西藏拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻壩高細粒含量過渡料應用研究

鄭光俊，張 偉，劉 磊

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江科學院 土工研究所，湖北 武漢 430010)

0 引 言

根據SL 501-2010 《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》及國內相關研究[1-2]，瀝青混凝土心墻兩側與壩殼之間應設置過渡層；過渡材料顆粒級配宜連續，最大粒徑不宜超過80 mm，小于5 mm粒徑的含量宜為25%～40%，小于0.075 mm粒徑含量不宜超過5%；過渡層應滿足心墻與壩殼料之間變形過渡要求，且具有良好的排水性和滲透穩定性。瀝青混凝土心墻的變形模量較小，對于堆石壩來說，壩殼料的變形模量大，通過設置過渡層使變形模量介于心墻和壩殼之間，使心墻、過渡層、壩殼料的變形平緩過渡[3-4]。拉洛水利樞紐工程壩殼采用天然砂礫石，變形過渡問題不如堆石壩突出。合理限制5 mm、0.075 mm顆粒含量，有利于提高過渡層的排水性。

在拉洛水利樞紐工程大壩心墻兩側各設置一層厚3 m的過渡料，因料場細粒含量偏高，不能通過天然砂礫石料簡單加工得到滿足設計[5]及規范要求(小于5 mm含量為25%～40%)的填料。對此考慮對粗粒含量進行調整。調整方法主要有破碎摻配法與P5含量調整法，但會大幅增加工程投資，影響工程工期。從壩體滲透穩定、反濾過渡關系和應力變形等方面進行研究，考慮對現場細粒含量高的天然砂礫石料剔除80 mm的顆粒進行優化，作為大壩心墻兩側過渡料的可行方案。

1 工程概況

西藏拉洛水利樞紐及配套灌區工程是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上的控制性工程，工程主要任務為灌溉，兼顧供水、發電和防洪，以及改善區域生態環境。工程包括拉洛水利樞紐工程和配套灌區工程，為大(2)型水利工程，包括瀝青混凝土心墻壩、泄洪發電隧洞(兼顧導流)、溢洪道、拉洛水電站、魚道、德羅引水發電系統等。拉洛水庫總庫容2.965億m3，正常蓄水位4 298.0 m，設計灌溉面積30 260 hm2(45.39萬畝)。大壩位于海拔高程4 300 m地區，高寒缺氧，典型斷面見圖1。

圖1 大壩典型斷面(尺寸單位：cm)Fig.1 Typical cross section of dam

2 壩體填料基本特性

2.1 瀝青混凝土心墻

根據工程區的天然氣候條件、室內配合比設計試驗和現場攤鋪碾壓試驗成果，大壩瀝青混凝土采用克拉瑪依70號(A級)道路石油瀝青，含量6.6%～6.9%。

2.2 優化后的過渡料

過渡料采用雪日巴塘或塔曲料場開采的砂礫石合格料，剔除最大粒徑80 mm以上顆粒的余料，小于5 mm粒徑含量百分比為25%～55%，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于5%。過渡料壓實后相對密度不小于0.75。過渡料設計級配曲線見圖2和表1[6]。

表1 過渡料設計級配Tab.1 Design grading for transition material

圖2 過渡料設計級配曲線Fig.2 Design grading curves of transition materials

采用現場高細粒含量過渡料上包線和平均線級配三軸試驗，根據試驗曲線整理的E-μ(B)模型參數和抗剪強度指標，壩殼料的抗剪強度指標黏聚力值在10～42 kPa，摩擦角值在37.2°～37.9°，抗剪強度指標良好。

2.3 其他主要填料

(1) 壩殼料。壩殼填筑料利用雪日巴唐料場、塔曲料場或壩址砂礫石覆蓋層開挖的砂礫石合格料，填筑材料均為天然砂礫石，最大粒徑為600 mm，小于5 mm粒徑含量百分比不超過60%，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于8%，壓實后相對密度為不小于0.75。

(2) 排水料。采用塔曲料場開采的砂礫石合格料，最大粒徑為500 mm，小于5 mm粒徑含量百分比為5%～15%，要求級配連續，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于5 %。壓實后相對密度不小于0.75，滲透系數大于10-2cm/s數量級。

3 滲透穩定及反濾試驗結果

依據SL 237-1999《土工試驗規程》，現場取樣開展大壩滲透穩定及反濾試驗，掌握大壩砂礫石填筑料的滲透特性，為滲流計算分析提供參數。

3.1 滲透變形試驗

通過滲透變形試驗獲得填筑料的滲透系數、臨界或破壞比降、滲透破壞形式等成果。開展了壩殼料、過渡料、排水料、反濾料等上包線、下包線級配料的滲透變形試驗。滲透變形試驗均采用垂直試驗方法，水流由下至上，對出口不進行保護。試驗獲得的填筑料滲透變形成果參見表2[6]。成果表明：因細粒含量偏高，壩殼料及過渡料上包線試樣滲透破壞以流土破壞類型為主，下包線一般為過渡型。

表2 填筑料滲透變形試驗結果Tab.2 Result of seepage deformation of filling materials

3.2 反濾試驗

根據工程實際情況，開展了壩殼料/排水料、過渡料/排水料、反濾料/排水料的組合反濾試驗。反濾試驗中水流方向自下向上，下游面排水料為臨空面。試驗過程中，分別測量不同位置的水頭，分析各層承擔的比降，監測細顆粒的遷移和局部滲透比降的變化過程，同時還可觀察下游面排水料樣面狀態。

