新疆達克曲克水電站瀝青混凝土心墻壩結構設計及計算分析

李勁飛

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

達克曲克水電站的任務是發電和承擔上游玉龍喀什水利樞紐調峰發電后的反調節，達克曲克水電站基本不改變上游河道天然來水過程，發電運行需要保證下游各業及生態的用水要求。為當地電網提供電力電量需求，緩解供電矛盾。鑒于瀝青混凝土受氣候條件影響較少，對壩基和壩體變形適應性強，防滲性能優越、結構簡單、施工方便、抗震能力強、柔韌性好且安全可靠等諸多優點，在水利工程中，瀝青混凝土作為大壩的防滲材料已經被廣泛的應用[1- 5]。瀝青混凝土心墻在施工方法上分為碾壓式和澆筑式兩種[6]。由于澆筑式瀝青心墻含油量高，因此成本較碾壓式瀝青心墻高許多，本文結合工程實際特點，采用碾壓式瀝青混凝土作為大壩的防滲體，按照規范要求對壩體結構進行設計，再復核滲流、抗滑、應力應變特性是否能夠滿足規范要求[7]。

1 工程概況

新疆達克曲克工程位于玉龍喀什河下游河段的峽谷山區內，隸屬新疆和田市，壩址位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29km的河段上，S216公路里程樁為63km處。壩址斷面多年平均年徑流量21.67億m3，多年平均流量68.67m3/s。

工程由大壩、開敞式溢洪道、發電引水系統及電站廠房、尾水渠等主要建筑物組成，最大壩高62.6m，總庫容0.113億m3，裝機容量75MW。該工程規模屬中型，工程等別為III等。瀝青混凝土心墻壩壩頂寬度為8.0m，壩長214m。壩頂上游側設置L型鋼筋混凝土防浪墻。上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡比為1∶1.8，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。壩體填筑分區從上游至下游分為上游砂礫料區，上游過渡料區，瀝青混凝土心墻，下游過渡過渡料區，下游砂礫料區，壩體標準橫剖面如圖1所示。

根據當地氣象站多年的氣象資料統計，多年平均氣溫為11℃；極端最高氣溫37.5℃；極端最低氣溫-23.5℃；最大積雪深14cm；水電站工程所在地，冬季寒冷，極端最低氣溫為-23.5℃，壩址所在地最大凍土深取高限值67cm，場址多年平均凍融次數為79次。壩址區50年超越概率10%地震動峰值加速度為173g，廠房區50年超越概率10%地震動峰值加速度為168g。

圖1 壩體標準橫剖面

2 瀝青混凝土心墻設計

2.1 瀝青混凝土心墻結構設計

瀝青混凝土心墻受氣候影響小，對壩基壩體變形適應性強，抗震性能好。垂直式瀝青混凝土心墻面積較小、工程量小、施工簡單，心墻對壩體沉降引起的變形反應不象傾斜式那樣敏感，各種高度的壩均可采用。墻體靠上游側布置，可改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接。本工程位于高地震烈度區(8度設防)，根據工程任務、規劃提供需水位初步驗算壩高，最終確定本工程最大壩高取62.6m。同時，類比國內外心墻壩工程[8- 10]，多采用垂直式瀝青心墻，這類心墻不但可以減少瀝青混凝土使用量，最重要的是便于后期維修，因此，本工程瀝青混凝土心墻采用垂直布置，為了心墻與防浪墻更好銜接形成完整的防滲系統，將墻體軸線偏向上游側，心墻軸線距壩軸線的距離為2.75m。心墻頂高程1776.60m，最低墻底高程1716.60。采用三級突變厚度設計，頂部心墻寬0.4m，至高程1756.00m處突變為0.5m，至高程1736.00m處突變為0.6m，在底部進行放大腳漸變為1.8m。

