新疆嚴寒地區某水電站澆筑式瀝青混凝土心墻壩的設計

廖騰耀，吳俊杰

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在水利工程中，瀝青混凝土已經被廣泛應用于大壩防滲材料[1]。由于心墻在壩體內部，氣候對其各項性能影響很小，適應變形能力強，抗震性能好，施工較簡單方便，因而近幾年發展較快，瀝青混凝土心墻壩的建造也逐漸增多[2]。瀝青混凝土心墻在施工方法上分為碾壓式和澆筑式兩種[3]。由于澆筑式瀝青混凝土心墻壩是適合于寒冷地區修建的一種壩型，因其澆筑式瀝青混凝土靠自重壓實，不需要碾壓機械，柔韌性好，可以全年施工，從而大大縮短了工期[4]。新疆嚴寒地區某水電站工程最大的設計難點是工程所在地春秋相連，夏季短暫，冬季寒冷而漫長，極端最低氣溫為-49.8℃，壩址處最大凍土深取高限值230 cm。采用傳統的碾壓式瀝青混凝土心墻，施工溫度不能過低，但該壩址可施工時間有限將導致整個工期延后，無形中增加了工程投資。

該水電站工程與我國東北地區的白河水庫極為相似，都處于高寒區域，工程設計人員在我國第一次采用澆筑式瀝青混凝土筑壩，到目前為止一直處于穩定狀態[5-7]。該工程8月下旬截流，壩體施工在9月份至次年4月份完成，瀝青混凝土心墻在較低溫度下填筑，部分需在負溫下填筑，澆筑式瀝青砼心墻可滿足工程需要，并節約工程費用。因此，對于我國西部地區高寒地區來說，澆筑式瀝青混凝土心墻壩應是比較合適的壩型方案[8-10]。

1 工程概況

該水電站工程由引水樞紐大壩、溢洪道、泄洪洞、發電引水系統及電站廠房等主要建筑物組成，總庫容0.17×108m3，裝機容量200 MW，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等工程。澆筑式瀝青混凝土心墻壩壩頂寬度為8.0 m，最大壩高43.5 m，壩長170 m。壩頂上游側設置L型鋼筋混凝土防浪墻。上游壩坡比為1∶2.0，下游壩坡比為1∶1.5，上游壩坡采用混凝土板護坡，下游壩坡采用混凝土網格梁填干砌塊石護坡。壩體填筑料分區為：上游爆破料區、過渡料區，瀝青砼心墻，下游過渡料區、爆破料區，壩體標準橫剖面見圖1。根據氣象統計，工程所在地最低極端溫度-49.8℃，最高極端溫度40.2℃，多年平均溫度2.71℃，最大積雪深75 cm，最大凍土深取高限值230 cm，壩址區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為203.9 gal。

圖1 壩體標準橫剖面

2 澆筑式瀝青混凝土心墻設計

2.1 澆筑式瀝青混凝土心墻結構設計

由于垂直式瀝青混凝土心墻工程量較小且施工工藝簡單，為了改善壩體受力狀態，同時能更好地與防浪墻銜接，將心墻軸線靠上游側布置，心墻軸線與壩軸線間距為2.75 m。該工程最大壩高為43.5 m，心墻采用等厚設計寬0.5 m，底部墻厚漸變為2 m，與混凝土基座連接。

2.2 壩基及壩肩基礎處理

左右壩肩大部分岸坡基巖裸露，出露巖性為志留系庫魯姆提群(Skl)的變質碎屑巖組成，主要巖性為灰白色云母石英片巖和灰綠色含十字黑云綠泥石英片巖。右壩肩地形略陡，局部近直立，岸坡坡度35°～80°，局部表層覆蓋少量的第四系坡積碎石土(Q4dl)，較松散，厚度為1.0～4.0 m。岸坡瀝青心墻基礎建在弱風化基巖面上，心墻和岸坡巖石基礎的連接混凝土蓋板厚1.2 m。瀝青混凝土心墻底部與混凝土底板連接之間涂刷厚1 cm瀝青瑪蹄脂，以增大黏結力并適應心墻水平變形，接縫設置止水片。心墻上下游兩側的巖石開挖邊坡取1∶0.5，覆蓋層砂礫石的開挖邊坡取1∶1.5。上下游壩殼部位原則上清除表層1～2 m的松散體，邊坡不允許存在倒坡及直立陡坡。在心墻混凝土蓋板下進行固結灌漿，灌漿深度為5 m，2排孔距取3 m。帷幕灌漿為1排，孔距取2 m，深度以小于5 Lu線和1/3壩高為控制標準，帷幕最大深度為20 m。

河床壩基較平坦，該處僅清除表層1～2 m左右的松散體，防滲墻建在砂礫石覆蓋層上，砂礫石覆蓋層最大深度31 m，為了增強防滲效果，心墻下設置混凝土基座，厚2 m，寬3 m。基座下與混凝土防滲墻連接，截斷沿河床深覆蓋層的滲漏通道，最終形成全封閉式防滲系統。混凝土防滲墻厚0.8 m，伸入基巖內1 m，最大墻深為30.3 m。

2.3 壩殼料設計

由于儲量充足，采用C3料場的天然砂礫料進行篩分，取得過渡料Ⅰ；而過渡料Ⅱ采用C3天然砂礫料全料；采用P1塊石料場的爆破料填筑壩體。

采用工程類比法，該工程堆石料的設計級配初定為：粒徑小于0.075 mm顆粒的含量不能大于5%，粒徑小于5 mm顆粒的含量不能大于20%，且不均勻系數Cu大于25，粒徑小于5 mm顆粒的含量不超過20%，粒徑小于25 mm顆粒的含量不超過35%，最大粒徑600 mm。爆破料來源于P1塊石料場的爆破石料。初定堆石料設計和填筑標準為，內摩擦角大于40°，孔隙率n小于等于23%，干容重γd=21～23 kN/m3，鋪層厚度0.8 m。

