Atay水電站復(fù)合土工膜心墻堆石壩設(shè)計(jì)與施工

蔣永紅，梁 良

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，南寧 530007）

Atay水電站復(fù)合土工膜心墻堆石壩設(shè)計(jì)與施工

蔣永紅，梁 良

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，南寧 530007）

柬埔寨Atay水電站工程壩址兩岸相對平緩、覆蓋層深厚，為避免大開挖并減少混凝土工程量，設(shè)計(jì)采用兩岸接頭堆石壩＋河床重力壩的布置形式，從而節(jié)約投資。介紹了復(fù)合土工膜心墻堆石壩的設(shè)計(jì)與施工方法，工程經(jīng)過近4年的正常運(yùn)行檢驗(yàn)，證明復(fù)合土工膜心墻堆石壩的防滲效果是好的，防滲心墻與混凝土壩的連接設(shè)計(jì)是可靠的。

混合壩型；堆石壩；復(fù)合土工膜；心墻；Atay水電站

1 工程概況

Atay水電站位于柬埔寨西部菩薩省，電站分兩級開發(fā)。一級壩后式電站裝機(jī)2（臺）×10 MW，大（2）型工程，攔河主壩屬2級建筑物。水庫正常蓄水位515.0m，相應(yīng)庫容1.22億m3；死水位510.0m，相應(yīng)庫容0.48億m3；校核洪水位517.34m，相應(yīng)總庫容1.76億m3；水庫具有不完全年調(diào)節(jié)性能。一級電站樞紐建筑物--攔河主壩由混凝土重力壩、溢流壩、兩岸接頭土工膜心墻堆石壩、溢洪道、壩式進(jìn)水口、壩后式廠房等建筑物組成，壩頂全長340.0m，壩頂高程519.5m，最大壩高57.5m。

二級引水式電站壩址位于一級電站主壩下游約6km處，裝機(jī)4（臺）×25 MW，為Ⅲ等中型工程，攔河壩屬3級建筑物。水庫正常蓄水位475.0m，相應(yīng)庫容0.14億m3；死水位474.0m，相應(yīng)庫容0.13億m3；校核洪水位477.89m，相應(yīng)庫容0.18億m3；水庫具有日調(diào)節(jié)性能。二級電站壅水壩由混凝土重力壩、溢流壩、兩岸接頭土工膜心墻堆石壩等建筑物組成，壩頂全長364.0m，壩頂高程479.5m，最大壩高48.5m。

2 工程地質(zhì)條件

一級電站左岸地面高程為501.8～519.5m，邊坡較平緩，為15°左右，自然邊坡穩(wěn)定。第四系殘坡積層厚度2.0～2.5m，為粉質(zhì)粘土混碎石、塊石或粉質(zhì)粘土，硬塑狀?；鶐r為J24中厚層～厚層狀砂巖，全風(fēng)化層厚4.0～9.5m，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.0～9.0m。右岸地面高程為488.3～520m，邊坡較平緩，為13°左右，自然邊坡穩(wěn)定。第四系殘坡積層厚度4.0～9.5m，為粉質(zhì)粘土混碎石、塊石或粉質(zhì)粘土，硬塑狀?；鶐r為第三系喜山期玄武巖（β）厚0～34m；J24中厚層～厚層狀砂巖，全風(fēng)化層厚0m，強(qiáng)風(fēng)化層厚3.2～16.6m。壩基基巖發(fā)育斷層、風(fēng)化殼等，受其影響巖石裂隙發(fā)育，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化巖體透水性較強(qiáng)。

