去學(xué)水電站170m級(jí)高瀝青混凝土 心墻堆石壩設(shè)計(jì)

劉士佳，孔彩粉，楊 健，劉海宇

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

瀝青混凝土因防滲性能優(yōu)、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、裂縫自愈等特點(diǎn)，逐漸受到重視和推廣應(yīng)用。碾壓式瀝青混凝土心墻具有良好的防滲性能和較強(qiáng)的適應(yīng)變形的能力，能較好地適應(yīng)基礎(chǔ)和壩體不均勻沉降［1］。伴隨著瀝青混凝土施工攤鋪技術(shù)的逐步完善，采用瀝青混凝土心墻防滲的高土石壩越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)已建的最高瀝青混凝土心墻堆石壩是冶勒大壩，最大壩高124.5m［2］，國(guó)外建成最高的瀝青混凝土心墻壩是奧地利的Finsterntal壩，壩高149m，但其心墻高度僅為96m；挪威的Storglomvatn壩，壩高125m，心墻高度123m。目前已建的瀝青混凝土心墻堆石壩壩高基本在150m以下，且現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的壩高適用范圍也不超過(guò)150m，當(dāng)壩高超過(guò)150m時(shí)，應(yīng)作專門論證［3-5］。

本文介紹了去學(xué)173.2m高瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)，通過(guò)專門的技術(shù)論證，提出了適用于修筑超150m高瀝青混凝土心墻堆石壩的技術(shù)方案，研究成果可供后續(xù)同類工程借鑒。

1 概述

1.1 工程概況

去學(xué)水電站位于定曲河（金沙江一級(jí)支流）最大支流碩曲河干流上，工程區(qū)處于四川省甘孜藏族自治州（以下簡(jiǎn)稱甘孜州）得榮縣境內(nèi)，距得榮縣城公路里程約50km，距云南省迪慶州香格里拉縣公路里程約126km。電站采用混合式開發(fā)，壩址位于廠址上游約6.5km，是以發(fā)電為主，兼顧環(huán)境生態(tài)用水，發(fā)展旅游等綜合效益的中型水電工程。水庫(kù)正常蓄水位2330m，總庫(kù)容1.326億m3，電站總裝機(jī)容量246MW。

電站于2014年1月31日完成截流，2016年12月31日大壩施工完成，2017年2月開始下閘蓄水，2017年7月30日，兩臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

1.2 自然條件

碩曲河為定曲河支流，流域?qū)俑咴降貧夂颍蓾窦竟?jié)分明，光照強(qiáng)度大，降水較少，壩址區(qū)多年平均年降水量330.6mm。多年平均氣溫為14.6℃；多年平均相對(duì)濕度46%；多年最大平均風(fēng)速為16m/s。

電站壩址區(qū)屬深切割的高山峽谷地形，河流比較順直，總體流向?yàn)镾W255°，與巖層走向斜交，屬斜向谷。左岸地形總體坡度在65°以上，右岸呈現(xiàn)陡坡、緩坡相間的臺(tái)階形，基巖裸露，斷面呈不對(duì)稱的“V”字形。河床高程為2202～2206m，枯水期河水面寬度為24～73m，正常蓄水位高程河谷寬度為140～270m。壩址區(qū)巖性主要為中厚層～塊狀大理巖化細(xì)晶灰?guī)r，礦物成分為方解石92.1%～100%、高嶺石0%～7.9%。大理巖化細(xì)晶灰?guī)r為區(qū)域性變質(zhì)作用形成的淺變質(zhì)巖，受變質(zhì)作用影響巖石結(jié)構(gòu)較松散易風(fēng)化，但溶蝕性較差。壩址區(qū)巖溶類型屬于河谷型，由于工程區(qū)年降雨量少，地下水的流動(dòng)性弱，因此壩址區(qū)巖溶總體上不太發(fā)育。壩址區(qū)右岸山體內(nèi)，溶蝕裂隙和巖溶管道發(fā)育，巖溶管道均為全充填型，充填物主要為灰白色鈣質(zhì)揮華物和紫紅色泥質(zhì)。第四系由崩坡積、洪積物及階地物質(zhì)組成，主要分布在緩坡、河床一帶。河床全新統(tǒng)沖積層（Q4al）主要由灰～褐灰色砂卵礫石、局部為漂石組成，厚度約14～39m。壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。壩址現(xiàn)場(chǎng)照片見圖1。

圖1 壩址現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)igure 1 Photo of dam site