2.4 過渡料設計

過渡層主要功能是給心墻上下游兩側提供均勻支撐，所以過渡層顆粒必須是級配良好的且質地堅硬，同時最大粒徑不得大于瀝青混凝土骨料最大粒徑的8倍。本工程取用：過渡料Ⅰ最大顆粒直徑取80 mm，且粒徑小于5 mm的顆粒的含量不能大于30%，同時滲透系數K不能小于1.0×10-3cm/s，相對緊密度Dr≥0.85，過渡料Ⅰ采用C3料場的料篩分。過渡料Ⅱ采用C3天然砂礫料全料，其粒徑小于150 mm的顆粒占90%～95%，相對緊密度Dr≥0.85，C3料場特征參數見表1。

表1 C3料場特征參數

2.4.1 過渡料Ⅱ與過渡料Ⅰ層間關系復核

被保護土為過渡料屬于無黏性土，根據規范過渡料Ⅰ不均勻系數Cu>8，過渡料Ⅰ曲率系數Cc≠1～3說明其級配不連續，應取小于5 mm以下的粒徑作為細粒進行計算。過渡料Ⅰ級配線：d85=1.35 mm，d15=0.122 mm。過渡料Ⅱ級配線：D15=0.25 mm。根據規范D15/d85≤4～5，滿足保土性準則；D15/d15≯5，不滿足排水性準則。計算結果表明，過渡料Ⅱ對于過渡料Ⅰ可滿足保土性準則，但不滿足排水性準則。過渡料Ⅱ雖然不滿足排水性準則，但過渡料Ⅱ是天然砂礫料全料，滲透系數較大，具有良好的透水性，能夠通暢地將滲水排出。

2.4.2堆石料與過渡層Ⅱ間關系驗算復核：

通過級配曲線，可以得到過渡料Ⅱ的d85=72 mm，d15=0.25 mm。堆 石料D15=1.6 mm，通過計算可知D15/d15>5滿足排水要求，D15/d85≤4～5滿足濾土要求。

2.5 壩體滲流穩定計算

壩體滲流計算以瀝青混凝土心墻壩最大斷面為計算剖面，采用二維有限元計算正常蓄水位1 071.0 m、設計洪水位1 071.6 m、校核洪水位1 073.8 m 3個工況下壩體浸潤線、等勢線、壩體和壩基滲流量和各部位的滲透比降，確定庫水位降落時浸潤線位置；堆石料、圍堰滲透系數為0.1 cm/s，過渡料Ⅰ為0.04 cm/s，覆蓋層為0.052 cm/s，過渡層Ⅱ為0.06 cm/s，瀝青心墻為1.0×10-7cm/s，混凝土防滲墻、基座為1.0×10-7cm/s。計算結果見表2，壩內浸潤線及流速矢量線見圖2。

表2 穩定滲流期計算結果

圖2 正常蓄水位壩內浸潤線及流速矢量線示意圖+Ⅷ度地震壩上下游壩坡穩定計算成果圖

從圖2壩內浸潤線可知，心墻的防滲效果明顯且滲漏量較小。由表2計算結果可知，下游壩腳(坡腳)、壩基等各部位的最大水力梯度值均小于允許值，因此判斷壩基及出逸點將不會發生滲透破壞。

2.6 壩體邊坡穩定計算

評價壩體的邊坡穩定性對大壩安全運行至關重要，通常設計人員根據經驗初步擬定的壩坡是需要通過計算進行論證是否合理的。為了壩坡安全性提出適當放緩上下游壩坡的抗震措施，初擬的上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.5，計算主壩的標準剖面在以下3種工況時壩體的穩定性，即正常運用條件對應正常蓄水位(1 071.0 m)穩定滲流期、非常運用條件Ⅰ對應施工期、非常運用條件Ⅱ對應正常蓄水位穩定滲流期遇Ⅷ度地震的上下游壩坡穩定性。靜力計算采用簡化畢肖普法，動力計算方法采用擬靜力法分析壩坡穩定性，選取的參數見表3。

表3 壩坡穩定分析計算參數表

從表4可以得出，上述3個工況下，大壩上下游壩坡的抗滑穩定最小安全系數都大于規范允許值；圖2列出了正常蓄水位+遇Ⅷ度地震時上下游壩坡穩定計算成果，該工況為上述3個工況的控制工況，表明地震時是大壩穩定最不利工況，通過設計提出抗震措施，即適當提高上下游壩坡坡比，以保證壩坡滿足設計要求。壩坡穩定分析計算成果見表4。

表4 壩坡抗滑穩定計算最小安全系數

3 結 論

1) 針對澆筑式瀝青混凝土靠自重壓實、不需要碾壓機械、柔韌性好、可以全年施工，從而大大縮短工期的特點，本文采用澆筑式瀝青混凝土心墻作為大壩防滲體，以縮短嚴寒地區心墻壩施工周期，減少工程投資。

2) 根據規范及該工程的設計難點，本文設計了澆筑式瀝青心墻結構，對壩基及壩肩基礎進行了處理，計算得出符合該工程的壩殼料。同時，計算初擬體型在各個工況下的滲透穩定性與抗滑穩定性均能滿足設計要求。