二級電站左岸地面高程為455.5～479.5m，邊坡較平緩，為18°左右，自然邊坡穩(wěn)定。第四系殘坡積層厚度12～18m，為粉質(zhì)粘土混碎石、塊石，硬塑狀。基巖為第三系喜山期玄武巖（β）厚0～11.6m；J2中厚層～厚層狀細(xì)砂巖，全風(fēng)化層厚0m，強(qiáng)風(fēng)化層厚6.0～7.5m。右岸地面高程為447.7～480.5m，邊坡較平緩，自然邊坡穩(wěn)定。右岸堆石壩段范圍內(nèi)有一沖溝，切割深度小于1m。第四系殘坡積層厚度6.8～18m，為粉質(zhì)粘土混碎石、塊石，硬塑狀?；鶐r為J2中厚層～厚層狀細(xì)砂巖，全風(fēng)化層厚0m，強(qiáng)風(fēng)化層厚4.0～11m。壩基巖體強(qiáng)風(fēng)化帶為強(qiáng)透水～中等透水、弱風(fēng)化帶為中等透水～弱透水、微風(fēng)化帶為弱透水～微透水。

3 壩體設(shè)計(jì)

在項(xiàng)目初設(shè)階段，對接頭壩部位進(jìn)行了混凝土重力壩與復(fù)合土工膜心墻堆石壩的比選，結(jié)論是復(fù)合土工膜心墻堆石壩在經(jīng)濟(jì)上更優(yōu)，因此，一、二級擋水壩在兩岸壩肩部位均采用土工膜粘土心墻堆石壩壩型。一級電站左岸接頭壩長71.53m，承受最大水頭17.34m；右岸接頭壩長80.0m，承受最大水頭27.34m。二級電站左岸接頭壩長108.0m，承受最大水頭35.89m；右岸接頭壩長116.5m，承受最大水頭25.89m。

3.1 壩體斷面

壩頂寬度7.5m，自上而下每10.0m高差設(shè)置一道2.0m寬的馬道，壩坡均為1∶1.75，與混凝土壩段的連接采用1/4圓錐體包腳，混凝土壩段設(shè)有刺墻伸入堆石壩內(nèi)。壩體構(gòu)造從上游至下游依次為0.5m厚的干砌石護(hù)坡、上游堆石區(qū)、級配碎石過渡層、粘土保護(hù)層、復(fù)合土工膜（主防滲體）、粘土墊層、級配碎石過渡層、無紡?fù)凉げ?、級配碎石保護(hù)層、下游堆石區(qū)、0.5m厚的干砌石護(hù)坡。由于下游堆石區(qū)建基面大多為粉質(zhì)粘土或粘土，其細(xì)顆粒（d<0.075mm）含量較多，為了防止建基面滲透破壞，在建基面設(shè)置1.0m厚反濾層結(jié)構(gòu)，反濾層材料與級配碎石過渡層料相同。

主防滲體為復(fù)合土工膜，土工膜底部固定在混凝土基座內(nèi)，頂部延伸后埋設(shè)于壩頂混凝土路面中。為增加穩(wěn)定性和滲徑，除干砌石和堆石以外，其它各層全部采用“Z”字形垂直上升，上游級配碎石過渡層、復(fù)合土工膜和粘土保護(hù)層上升坡比為1∶1.05，下游粘土墊層、級配碎石過渡層、無紡?fù)凉げ己图壟渌槭Ｗo(hù)層上升坡比為1∶1.3。上游級配碎石過渡層最小厚度1.5m；上游粘土保護(hù)層最小厚度0.5m；下游粘土墊層最小厚度0.53m，下游級配碎石過渡層最小厚度為1.7m，級配碎石保護(hù)層最小厚度0.4m。防滲心墻構(gòu)造見圖1。

圖1 防滲心墻構(gòu)造詳圖

3.2 防滲系統(tǒng)