2 瀝青混凝土心墻堆石壩選擇

去學(xué)水電站壩址處河谷狹窄、高陡，斷面呈“V”字形，天然河谷寬高比為1.26。左壩肩2290m高程以上巖體風(fēng)化、卸荷深度較大，喀斯特較發(fā)育，巖體力學(xué)條件較差。兩壩肩地形陡峻，壩址區(qū)發(fā)育中等傾角及緩傾角裂隙，巖層為中等傾角，傾向下游，緩～中等傾角裂隙和卸荷裂隙及層面組合對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定不利；左壩肩中上部、右壩肩下部發(fā)育有規(guī)模較大的溶洞，水平發(fā)育深度較大。卸荷帶發(fā)育深度較深，對(duì)壩肩抗滑穩(wěn)定影響大。對(duì)于地形條件而言，適合建設(shè)碾壓混凝土拱壩，然而對(duì)于壩址區(qū)的地質(zhì)條件而言，拱壩的兩岸壩肩穩(wěn)定問(wèn)題突出。

鋼筋混凝土面板堆石壩壩軸線附近兩岸地形不對(duì)稱，左岸地形陡峻、巖體完整，右岸壩肩下部相對(duì)較緩，卸荷裂隙、溶洞發(fā)育，巖體以碎裂結(jié)構(gòu)為主；左壩肩地形陡峻，緩～中等傾角裂隙和卸荷裂隙及層面組合對(duì)開挖邊坡穩(wěn)定不利，人工高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題突出；左岸PD535平洞（高程2271m）揭示的為未充填溶洞，雨季洞口深22m以外有滴水現(xiàn)象，卸荷裂隙發(fā)育，右壩肩中下部喀斯特發(fā)育，存在規(guī)模較大、連通性好巖溶管道，對(duì)趾板防滲不利。

瀝青混凝土心墻堆石壩適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)巖體力學(xué)指標(biāo)要求不高，避免了河谷不對(duì)稱、喀斯特防滲及人工開挖高邊坡等不利地形地質(zhì)條件。有效地減少了對(duì)自然邊坡的人工干擾，不會(huì)形成人工開挖高邊坡。瀝青混凝土心墻防滲效果好，自愈能力和適應(yīng)變形能力強(qiáng)，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。碾壓式瀝青混凝土心墻可與壩體堆石一起快速施工。因此，瀝青混凝土心墻堆石壩對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好，推薦壩型為170m級(jí)的瀝青混凝土心墻堆石壩［6］。

3 瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)

3.1 壩體分區(qū)設(shè)計(jì)

去學(xué)瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程為2334.2m，壩頂寬度為15.0m，壩頂軸線長(zhǎng)度為220m，最大壩高173.2m，心墻高度132m。大壩上游壩坡為1:1.9，上游壩體與上游圍堰結(jié)合。下游壩坡設(shè)置 “之”字形上壩公路，路面寬10.0m，路面之間壩坡為1:1.3，綜合坡比為1:1.841。筑壩材料分區(qū)從上游到下游為：上游干砌石護(hù)坡、堆石Ⅰ區(qū)（碾壓增模Ⅰ區(qū)）、上游過(guò)渡層Ⅱ區(qū)、上游過(guò)渡層Ⅰ區(qū)、瀝青混凝土心墻（厚0.6～1.5m）、下游過(guò)渡層Ⅰ區(qū)、下游過(guò)渡層Ⅱ區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)（碾壓增模Ⅱ區(qū)）、堆石Ⅰ區(qū)、下游干砌石護(hù)坡。瀝青混凝土心墻采用碾壓式，可較好地適應(yīng)工程區(qū)的干熱氣候條件。心墻頂部高程2333.0m，頂部厚0.6m，頂部高程以下按公式t＝0.6＋0.007×（2333－該處心墻截面高程）逐漸加厚。心墻上、下游坡比為1:0.0035。心墻底部設(shè)3.0m高的放大腳與上部心墻平順連接，最大壩高剖面放大腳厚度從1.5m漸變?yōu)?.0m。壩體分區(qū)典型橫剖面見圖2。

圖2 壩體典型橫剖面圖Figure 2 Typical cross section of dam1—干砌石護(hù)坡；2—堆石Ⅰ；3—碾壓增模Ⅰ；4—過(guò)渡層Ⅰ； 5—過(guò)渡層Ⅱ；6—瀝青混凝土心墻； 7—碾壓增模Ⅱ；8—堆石Ⅱ

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

電站壩址為非對(duì)稱陡峻狹窄河谷，河谷寬高比1.26，河床左岸發(fā)育有基巖深槽。壩址區(qū)巖性為較軟的大理巖化細(xì)晶灰?guī)r，地層巖溶較發(fā)育，地震設(shè)防烈度較高，超高瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)難度大。