2.2 壩基及壩肩基礎處理

左岸段1825m高程以上岸坡較陡，巖層片理傾向坡內，受風化及構造影響，岸坡巖體局部形成1～3m卸荷帶，對建筑物布置有一定影響，壩體北側岸坡上、下游各30m范圍內進行削坡處理，并進行噴護。1780～1728m高程沿擬選壩線上下游180m范圍內臨現代河床分布1#古河槽，深度40～50m。古河槽內沖積崩積漂卵礫石層、塊石、碎石層，弱膠結，結構密實，可作為土石壩基礎。覆蓋層下伏基巖為斜長二云母石英片巖、黑云母石英片巖。

右岸段該段岸坡走向70°～80°，地形起伏，邊坡高度約80m，巖層走向與壩線交角為74°，巖層傾向坡外。局部發育兩組節理，心墻開挖中，兩組裂隙于片理面組合，局部易形成不穩定體，對開挖邊坡穩定有一定影響。

左、右岸基巖強風化層厚1～3m，弱風化層厚度5～10m，該段巖體透水率q<5Lu界線在基巖面以下埋深為3～10m。

瀝青心墻基礎建在弱風化基巖面上，心墻和岸坡巖石基礎連接的混凝土蓋板厚0.8m。

河床壩基段現代河床寬約20m，出露全新統沖積漂卵礫石層，覆蓋層厚度3～7m。巖體較完整，該段巖體透水率q<5Lu界線在基巖面以下埋深為3～5m，q<3Lu界線在基巖面以下埋深為15～20m。

上述瀝青混凝土心墻底部與混凝土底板連接之間涂刷厚1cm瀝青瑪蹄脂，以增大粘結力并適應心墻水平變形，接縫設置止水片。

心墻兩側上、下游巖石開挖邊坡1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡1∶1.5。該段作為大壩壩殼基礎，清除表層1m松散的漂卵礫石層，建基面放置于下部結構較密實的漂卵礫石層上。壩體基礎漂卵礫石層表面清理碾壓后，相對密度Dr≥0.85。

基礎灌漿處理：瀝青混凝土心墻混凝土蓋板下進行鋪蓋式固結灌漿，孔距為3m，3排，孔深鉛直入巖5.0m。帷幕灌漿深度以進入基巖透水率小于5Lu線及1/3壩高作為控制標準，最大帷幕深度38m，共1排，河床基礎段帷幕灌漿孔距1.5m，兩側岸坡段孔距為2m。

2.3 壩殼料設計

由于砂礫料經篩分后能滿足過渡料的要求且有足夠的儲量，考慮工程投資及施工等方面的因素，采用C3- 4天然砂礫料篩分來取得過渡料。采用C3- 2、C3- 3、C3- 4砂礫料場的全料填筑壩體。

根據規范[11]抗震要求，對于無粘性土要求浸潤線以上材料的相對密度不低于0.75，浸潤線以下材料的相對密度則根據設計烈度大小選用0.75～0.85”，綜合考慮水上水下相對密度均采用0.85，dmax=600mm。

2.4 過渡層設計

為了確保過渡層為心墻兩邊提供均勻的支撐，要求過渡層的粒料必須級配良好，質地堅硬，其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：過渡料最大粒徑為80mm，小于5mm粒徑含量不超過30%，滲透系數不應小于10-3cm/s，相對緊密度Dr≥0.85。采用C3- 4料場的料篩分，特征參數見表1。

表1 C3- 4料場特征參數

被保護土為過渡料屬于無粘性土，根據規范[11]過渡料不均勻系數Cu>8，過渡料曲率系數Cc≠1～3，說明其級配不連續，應取小于5mm以下的粒徑作為細粒進行計算。過渡料級配線：d85=1.2mm，d15=0.09mm。砂礫料配線：D15=0.43mm。根據規范[11]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，砂礫料對于過渡料可滿足保土性準則，但不滿足排水性準則。但是砂礫料是天然砂礫料全料，滲透系數較大，具有良好的透水性，能夠通暢地將

