新疆北疆地區瀝青心墻壩結構設計和穩定分析

柴向俐

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

庫魯斯臺水庫工程任務是以灌溉為主，兼顧鄉村供水。在初步推薦上壩址的基礎上，壩址區河床寬闊，河床部位基礎為深厚Q4砂礫石，不具備修建混凝土重力壩和混凝土拱壩的地形地質條件，根據壩型比選分析，確定瀝青混凝土心墻壩為推薦壩型，工程由大壩、溢洪道、導流兼放水洞三部分組成。水庫總庫容為843.16萬m3，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》和《防洪標準》，確定本工程等別為Ⅳ等小(1)型工程。

1 瀝青混凝土心墻壩設計

1.1 壩體結構

1.1.1 壩頂寬度

根據《碾壓式土石壩設計規范》，結合本工程壩體高度、壩頂結構、防汛管理、交通要求和施工場地要求等綜合因素，初步擬定壩頂寬度為8 m，壩頂高程為1 214 m。

1.1.2 防浪墻

壩頂上游側設置“L”型鋼筋混凝土防浪墻，既起擋土作用，又起擋水作用，同時可以節省壩體填筑工程量。墻底高程1 212 m，高出正常蓄水位1.22 m，墻頂高程1 215 m，墻高3.00 m，壩頂以上墻高1.00 m。防浪墻基礎與心墻連接，防浪墻延伸到兩岸分別于左右岸道路和溢洪道邊墻相連接，形成完整的防滲體系。

1.1.3 上、下游壩坡坡比擬定

根據《碾壓式土石壩設計規范》，結合筑壩材料性質并類比國內外已建工程，經過初步壩坡穩定分析計算，上、下游主壩體采用堆塊石料填筑，確定上游坡比為1∶2，下游坡比為1∶1.80，設置1級馬道，綜合坡比為1∶1.95。

1.2 壩體分區

壩體填筑分區從上游至下游分為：A1上游堆砂礫石料區、B1上游過渡料區、C瀝青混凝土心墻、B2下游過渡料區、A2下游堆砂礫石料區。

1.2.1 上、下游堆砂礫石料區

采用DL1堆砂礫石料場填筑，最大粒徑<600 mm，<5 mm的顆粒含量≤35%，<7.50×10-2mm的顆粒含量不超過5%，碾壓層厚為0.80 m。碾壓指標:Dr≥0.85。

1.2.2 上、下游過渡料區

位于瀝青混凝土心墻上、下游側，起到一定的支持和保護瀝青混凝土心墻的作用，心墻與上、下游壩殼之間各設置一層過渡層，上、下游過渡層水平寬均為3 m，過渡層填筑至心墻頂部，底部填筑在建基面上。過渡料要求:最大粒徑<80 mm，<5 mm粒徑含量為25%～40%，<7.50×10-2mm粒徑含量<5%，碾壓層厚0.40 m，設計相對密度Dr≥0.80。過渡料采用DL1料場砂礫料篩分加工而成。

1.2.3 瀝青混凝土心墻防滲體

由于該工程位于強震區，瀝青混凝土心墻防滲體采用正心墻，心墻防滲體軸線位于壩軸線上游1 m，根據規范要求并參考有關工程類比，確定心墻厚度0.60 m，底部與混凝土基座接觸處厚度由0.60 m漸變為1.80 m，心墻頂高程1 213 m。心墻頂部與壩頂防浪墻緊密結合。

心墻基座采用鋼筋混凝土結構，布置在心墻底部，軸線與心墻軸線相同，與心墻共同作用，形成壩基以上的防滲體，混凝土強度等級為C25，抗滲等級為W8，抗凍等級為F250。

1.3 建筑材料

瀝青混凝土骨料采用大東溝石灰石料場開采加工制備料，運距60 km以內。瀝青混凝土中瀝青采用克拉瑪依水工瀝青。壩體砂礫石填筑主要利用DL1砂礫石料場料源；過渡料也由DL1砂礫石料場開采加工。排水棱體堆卵石料由DL1砂礫石料場選取。

1.4 基礎處理

大壩基礎處理包括：基礎開挖，基礎缺陷處理和防滲處理等。

1.4.1 基礎開挖

心墻基礎深挖至河床下部砂卵礫石覆蓋層底部泥巖頂部2 m強風化層，心墻基座采用鋼筋混凝土，在瀝青混凝土心墻防滲體基座中部進行固結灌漿和帷幕灌漿。瀝青混凝土心墻兩岸鋼筋混凝土基座處于邊坡弱風化巖石頂面。

1.4.2 基礎缺陷處理

對于心墻基礎范圍內的斷層破碎帶、層間擠壓帶等局部地質缺陷，表部采用混凝土塞置換處理，深部采用加密固結灌漿和帷幕灌漿處理。混凝土塞寬度為破碎帶的最大寬度，深度為寬度的1.00～1.50倍。

1.4.3 基礎防滲處理

2 壩體滲流分析

2.1 滲流分析計算方法

壩體和壩基的滲漏計算采用北京理正軟件設計研究院的滲流分析軟件6.0版計算程序，主要對壩體滲流情況進行了計算。

2.2 斷面選擇及基本參數

根據壩體工程地質條件及實際運行過程中可能出現險情較為嚴重的現象，計算斷面選取壩體最大斷面。設計對水庫正常運用情況和非常運用情況的滲流場均進行分析計算。滲流計算所采用的各項參數如表1所示。

表1 穩定滲流期計算參數表

2.3 滲流分析結果

設計洪水位時下游砂礫石填筑區溢出點高程為1 166.40 m，溢出點比降為0.06，小于砂礫石允許出逸比降，在有瀝青心墻保護的情況下，不會發生滲透破壞。因此壩體不會發生滲透破壞，見表2。

表2 穩定滲流期計算結果表

3 壩體穩定計算

根據地質勘察及土工試驗資料成果綜合分析，壩體及壩基土層的物理力學指標詳見工程地質勘察報告。統計結果見表3。

表3 穩定計算土料物理力學指標表

經計算各種工況下，壩坡抗滑穩定安全系數最小值均大于規范允許值，滿足規范要求。大壩上、下游壩坡是穩定的，詳見表4。

表4 壩體穩定計算成果表

4 結論

通過對庫魯斯臺水庫瀝青心墻壩的結構設計進行詳細分析，并從滲流和穩定兩個方面進行計算分析，滲流方面瀝青心墻具有良好的防滲性能，確保壩體不會發生滲透破壞。穩定方面壩坡抗滑穩定安全系數最小值大于允許值，上下游壩坡穩定。投產后能夠有效發揮灌溉和供水任務，保障人民用水安全。