3.2.1 河床基礎(chǔ)深槽處理

根據(jù)大壩心墻基礎(chǔ)開挖揭露的實(shí)際地質(zhì)情況，河床底部為下切強(qiáng)烈的深槽，壩軸線方向?qū)?8m，深度32m。右岸上部開挖基礎(chǔ)整體平順，然而河床底部深槽與右岸岸坡開挖基礎(chǔ)之間存在41m寬的巖基平臺(tái)，兩岸心墻基礎(chǔ)開挖體型為：左岸由上到下開挖坡比依次為1:0.33、1:0.26；右岸開挖坡比由上到下依次為1:0.5、1:1.1、1:0.55、41m寬平臺(tái)、1:0.32。

考慮到瀝青混凝土力學(xué)性能的復(fù)雜性，工程界對(duì)心墻高度超過(guò)150m的瀝青混凝土心墻堆石壩的安全性存在擔(dān)憂；同時(shí)，考慮到河床深窄基坑施工難度大，為確保施工進(jìn)度，研究確定維持現(xiàn)有右岸41m寬的基巖平臺(tái)，不再進(jìn)行爆破開挖。針對(duì)深窄、不對(duì)稱的基礎(chǔ)體型，右岸41m寬平臺(tái)的存在致使基礎(chǔ)開挖體型存在較大突變，對(duì)平臺(tái)以及深槽附近心墻的受力極為不利，影響防滲安全。

為了解決基礎(chǔ)開挖體型對(duì)心墻受力的不利影響，對(duì)多種工程措施進(jìn)行了研究，經(jīng)比較，確定采用高混凝土基座布置方案對(duì)基礎(chǔ)開挖體型進(jìn)行修正，形成了“高瀝青混凝土心墻+高混凝土基座”的防滲結(jié)構(gòu)，瀝青混凝土心墻高度132.0m，混凝土基座高度32.0m。修正后的心墻基礎(chǔ)體型平順，改善了瀝青心墻的工作性態(tài)，同時(shí)，有效降低瀝青混凝土心墻高度至132m。根據(jù)三維有限元數(shù)值計(jì)算分析，心墻應(yīng)力水平低于0.7，受力狀態(tài)良好，處于結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

3.2.2 陡峻邊坡心墻接頭結(jié)構(gòu)研究

去學(xué)水電站壩址區(qū)屬高陡不對(duì)稱河谷地形，瀝青混凝土心墻與混凝土基座接頭的結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到大壩防滲系統(tǒng)的安全。為研究瀝青混凝土心墻與基座接觸部位的防滲安全性，開展了瀝青混凝土心墻接頭模型試驗(yàn)，對(duì)接頭部位的瀝青瑪蹄脂、心墻與基座接觸面的型式、心墻和基座是否設(shè)置銅止水等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，成果表明：在模擬運(yùn)行工況中心墻接頭部位可能的應(yīng)力變形情況下，在接頭部位設(shè)置瀝青瑪蹄脂，并采用弧面基座設(shè)置止水銅片，且瀝青混凝土心墻下部局部放大，接頭部位均未發(fā)生滲漏。

3.2.3 陡邊坡瀝青混凝土心墻變形協(xié)調(diào)性研究

去學(xué)水電站瀝青混凝土心墻高度大，壩址處河谷狹窄，兩岸邊坡不對(duì)稱，尤其左岸水泥混凝土基座邊坡設(shè)計(jì)為1（垂直）:0.33（水平）。在大壩施工和運(yùn)行過(guò)程中，瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位可能發(fā)生較大的剪切位移，影響心墻的防滲安全性，因此需要瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位應(yīng)具有較大的變形能力。

利用不同配合比瀝青混凝土長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)得出的蠕變穩(wěn)定模量，采用簡(jiǎn)化的二維有限元計(jì)算方法計(jì)算分析沿左岸陡邊坡改變心墻瀝青混凝土配合比對(duì)心墻與基座的接頭部位性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：調(diào)整左岸陡邊坡心墻瀝青混凝土的油石比，對(duì)基座附近心墻的變形和應(yīng)力應(yīng)變影響不大，主要體現(xiàn)在對(duì)剪切應(yīng)變的影響，當(dāng)油石比調(diào)整到7.4%時(shí)，剪切應(yīng)變明顯增大，當(dāng)微調(diào)油石比至7.0%時(shí)，瀝青混凝土的變形能力得到提高，而未引起過(guò)大的剪切應(yīng)變，滿足工程要求。