堆石壩防滲體為復(fù)合土工膜心墻，復(fù)合土工膜、無紡?fù)凉げ级瞬烤潭ㄓ谙噜彽幕炷翂味未虊ι希撞抗潭ㄓ诨炷粱喜⑾虬镀卵由熘敝翂雾?，整個(gè)防滲心墻近似于三角形?；炷粱ɑ鏋閺?qiáng)風(fēng)化基巖，每10.0m設(shè)1道分縫，分縫間設(shè)止水銅片、止水橡膠各1道，止水片頂部固定于基座的二期混凝土內(nèi)（與復(fù)合土工膜疊壓在一起），止水片沿下游跨過防滲帷幕，底部埋入基巖的止水坑內(nèi)。堆石壩段的防滲帷幕灌漿在基座上進(jìn)行，壩體填筑前施工完畢。復(fù)合土工膜心墻、基座分縫止水、堆石壩段的防滲帷幕形成封閉的防滲體系，一端與混凝土壩連接，一端與壩肩帷幕連接，共同構(gòu)成大壩的防滲系統(tǒng)。

圖2 土工膜與刺墻壩、基座連接圖

3.3 主要材料要求

3.3.1 壩體各分層技術(shù)指標(biāo)（見表1）

表1 壩體分層技術(shù)指標(biāo)表?

3.3.2 復(fù)合土工膜

復(fù)合土工膜需符合《土工合成材料非織造布復(fù)合土工膜》（GB/T17642-2008）的要求。材料規(guī)格為兩布一膜：基布材料為優(yōu)質(zhì)滌綸無紡針刺土工布（無紡布）；膜材料為聚乙烯（PE）。①基布質(zhì)量：單位面積質(zhì)量300g/m2，允許誤差-10％；②膜材厚度0.6mm，允許誤差-8％；③幅寬6.0m，允許誤差-1.0％。

主要物理參數(shù)：①耐靜水壓規(guī)定值≥1.2MPa；②斷裂強(qiáng)度（縱橫向）20kN/m，允許誤差-5％；③CBR頂破強(qiáng)力3.2kN，允許誤差-5％；④撕破強(qiáng)力（縱橫向）0.65kN，允許誤差-8％；⑤剝離強(qiáng)度≥6N/cm；⑥斷裂伸長率≥60％；⑦垂直滲透系數(shù)≤1.0×10-12cm/s。

3.3.3 無紡?fù)凉げ?/p>

無紡?fù)凉げ夹璺稀锻凉ず铣刹牧隙汤w針刺非織造土工布》GB/T17638的要求。材料規(guī)格：單位面積質(zhì)量450g/m2，允許誤差-10％。厚度：5mm，允許誤差-10％。幅寬：3m，允許誤差-5％。

主要物理參數(shù)：①有效孔徑0.1mm，允許誤差10％；②滲透系數(shù)（1～3）×10-1cm/s；③抗拉強(qiáng)度10kN/m，允許誤差-10％。

3.4 滲流、壩坡抗滑穩(wěn)定、壩體應(yīng)力變形計(jì)算

3.4.1 計(jì)算模型

堆石壩的主要計(jì)算項(xiàng)目有滲流穩(wěn)定、壩坡抗滑穩(wěn)定以及壩體應(yīng)力變形等，根據(jù)壩體分區(qū)特性，以典型最大剖面為基準(zhǔn)（二級壩左岸），采用ANSYS軟件按順序剖分壩體單元。模型如圖3，左側(cè)為上游面，取自上游到下游方向?yàn)閄軸正方向，自左岸到右岸為Z軸正方向，豎直向上為Y軸正方向。整個(gè)壩體結(jié)構(gòu)經(jīng)剖分得到結(jié)點(diǎn)12 474個(gè)，單元10 195個(gè)。

圖3 典型最大斷面整體單元剖分

3.4.2 計(jì)算工況

（1）滲流計(jì)算工況①工況1：上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低尾水位；②工況2：上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；③工況3：上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；④工況4：庫水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況（上游正常蓄水降落至死水位）。

