淺析高寒地區瀝青混凝土心墻壩的設計

姜 龍

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

國慶水庫位于青海省玉樹市以西扎西科河上游果青溝西溝內，水庫壩址距玉樹市15 km。工程主要任務為解決玉樹市17.5萬人城市供水，并兼顧玉樹城區南北山3萬畝綠化灌溉和2000畝設施農業灌溉。壩址控制流域面積152 km2，河長25.7 km，平均比降26.5‰。樞紐工程由瀝青混凝土心墻堆石壩、開敞式溢洪道、導流放空洞等建筑物組成。水庫正常蓄水4027.10 m，設計洪水位4028.50 m，校核洪水位4029.40 m。水庫總庫容為437.2萬m3，興利庫容348萬m3。工程規模屬Ⅳ等小1型。本工程基本烈度為Ⅶ度。

大壩最大壩高51.9 m，壩頂長264.4 m，壩頂寬度7 m。溢洪道布置于大壩右岸，為岸邊正槽開敞式溢洪道，由正堰進水口、控制段、漸變段、泄槽段和出口底流消能構成。總長度267 m。導流放空洞布置于左岸山體內，由進口段、閘室段，洞身段及出口消能組成，總長425 m，斷面尺寸3 m×4 m。

氣候屬典型的高原性氣候，氣候寒冷，年溫差小，日溫差大。年均氣溫2.9℃，1月平均氣溫-7.6℃，7月平均氣溫12.7℃。氣候無四季之分，只有冷暖兩季之別，冷季長達7～8個月。年平均降水量486 mm，降水集中、雨熱同期，冷季多大風沙暴、霜凍頻繁，暖季多雷雨冰雹。年均日照小時數為2496.4 h。

2 壩體設計

大壩由瀝青混凝土心墻、上下游過渡料、堆石壩殼及護坡組成。大壩上游坡比4002 m高程以上為1∶2.25，以下為1∶3.0；下游坡比為1∶1.8。在壩體上游4015 m高程設一級寬3 m的馬道；4002 m高程以下為臨時度汛體，采用永臨結合方式，前期做為擋水圍堰，后期做為壩體的一部分，上游坡比1∶3.0，頂寬5.0 m，下游坡比1∶1.5。壩體下游4015 m、4000 m高程處各設一級馬道，馬道寬為2.0 m。瀝青混凝土心墻頂高程4028.9 m，低于壩頂2 m，高出正常蓄水位1.8 m。大壩典型斷面見圖1。

圖1 大壩典型斷面圖（尺寸單位：m）

3 瀝青混凝土心墻設計

3.1 心墻結構設計

瀝青心墻厚度應根據壩高、工程級別、抗震要求和施工條件綜合確定。根據對國內外瀝青混凝土心墻壩統計，30 m以上的瀝青混凝土心墻厚度基本為壩高的1/110～1/60，低壩比值較大，高壩比值較小。國慶水庫瀝青混凝土心墻壩壩高51.9 m，屬于中壩，考慮到本工程處于高地震烈度區，心墻厚度取80 cm，同時為了控制投資，降低施工難度，在一定程度上緩解因結構尺寸突變造成的應力應變集中現場，瀝青混凝土心墻采用臺階式，4010 m高程以上瀝青混凝土心墻厚度60 cm，以下厚度80 cm。

瀝青混凝土心墻頂高程4028.9m，高出設計洪水位0.4m，心墻頂部與防浪墻相接，底部坐落在混凝土基座上，底部與混凝土基座相接處通過3m過渡段放大至2m寬；且心墻底部為弧形結構面，嵌入混凝土基座；心墻與混凝土基座及防浪墻底部連接處設銅片止水。C25混凝土基座置于強風化上部，厚1.5m、底寬5 m。

3.2 心墻瀝青混凝土設計

3.2.1 原材料

1）瀝青。瀝青采用克拉瑪依90號A級水工瀝青，瀝青出廠時必須嚴格檢驗，并滿足設計要求。瀝青品質應符合表1的要求。

表1 瀝青的技術要求

2）瀝青混凝土礦料。瀝青混凝土礦料包括粗骨料、細骨料及填料（礦粉），粗骨料為灰巖人工骨料，細骨料為灰巖破碎料，填料為灰巖礦粉，料場均位于機場至玉樹G214國道文成公主廟附近對面白吃溝內，距玉樹國慶水庫約40 km。粗骨料、細骨料及填料應符合表2～表4的要求。