3.2.4 筑壩料分區(qū)原則研究

筑壩料分區(qū)設(shè)計(jì)按照當(dāng)?shù)夭牧蠅尉偷亍⒕徒〔暮屯谔钇胶庠瓌t，達(dá)到確保壩體安全、節(jié)省工程投資和加快工程進(jìn)度的目的?？紤]到去學(xué)超高瀝青混凝土心墻堆石壩的結(jié)構(gòu)功能、壩坡穩(wěn)定、壩料強(qiáng)度、壩體滲透性、壓縮性等方面的要求，上壩料利用紐巴雪料場(chǎng)開采的玄武質(zhì)熔結(jié)角礫巖和樞紐區(qū)開挖的弱風(fēng)化及微風(fēng)化玄武質(zhì)熔結(jié)角礫巖。玄武質(zhì)熔結(jié)角礫巖飽和抗壓強(qiáng)度116～125MPa，軟化系數(shù)0.86，滿足壩體填筑要求。

壩體各筑壩材料間應(yīng)變形協(xié)調(diào)，盡可能減少壩體變形對(duì)瀝青混凝土心墻的不利影響，同時(shí)兼顧壩料滲透反濾保護(hù)、結(jié)構(gòu)功能要求。瀝青混凝土心墻為高132m的柔性傳力結(jié)構(gòu)，為了控制其施工期、運(yùn)行期的撓度變形，應(yīng)特別注意心墻上下游過(guò)渡料、上下游堆石料填筑指標(biāo)的設(shè)計(jì)。另外，去學(xué)壩址左岸岸坡陡峻，心墻及其與基座接觸面的工作條件較差，為盡量減小該部位壩體變形量，改善心墻及其與基座接觸面的工作條件，在左岸壩體陡于1:0.5的岸坡接觸部位設(shè)置碾壓增模區(qū)，提高壩料填筑指標(biāo)，以減少陡邊坡對(duì)壩體不均勻變形的不利影響，從而減少左岸心墻附近壩體的不均勻變形量，使壩體堆石模量呈梯度過(guò)渡。左岸碾壓增模區(qū)頂部高程2305.00m，距離混凝土基座寬5.0m以1:0.5坡度，向右岸放坡；垂直壩軸線方向，分別向上下游以1:0.5坡度放坡至河床。去學(xué)大壩上壩料填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 壩體主要填料設(shè)計(jì)指標(biāo)表Table 1 Design index of filled materials in dam

3.2.5 抗震措施

工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅷ度。由于壩體高度大，河谷狹窄，兩岸岸坡陡峻，為確保地震工況下壩體安全，減少震害影響，去學(xué)攔河壩采用了如下抗震措施：

（1）壩體分區(qū)：結(jié)合壩體應(yīng)力變形及地形地質(zhì)條件等特點(diǎn)，對(duì)壩體進(jìn)行合理分區(qū)，采用級(jí)配和性能較好的石料填筑施工，并適當(dāng)提高碾壓標(biāo)準(zhǔn)。心墻為柔韌性好的瀝青混凝土，適應(yīng)振動(dòng)和變形能力強(qiáng)，且具有裂縫自愈能力。

（2）壩頂安全超高：考慮地震涌浪高度，并結(jié)合工程實(shí)際情況及工程經(jīng)驗(yàn)預(yù)留地震沉降，使壩頂高程滿足地震時(shí)的超高要求，不發(fā)生庫(kù)水漫頂。

（3）壩頂結(jié)構(gòu)及壩坡：為提高地震時(shí)壩頂?shù)恼w性和穩(wěn)定性，減少地震引起的永久變形，對(duì)壩頂寬度適當(dāng)加大，取15.0m；壩體高程2305.0m以上，鋪設(shè)雙向聚丙烯土工格柵；上游壩坡在死水位2305.0m以下5.0m至壩頂高程范圍，以及下游壩坡，均采用厚80cm的干砌塊石護(hù)坡。

（4）瀝青混凝土心墻：心墻與基座連接部位采用心墻厚度逐漸擴(kuò)大的形式連接，接觸面設(shè)瀝青瑪蹄脂和銅止水，以提高地震時(shí)的防滲性能。

（5）提高施工質(zhì)量：施工中嚴(yán)格控制填筑層厚、碾壓遍數(shù)、加水量等施工參數(shù)，做好過(guò)程控制，確保壩體碾壓密實(shí)，減少地震沉陷。