（2）壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況。本工程為三等中型工程，土工膜心墻堆石壩建筑物為3級，壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算土條間的作用力，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5395—2007）可知，其最小安全系數(shù)在正常運(yùn)用條件下為1.30，在非常運(yùn)用條件Ⅰ下為1.20，在非常運(yùn)用條件Ⅱ下為1.15。壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算的主要工況：①工況1：施工期（非常運(yùn)用條件Ⅰ）的上、下游壩坡；②工況2：穩(wěn)定滲流期（正常運(yùn)用條件）的上、下游壩坡（上游正常蓄水位與相應(yīng)的下游最低水位）；③工況3：水庫水位降落期（正常運(yùn)用條件）的上游壩坡（由正常蓄水降落至死水位）；④工況4：正常運(yùn)用遇地震（非常運(yùn)用條件Ⅱ）的上、下游壩坡。工程區(qū)地震基本烈度小于6度，地震動峰值加速度按0.05g考慮。

（3）壩體應(yīng)力變形計(jì)算工況。壩體靜應(yīng)力變形計(jì)算考慮到壩體分期施工和堆石體的非線性特性，計(jì)算時(shí)采用分級加載，以便較好地模擬壩體的填筑上升施工過程以及蓄水過程。壩體應(yīng)力變形計(jì)算分施工和蓄水兩種情況。

3.4.3 計(jì)算成果

（1）滲流。正常蓄水位工況大壩滲流計(jì)算的浸潤線如圖4所示。由計(jì)算成果知，大壩在壩體壩基防滲系統(tǒng)作用下，工況1防滲體消減水頭勢13.74m左右，通過土工膜的單寬滲流量為1.558L/d；工況2防滲體消減水頭勢13.53m左右，通過土工膜的單寬滲流量為1.535L/d；工況3防滲體消減水頭勢14.84m左右，通過土工膜的單寬滲流量為1.684L/d；工況4為上游壩坡穩(wěn)定最不利工況，防滲體消減水頭勢13.23m左右。

從壩體滲流場分布規(guī)律看，壩體復(fù)合土工膜心墻具有較大的滲透坡降。由整個(gè)滲流場分析可知，防滲系統(tǒng)消減水頭勢明顯，且剖面滲流浸潤線絕大部分都存在較大的埋深，說明整個(gè)防滲系統(tǒng)的防滲效果顯著。

圖4 工況1大壩浸潤線

（2）壩坡抗滑穩(wěn)定。各工況壩體上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示，各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。工況2壩體上游壩坡滑動面如圖5所示。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定Morgenstern-Price計(jì)算成果表

圖5 工況2上游壩坡滑動面（k=1.637）

（3）堆石壩壩體變形和應(yīng)力?？⒐て谪Q直方向上最大位移鉛直向下，為117.2mm，最大沉降位于壩底中心偏向上游?？⒐て谒椒较蛏仙?、下游壩體分別沿上、下游方向發(fā)生水平位移，這符合散粒體結(jié)構(gòu)的位移規(guī)律，壩軸線處的水平位移很小。壩體上游面向下游最大位移為13.2mm，壩體下游面向上游最大位移為8.4mm。

水庫蓄滿水考慮滲透體積力后，壩體的沉降最大位移為130.5mm，約占堆石壩高的0.36％；壩體上游面向下游的最大位移為53.7mm，壩體下游面位移傾向下游，最大為17.8mm。

竣工期和蓄水期應(yīng)力值變化相差不大，最大主應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，主應(yīng)力等值線與坡面基本呈平行分布，且從壩頂?shù)綁位兄饾u加大趨勢。第一主應(yīng)力的最大值為0.11MPa，第三主應(yīng)力最大值為0.60MPa，發(fā)生位置都在壩底中心與混凝土基座接觸處。以蓄水期考慮滲透體積力壩體第三主應(yīng)力等值線圖為例說明（見圖6）。