試驗結果表明：除個別組合供水不足、難以繼續升壓外，壩殼料、過渡料、反濾料在排水料保護條件下，能承擔的水力比降超過15.0，且在排水料的濾土保護下，小于5 mm顆粒含量的下包線級配試樣出現內部淤堵自愈，滲透性降低。被保護料即使發生滲透變形，細粒遷移對排水料的淤堵仍然有限。排水料均滿足壩殼料、過渡料、反濾料的保土性、排水性要求，符合反濾準則。

4 大壩應力及變形計算

4.1 計算方法及模型

建立平面有限元模型進行大壩靜力計算，壩體與覆蓋層及下臥砂礫巖材料采用鄧肯E-B雙曲線模型，并模擬分層填筑與蓄水過程。有限元網格如圖3所示。順河向為X坐標，豎向為Z坐標，垂直于壩軸線從上游到下游規定為X坐標正向；沿壩體高程方向規定為Z坐標(Z為高程)正向。

圖3 大壩應力及變形計算有限元網格Fig.3 Finite element mesh of dam stress and deformation calculation

考慮在瀝青混凝土心墻與混凝土基座、筑壩材料之間存在接觸相互作用，防滲墻與混凝土基座、過渡料之間設置了接觸單元。

4.2 計算分級及工況

為模擬壩體填筑和蓄水過程，計算采用分級進行，共包括27級，第1級模擬地基(包括覆蓋層及基巖)初始應力場，第2～6級模擬上游圍堰填筑過程，第7級模擬廊道施工，第8～23級模擬壩體填筑過程，第24～27級模擬蓄水過程。考慮非線性效應，每級填筑步又分5個增量步加載。初始地應力場采用自重作用下的地應力場。壩體與心墻采用同步平層填筑，約4 m左右填筑一級。4級蓄水水位高程分別為4 268，4 279，4 288 m和4 298 m。

重點研究采用原設計方案滿足設計規范的過渡料與采用現場優化為高細粒含量過渡料對壩體的影響。分完建期和蓄水期分別進行分析，對應的工況如下。

(1) 完建期。大壩上下游無水荷載，模擬上游圍堰施工過程，然后分級模擬大壩施工過程，大壩從建基面最低高程均勻填筑，到設計壩高4 305 m。

(2) 蓄水期。大壩填筑完成后，分級模擬大壩上游蓄水至正常水位4 298.0 m高程，下游設計水位 4 260.51 m。

4.3 計算參數

瀝青混凝土心墻與過渡料、混凝土基座之間的接觸采用罰函數接觸算法模擬。參考類似工程試驗成果[7]，砂礫石料與瀝青混凝土心墻之間摩擦系數取0.6。壩體各材料參數根據相關室內試驗確定，見表3。

表3 壩體填料的計算參數Tab.3 Calculation parameters of dam fillings

4.4 結果分析

(1) 壩體應力及變形。不同計算工況下壩體變形及應力最大值統計參見表4。結果表明，過渡料優化后與優化前相比，除壩體沉降減小1.3 cm，壩體、瀝青混凝土心墻、廊道結構的其余應力變形差異均較小，優化后過渡料的參數降低并不明顯，且過渡料的填筑區域不大，對整個壩體的應力變形影響較小。

表4 壩體應力及變形最大值Tab.4 Maximum stress and deformation of dam body

(2) 瀝青混凝土心墻應力及變形。表5為不同工況下心墻應力及變形最大值。過渡料優化后，心墻應力水平最大值為0.45，受力狀態良好，不會發生剪切破壞；心墻沿順河向位移最大值為6.0 cm，其撓跨比約為0.10%，不會發生撓曲破壞。

表5 心墻應力及變形最大值Tab.5 Maximum stress and deformation of core wall

(3) 抗水力劈裂。水力劈裂是指由于水壓力的抬高，在巖體或土體中引起裂縫的一種物理現象。高心墻堆石壩的水力劈裂問題，是目前工程界普遍關注又亟待解決的關鍵問題之一。心墻在蓄水條件下是否發生水力劈裂，將直接關系到大壩安全與穩定。定義心墻上游面一排單元的墻前水壓力與豎向應力的比值T，以判斷水力劈裂發生的可能性：

(1)

式中：σz為單元豎向應力；γw為水的重度，kN/m3；H為單元離水面高度，m。T值越大，發生水力劈裂的可能性越大。圖4為過渡料優化后蓄水期瀝青混凝土心墻上游面水壓力與豎向應力的比值。由圖4可知，心墻上游面水壓力與豎向應力的比值最大值為0.54，小于1，心墻不會發生水力劈裂。

圖4 優化后蓄水期心墻上游面水壓力與豎向應力的比值Fig.4 Ratio of upstream water pressure to vertical stress of the core wall during water storage period after optimization

綜上所述，瀝青混凝土心墻砂礫石壩處于較安全的狀態。

5 結 論

(1) 拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩采用高細粒含量的過渡料優化后，壩體滲透穩定安全，各填料分區的保土性、排水性均滿足反濾準則。

(2) 高細粒含量過渡料起到了很好的協調壩體應力及變形的作用，大壩應力及變形符合一般變形規律，壩體應力狀態良好。

(3) 大壩采用高細粒含量過渡料后，瀝青混凝土心墻的應力水平合理，不會發生剪切或撓曲破壞，心墻上游面水壓力與豎向應力的比值小于1，不會發生水力劈裂。

西藏拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩采用高細粒含量過渡料，節省了工程投資和工期，取得了顯著的社會經濟效益。目前，工程已經成功下閘蓄水，監測資料表明，大壩應力狀態良好，工作性態正常。