滲水排出，所以認為所選過渡料合適。

2.5 壩體滲流穩定計算

根據以往工程經驗，可以采用壩體最大典型斷面單寬滲流特性評價壩體滲透穩定性，因此，本工程壩體滲流計算以壩最大斷面為計算剖面[12]，采用二維有限元計算正常蓄水位1776.0m，設計洪水位1776.00m，校核洪水位1777.74m，上述三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；根據地質資料及試驗報告可知：砂礫料滲透系數0.001cm/s，過渡料0.004cm/s，覆蓋層0.052cm/s，瀝青心墻1.0×10-7cm/s，混凝土防滲墻、基座1.0×10-7cm/s，基巖5.0×10-5cm/s，帷幕灌漿基巖5.0×10-5cm/s。計算結果見表2，壩內浸潤線及流速矢量線如圖2所示。

表2 穩定滲流期計算結果

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。表2計算結果可知，下游壩腳(坡腳)、壩基等各部位的出逸最大比降均小于各土層的允許滲透比降，不會發生滲透變形破壞。

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，因此，根據以往同類型工程經驗，本工程初擬的上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8，計算主壩的標準剖面在以下三種工況時壩體的穩定性；正常運用條件對應正常蓄水位(1071.0m)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。庫水位降落時上游壩坡穩定性。靜力計算采用簡化畢肖甫法，動力計算方法采用擬靜力法分析壩坡穩定性，選取的參數詳見表3。

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

表3 壩坡穩定分析計算參數表

從表3計算成果表明，上述3個工況下的壩坡抗滑穩定最小安全系數均大于SL501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》允許值[11]，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，通過設計所提抗震措施適當提高上、下游壩坡坡比使得壩坡滿足設計要求，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

2.7 壩體應力應變計算

為能夠評價壩體在施工期與運行期變形與應力能否合理，心墻是否會有產生水力劈裂的可能性，上、下游過渡料與心墻之間的變形協調性等。通過大型商用有限元軟件采用外掛子程序Duncan-Zhang E-B非線性線彈性模型[13- 20]，對本工程的碾壓式瀝青混凝土心墻壩進行應力變形分析，施工期模擬分30步，蓄水期模擬分10步，模型離散后單元總數為2048個，節點總數為2254個，模型參數采用類似工程的試驗參數見表5，最終成果見表6，成果如圖3—5所示。

表5 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算參數

注：K為初始模量、n反映變形模量和圍壓關系，Rf為破壞比，c為粘聚力，φ0為摩擦角，Δφ為摩擦角增量，Kb為初始模量基數，m為反映初始模量隨圍壓變化的速率，Kur為回彈模量，Pa為大氣壓強。

表6 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算成果

注：表中應力負值為壓應力，位移為負值指向上游。

圖3 滿蓄期壩體水平變形(單位：cm)

圖4 滿蓄期壩體豎向沉降(單位：cm，負號為豎直向下)

從表6計算成果表明：壩體、心墻在施工期與運行期最大沉降率為47.4%與46.3%，如圖2所示。上游壩殼料在滿蓄期時孔隙壓力升高，有效應力下降對于壩殼料來說是一個卸載過程，因此，滿蓄期沉降、應力在要小于竣工期，同時壩體在水壓力作用下也向下游變形，增量在厘米級，如圖3所示。從應力與變形來看上、下游過渡料與心墻之間的變形協調性，應力水平不高，從圖5也可以得出心墻在水壓力作用下向下游變形，同時心墻豎向應力大于對應高程的水壓力且小于理論土壓力，以上成果符合心墻壩一般變形規律。

圖5 瀝青心墻水平變形與豎向應力圖

3 結論

根據SL501—2010及該工程的設計特點，本文提出了碾壓式瀝青心墻結構形式，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，計算初擬大壩體型在施工期、正常運行期、設計洪水期、校核洪水期下的滲透穩定性與抗滑穩定性。同時采用非線性有限元軟件中的鄧肯張EB模型計算壩體、心墻應力應變特性，上述計算成果均能滿規范要求，表明該工程的碾壓式瀝青心墻壩體型合理。通過新疆和田達克曲克水利工程意在介紹一套碾壓式瀝青混凝土心墻壩的設計過程，為今后此類工程設計提供借鑒。