圖6 蓄水期考慮滲透體積力壩體第三主應(yīng)力等值線圖（單位：MPa）

（4）堆石壩壩體應(yīng)力水平。壩體在竣工期和蓄水期應(yīng)力水平相差不大，以蓄水期考慮滲透體積力壩體應(yīng)力水平等值線圖為例來說明（見圖7），從圖7可以看出應(yīng)力水平等勢線有從壩體表面到壩體內(nèi)部逐步增大的趨勢，壩體應(yīng)力水平的最大值為0.35MPa，出現(xiàn)在壩底中心與混凝土基座接觸處。壩體不同分區(qū)交界處也是應(yīng)力水平較大的區(qū)域，在壩體上下游堆石與過渡區(qū)相接處應(yīng)力水平約為0.30MPa。壩體應(yīng)力水平?jīng)]有超過1.0MPa的區(qū)域。

圖7 蓄水期壩體應(yīng)力水平等值線圖（單位：MPa）

（5）復(fù)合土工膜的變形和應(yīng)力。復(fù)合土工膜底端假定為鉸支，頂端為自由。復(fù)合土工膜只能承受拉力，不能承受壓力和彎矩。其受拉剛度J（土工膜每米寬度的彈性模量）取復(fù)合土工膜單寬拉力與拉應(yīng)變曲線T（kN/m）-ε上ε=10％的割線模量，按割線模量法進(jìn)行迭代試算，求得ε=10％時(shí)經(jīng)向J=4.95kN/m，緯向J=4.95kN/m。心墻中鋪設(shè)復(fù)合土工膜，其經(jīng)向順著壩軸線方向，采用割線模量49.5 kPa作為初始值進(jìn)行有限元計(jì)算，壩體土石料采用E-B模型。

竣工期壩內(nèi)復(fù)合土工膜的最大拉應(yīng)變?yōu)?.069％、單寬最大拉力0.035kN/m；正常蓄水位時(shí)最大拉應(yīng)變?yōu)?.076％、單寬最大拉力0.038kN/m，復(fù)合土工膜最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在壩底部。雖然一般土石壩的水平位移與豎向位移的最大值發(fā)生于壩的中上部，但薄膜單元的兩端點(diǎn)相對位移最大值卻在壩的基礎(chǔ)附近，這是由于基礎(chǔ)約束所致。復(fù)合土工膜的允許拉應(yīng)變?yōu)?％～12％，上述拉應(yīng)變是很安全的。

由上述拉應(yīng)力及拉應(yīng)變求得拉力與應(yīng)變的安全系數(shù)Ks、Kε分別為500和750，應(yīng)力及應(yīng)變安全系數(shù)均遠(yuǎn)在5.0以上，復(fù)合土工膜的應(yīng)變水平和應(yīng)力水平都遠(yuǎn)低于20％，可以保證在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)年內(nèi)的正常使用。

4 主要施工方法

4.1 壩體填筑施工

填筑施工順序參見圖1。按照Ⅰ1 Ⅰ2 Ⅰ3 Ⅰ4 Ⅰ5 Ⅰ6 Ⅰ7、Ⅱ4 Ⅱ3 Ⅱ2 Ⅱ5 Ⅱ6 Ⅱ1 Ⅱ7順序分層碾壓，循環(huán)上升，其中每一層中的Ⅰ3、Ⅰ4、Ⅱ3、Ⅱ4再均分為2個(gè)層面碾壓。各層的碾壓次數(shù)、加水量、壓實(shí)機(jī)具的行走速度等以生產(chǎn)性試驗(yàn)的結(jié)果來確定。本工程中，上游保護(hù)層及墊層采用手扶式振動碾無振碾壓1遍有振碾壓10遍，過渡層及下游保護(hù)層采用18t振動碾無振碾壓1遍有振碾壓6遍，振動碾跨過土工膜（布）必須采取保護(hù)措施，嚴(yán)禁損傷土工膜（布）。

