑。

瀝青混凝土心墻壩另一優點就在于心墻可與壩體同步填筑施工，其大壩可與施工導流圍堰相結合，在下個汛期可采用壩體度汛，有效降低圍堰規模和高度，圍堰作為壩體的一部分，可節省投資。對于強震區修建瀝青混凝土心墻壩，抗震設計時通常采用的措施之一就是提高壩體砂礫石及堆石料的填筑標準，可在施工中可根據施工情況調整填筑厚度、碾壓遍數、加水量等施工參數，以確保壩體碾壓密實，減少大壩沉陷量。

恰普其海水利樞紐的上游圍堰為土石圍堰，圍堰與壩體完全結合，最大偃高49.0m，圍堰選擇澆筑式瀝青混凝土心墻壩，瀝青心墻設計厚度為0.4～0.3m。在心墻兩側各設2m寬的過渡料。經過嚴格的施工質量控制措施，堰前最高水位達到935.4m時，瀝青混凝土心墻內無滲漏現象，已成為很多工程設計典范。

2.4 大壩監測設計

大壩的安全監測要結合工程等級、規模，對監測系統覆蓋區的建筑物進行監測，確保監測系統空間分布的合理性，掌握項目總體工作狀況，及時評估項目安全。安全監測設計要遵循“重點突出，兼顧全面，分期實施”的設計原則。對于不同類型的大壩，分別進行變形、滲流和應力監測，以評估大壩的安全性，便于及時采取措施確保大壩的安全運行。大壩監測主要包括變形監測、滲流監測、應力監測及水文、水力學監測等，根據壩體自身的特點布設監測點。

石門水電站瀝青混凝土心墻壩最大壩高106m，工程區地震基本烈度為8度，其大壩安全監測設計包括大壩表面變形監測、壩體內部變形監測、心墻變形監測、接縫監測、壩基滲流監測、心墻溫度監測、上下游水位監測、地震反應監測等。在壩體上、下游分別安裝電磁式沉降環，對上下游的壩體沉降進行監測，并結合壩體內部變形分別對心墻自身變形、心墻與過渡料之間的順河床向和沿高程的變形進行監測。在大壩監測斷面及基礎帷幕上、下游分別設滲壓計，對壩基滲流進行監測。心墻與混凝土底座接觸部位很關鍵，在該部位心墻上、下游分別布設滲壓計對該處的滲透壓力進行監測，并在壩頂、壩基設強震儀對大壩進行監測，取得了很多關鍵數據，掌握了各建筑物施工期、運行工作狀況。

下坂地水利樞紐大壩監測設計包括大壩變形監測、分層豎向、水平位移監測、壩基及繞壩滲流監測、心墻變形、心墻溫度監測、廊道變形及應力監測、混凝土防滲墻變形應力監測、上下游水位監測、地震反應監測等內容。大壩變形監測包括壩體內部沉降和水平位移。重點對壩體應力、應變，混凝土防滲墻應力應變及變形進行監測。并在大壩壩頂、下游壩坡、下游壩腳壩基設觀測點，監測地震反應，為工程施工期質量控制、運行期大壩及建筑物安全運行提供了重要數據和評價依據。

3 結語

(1)在強震區，壩基深厚覆蓋層下可能存在液化砂層現象，這對壩基的穩定性及壩體變形會產生不利影響，對其可液化的判別和對工程的影響程度分析及處理措施，是覆蓋層上建壩的重要問題之一。根據不同工程強震區、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細砂層等特點，可在靜、動力特性實驗基礎上對壩體和覆蓋層地基進行地震工況下的地震反應分析。

(2)工程的抗震措施應根據工程情況考慮提高壩體堆石料的填筑標準，選用低壓縮性、強度高、滲透性好的砂礫石料，利用開挖料，在上、下游壩腳設置壓重層，壩頂設置阻滑土工格柵網等綜合措施。

(3)瀝青混凝土壩的施工中可根據現場施工情況調整填筑厚度、碾壓遍數、加水量等施工參數，確保壩體碾壓密實，減少大壩施工期沉陷量。

(4)對瀝青混凝土的應力-應變關系還有待研究，隨著百米級瀝青心墻壩的不斷發展，其配合比對瀝青混凝土工程性質的影響，以及瀝青混凝土的力學性能與心墻工作性狀的關系，將成為評價心墻安全可靠性的重要研究內容。

(5)大壩安全監測除做好監測設計之外，還應精心作好施工期、運行期資料整編、分析工作；監測資料應保持完整性、可靠性和連續性，根據監測資料指導工程施工期、運行期的管理，控制施工質量和指導運行期建筑物的安全。