表2 鄧肯-張E-B模型計(jì)算參數(shù)表Table 2 Parameters of Duncan-Chang E-B model

4 壩體應(yīng)力變形

4.1 有限元計(jì)算成果

壩體應(yīng)力變形采用三維有限元法、鄧肯E-B模型進(jìn)行計(jì)算，模擬壩體分級(jí)填筑和蓄水加載過(guò)程。分別進(jìn)行了靜力和動(dòng)力工況計(jì)算，模型主要計(jì)算參數(shù)見表2。

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）竣工時(shí)，壩體大小主應(yīng)力最大值分別為2.5MPa和0.95MPa，心墻內(nèi)無(wú)拉應(yīng)力；蓄水后壩體大小主應(yīng)力最大值分別為2.2MPa和1.15MPa，心墻局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值約-0.108MPa，小于瀝青混凝土允許抗拉強(qiáng)度0.6MPa，心墻不會(huì)出現(xiàn)拉伸破壞。

（2）竣工期，壩體最大沉降99cm，占?jí)胃叩?.57%，最大沉降發(fā)生在壩體中下部。蓄水后壩體最大沉降較施工期有所增加，最大沉降為113cm，占最大壩高的0.65%。

（3）填筑期，心墻最大沉降106cm，蓄水期最大沉降118cm；最大順河向水平位移17cm，位于心墻頂部。心墻最大撓跨比為1.7‰。心墻最大應(yīng)力水平為0.48，位于左岸中部靠上游區(qū)域和心墻靠近底部區(qū)域，蓄水期增大至0.67，位于左岸中部靠上游區(qū)域。

（4）竣工期心墻與岸坡基座沿岸坡向最大錯(cuò)動(dòng)位移為3.80cm，滿蓄期增至4.12cm，最大值均位于左岸靠頂部區(qū)域。為了提高基座與心墻結(jié)合處的防滲安全，在錯(cuò)動(dòng)位移較大的部位采取了加寬心墻的工程措施。

（5）動(dòng)力時(shí)程法分析結(jié)果表明：加速度在壩體內(nèi)總體反應(yīng)不大，但在壩頂區(qū)和壩坡明顯較大，表現(xiàn)出鞭梢效應(yīng)。由于出現(xiàn)峰值加速度的作用時(shí)間較短，不至于對(duì)整個(gè)壩體的安全性造成較大危害。豎向最大永久位移26cm，發(fā)生在壩頂中部附近，約占?jí)胃叩?.15%，壩體在震后變形主要形式是震陷。

4.2 主要監(jiān)測(cè)成果

根據(jù)壩型和壩體分區(qū)設(shè)計(jì)情況，對(duì)大壩進(jìn)行了多斷面和多高程的變形監(jiān)測(cè)。截至目前，壩體堆石和心墻的主要變形情況如下：

（1）壩體沉降的最大值為72.6cm。

（2）根據(jù)心墻壩最大剖面（壩橫0+70.00m）的陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自蓄水以來(lái)，心墻整體呈向下游位移，最大位移約9.0cm，位于2225～2235m高程之間。

（3）左右岸心墻與基座之間位錯(cuò)計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：左岸心墻與岸坡基座之間的錯(cuò)動(dòng)位移最大值為5.2mm，位于2315m高程處。

以上監(jiān)測(cè)成果表明：壩體沉降僅占最大壩高的0.42%；心墻向下游的位移9.0cm，小于計(jì)算值；瀝青混凝土心墻與岸坡基座沿岸坡向錯(cuò)動(dòng)位移5.2mm，遠(yuǎn)小于計(jì)算值。壩體及瀝青混凝土心墻的變形值總體不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

去學(xué)瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高173.2m，心墻最大高度132m，大壩和心墻高度均居世界同類工程之首。針對(duì)超高瀝青混凝土心墻堆石壩壩體分區(qū)、陡邊坡心墻變形協(xié)調(diào)性、心墻接頭防滲結(jié)構(gòu)、高瀝青混凝土心墻壩抗震等關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)方案比較分析、模型試驗(yàn)和三維數(shù)值計(jì)算等方法論證，提出解決措施并應(yīng)用于去學(xué)大壩。電站蓄水運(yùn)行兩年多以來(lái)，大壩各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明大壩處于安全運(yùn)行狀態(tài)［7］。去學(xué)170m級(jí)高瀝青混凝土心墻堆石壩的建成使用，將使瀝青混凝土心墻堆石壩這種優(yōu)越的壩型得以進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)技術(shù)成果也將推進(jìn)我國(guó)瀝青混凝土心墻堆石壩的技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)也可完善和補(bǔ)充相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。