4.2 土工膜（布）施工

（1）土工膜（布）沿壩軸線［土工膜（布）長邊］方向間距約25m設(shè)置一道伸縮節(jié)，折疊搭接0.5m，構(gòu)造見圖8。

（2）土工膜（布）接縫采用KS膠粘接。粘接形式為膜/膜－膜/布－布/布間粘接，搭接寬度不小于15cm，（見圖9）。

圖8 土工膜（布）伸縮節(jié)構(gòu)造圖

圖9 土工膜（布）粘接形式

將需粘接的復(fù)合土膜預(yù)留接縫邊對正就位，現(xiàn)場煮KS膠進(jìn)行粘接作業(yè)。對用于膜膜間粘接的KS膠液溫度控制在120℃，以免燙穿土工膜；對用于無紡布上的KS膠液溫度可控制在160～200℃之間。先將預(yù)留接縫邊的土工膜粘接，然后將預(yù)留布與膜粘接，最后將預(yù)留布與布粘接。粘接過程中，橡皮錘及時(shí)跟進(jìn)，對粘接部位敲打加壓。

對于無預(yù)留接縫邊的土工膜，要求去除搭接部位表面的無紡布（殘留量≤80g/m2），粘接寬度不小于15cm，且土工膜與無紡?fù)凉げ奸g粘接寬度不小于2cm。

（3）土工膜（布）與一期混凝土錨固。土工膜在槽內(nèi)與一期混凝土錨固：①用鋼絲刷將錨固槽混凝土表面浮漿清除，并清洗干凈，再用棉紗把表面擦干；②將Z字形豎向土工膜端頭折邊20cm，清除Z字形豎向土工膜及基層土工膜表面的無紡?fù)凉げ迹埩袅俊?0g/m2），在粘接部位均勻涂刷KS膠，粘接完成馬上用橡皮錘對粘接部位敲打加壓，隨粘隨敲；③在已粘接好的復(fù)合土工膜上按設(shè)計(jì)間距0.3m鉆孔布置膨脹螺栓（M8，L＝100mm），面上壓鋼板（－60mm寬×5mm厚，端頭要求倒圓角，以防刺破土工膜），擰緊螺帽對復(fù)合土工膜進(jìn)行緊固。

（4）土工布與一期混凝土錨固：無紡?fù)凉げ寂c混凝土基座連接的端頭折邊20cm，按設(shè)計(jì)間距0.3m鉆孔布置膨脹螺栓（M8，L＝100mm），面上壓鋼板（－60mm寬×5mm厚，端頭要求倒圓角，以防刺破土工布），擰緊螺帽對無紡?fù)凉げ歼M(jìn)行緊固。

土工膜與一期砼錨固完成并驗(yàn)收后，即可澆筑錨固槽內(nèi)C25二期混凝土。

5 結(jié)論

Atay水電站兩級大壩均于2012年9月蓄水，至今正常運(yùn)行已近4年，堆石壩的壩體位移、沉降、滲透坡降及滲流量等主要監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超出允許值，證明復(fù)合土工膜心墻的防滲效果是顯著的，可滿足電站的安全運(yùn)行要求。

對于兩岸相對平緩、覆蓋層深厚的壩址，在不宜采用混凝土壩的情況下，可以考慮采用兩岸接頭堆石壩＋河床重力壩的布置形式，從而減小開挖和混凝土工程量。

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Design and construction of composite geomembrane core wall rockfill dam for Atay Hydropower Project

JIANG Yong-hong，LIANG Liang
（Guangxi Electric Power Design Co.，Ltd.of China Energy Engineering Group，Nanning 530007，China）

Atay Hydropower Project of Cambodia is located at a dam site with relative flat terrain and thick overbur?den layer on both banks.In order to reduce excavation and concreting quantities as well as cost，rockfill dam seg?ments are designed at both banks and gravity dam segment designed on river bed.An instruction was made on the design and construction method of composite geomembrane core wall rockfill dam.The project has been put into op?eration for nearly four years，showing the anti-seepage of rockfill dam is good，and connection between impervious core wall and concrete dam is reliable.

Composite dam type；rockfill dam；composite geomembrane；core wall；Atay Hydropower Project

TV641.41

B

1003-1510（2016）05-0046-06

2016-06-30

蔣永紅（1978-），男，廣西全州人，中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師，學(xué)士，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。