表2 粗骨料的技術要求

表3 細骨料的技術要求

表4 填料的技術要求

3.2.2 瀝青混凝土設計指標。

瀝青混凝土心墻采用碾壓式澆筑方式，容重不小于2.4 t/m3，瀝青含量6.5%～7.5%，主要技術要求見表5。

表5 碾壓式瀝青混凝土心墻瀝青混凝土主要技術要求

3.2.3 瀝青混凝土配合比

瀝青混凝土配合比初選是根據不同骨料級配指數、不同礦粉含量和油石比（即瀝青質量占礦料總質量的百分比）組成各種不同配合比，通過實驗室基本性能（孔隙率、變形和強度）試驗，選擇出滿足工程要求的較優配合比瀝青混凝土。根據試驗，國慶水庫瀝青混凝土推薦采用的配合比見表6，相應力學性能見表7。

表6 推薦瀝青混凝土配合比材料和級配參數表

表7 推薦的墻瀝青混凝土配合比的力學性能

3.3 心墻與基座及剛性建筑物連接設計

3.3.1 瀝青心墻與河床基座連接

為提高瀝青混凝土心墻底部與基座連接之間的防滲性，在基座表面和心墻連接處設擴大端，增大瀝青混凝土心墻與基座連接面的寬度，以改善局部應力狀態。同時在接觸面涂刷冷底子油和瀝青瑪蹄脂，提高瀝青混凝土與基座的粘結強度。根據已建工程經驗，基座表面應做成凹槽型，本工程設計基座凹槽寬2.5 m，通過3 m高的擴大段與心墻連接，心墻與與河床基座連接見圖2。

3.3.2 瀝青心墻與岸坡基座連接

對岸坡基座表面坡比控制的目的是防止兩岸岸坡不均勻沉降導致壩體發生橫向裂縫，岸坡基座基座最陡坡比為1∶0.6，水平擴大段長4.0 m，混凝土基座接觸面處理與河床基座相同，心墻與河床基座連接見圖2～圖3。

圖2 河床段心墻與基礎連接圖（尺寸單位：cm）

圖3 岸坡段心墻與基礎連接圖（尺寸單位：cm）

3.3.3 瀝青心墻與剛性建筑物連接

1）瀝青心墻與溢洪道邊墻連接。瀝青心墻與溢洪道邊墻連接需在溢洪道邊墻施工時預留凹槽并預埋止水，并與基座止水相連，形成一個封閉的止水系統，接觸面處理與河床基座相同，瀝青心墻與溢洪道邊墻連接見圖4。

2）瀝青心墻與防浪墻連接。防浪墻墻底高程4028.9 m，瀝青心墻頂高程即為防浪墻底高程4028.9 m，瀝青心墻頂與防浪墻底接觸面采用銅止水連接，應在最后一層瀝青心墻施工時預埋銅止水，右岸與溢洪道邊墻止水焊接成整體，心墻與防浪墻連接見圖5。

圖5 心墻與防浪墻連接圖

4 壩基處理

4.1 建基面處理

1）覆蓋層處理。壩址區河床覆蓋層厚6 m～8 m，右岸壩坡覆蓋層厚10 m～15 m，左岸基本為基巖。河床為洪積卵礫石層，考慮瀝青砼心墻建基要求及地震區大壩安全運行，將心墻下游側的河床覆蓋層全部清除至基巖。對心墻上游側河床覆蓋層清表1 m，清除范圍內結構疏松、富含植物根系等，并采用2000 kN·m夯擊能進行強夯處理后作為壩基，處理后設計干密度不小于21 kN/m3。左右岸坡覆蓋層結松疏松、厚度不一、存在架空等現象，根據地質建議全部挖除、清至基巖。

2）基巖破碎帶處理。在壩基及岸坡范圍內有斷層、破碎帶、軟弱夾層等地質構造時，根據產狀、寬度、延伸長度等，擬采取掏挖置換C20W8F250混凝土塞處理，掏挖深度一般大于1.5倍的斷層或夾層寬度，且不小于1 m，掏挖寬度大于斷層或夾層寬度，并延伸到下游一定距離，然后用C20W8F250混凝土回填。

4.2 基礎防滲設計

根據工程地質情況，瀝青混凝土心墻及上下游過渡層基礎開挖至基巖面，固結灌漿和帷幕灌漿均在心墻基座上進行。固結灌漿孔沿心墻軸線布置2排，孔距3 m，深入基巖5 m；左岸岸坡壩基帷幕灌漿孔按雙排布置，其他段落帷幕孔按單排布置，孔距1.5 m，帷幕灌漿兩岸延長度按正常蓄水位與兩岸相對不透水層相交控制，主帷幕深入至不透水層（5 Lu線）以下5 m，最大孔深40 m，副帷幕灌漿深度為主帷幕灌漿深度的0.6倍。

5 結語

近年來瀝青心墻壩發展迅速，國內已建及在建工程超過50座左右，已成為土石壩中的主力壩型。碾壓式瀝青混凝土心墻具有較好的防滲性能及較強的適應變形能力，抗震性能好，能夠適用不同類型的壩基等優點，國慶水庫瀝青混凝土心墻壩的建設可為在高海拔嚴寒地區推廣瀝青心墻壩技術提供借鑒。