高寒及強(qiáng)震區(qū)瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)

趙 妮

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

瀝青混凝土心墻壩在新疆應(yīng)用較廣，其主要特點(diǎn)是防滲體瀝青混凝土心墻受外部氣候影響較小，抗震性能好，對壩體和基礎(chǔ)變形有較強(qiáng)的適應(yīng)性。幾十年來，新疆水庫由平原逐漸發(fā)展到山區(qū)，由于山區(qū)氣候多變，受不同地形條件的約束和氣候影響，當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚玫搅溯^好的應(yīng)用，在高寒、強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層等特殊不良地質(zhì)條件下，新疆大壩建設(shè)技術(shù)不斷突破，特別是以瀝青混凝土心墻壩和混凝土面板壩為主要發(fā)展方向。

目前，正在建設(shè)的瀝青混凝土心墻壩中，大石門水利樞紐最大壩高128m，擬建的尼雅水庫大壩高131.00m，都是百米級高壩。瀝青混凝土心墻壩由于其良好的抗震性、良好的防滲及適應(yīng)變形的能力，能夠充分利用當(dāng)?shù)夭牧咸钪?，且能夠在冬季施工，針對新疆的氣候條件非常適合，在新疆高震區(qū)、深厚覆蓋層等不良地質(zhì)條件下得到了較好的應(yīng)用。

1 新疆山區(qū)特殊條件下瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 大壩抗震措施

1.1.1 新疆地震區(qū)的分布及特征

新疆處于印度板塊和歐亞板塊碰撞的前沿地帶。新疆有五大地震帶，是中國多震省份之一，由北向南主要是阿爾泰地震帶、北天山地震帶、南天山地震帶、西昆侖山地震帶和阿爾金山地震帶。起頻率高、震級大、范圍廣。

1.1.2 壩體的抗震措施

瀝青混凝土心墻壩壩體的抗震措施應(yīng)結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)、土料設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮。通常當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為8度或9度時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用應(yīng)加寬壩頂，放緩壩體邊坡，壩坡土體內(nèi)加筋及上、下游壩腳壓重等抗震措施。

2010年建成的下坂地水利樞紐，位于塔什庫爾干河中下游，最大壩高78m。工程區(qū)屬帕米爾-喀喇昆侖-西昆侖抬升區(qū)，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁。庫壩區(qū)地震基本烈度為8度，大壩抗震設(shè)防烈度為8度。工程的抗震措施考慮了足夠的地震涌浪和壩體壩基產(chǎn)生的地震附加沉陷，適當(dāng)提高壩體砂礫石料及堆石料的填筑標(biāo)準(zhǔn)。壩殼料選用低壓縮性、強(qiáng)度高、滲透性好的砂礫石料，為了增加大壩的整體穩(wěn)定性，利用壩址區(qū)崩坡積物開挖料，在上、下游壩腳設(shè)置鎮(zhèn)壓層。適當(dāng)放緩上、下游壩坡，并在不同高程處分設(shè)馬道，加寬壩頂寬度，壩頂設(shè)置阻滑土工格柵網(wǎng)，使大壩在各種工況下均能保持穩(wěn)定。

結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)，還可采用以下壩體及心墻的抗震措施：

(1)防滲心墻采用塑性心墻，加強(qiáng)心墻與基座、基座及壩體各分區(qū)與壩基和岸坡的連接，防止壩體，特別是兩岸壩坡部分因地震而出現(xiàn)裂縫。

(2)在下游壩腳處加強(qiáng)排水措施，增設(shè)減壓排水井排除壩體下游壩基的滲水，消散強(qiáng)震作用下孔隙水壓力。為增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定，在壩體內(nèi)設(shè)水平向排水體。

(3)設(shè)置地震監(jiān)測項(xiàng)目和強(qiáng)震監(jiān)測站，記錄壩區(qū)和庫區(qū)范圍內(nèi)在施工期、蓄水期及運(yùn)行期的地震情況，以便評價(jià)震后的損害程度及控制近壩區(qū)的施工爆破作業(yè)強(qiáng)度。

1.2 施工質(zhì)量保證措施

1.2.1 新疆氣候條件及特性

新疆遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，高山環(huán)繞，海洋中的水分不容易進(jìn)入，形成了明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫變化大，日照時(shí)間長(年日照時(shí)間達(dá)2550～3500h)，降水量少，空氣干燥。南疆年降水量只有20～100mm，而北疆的降雨量卻為100～500mm。南疆平原年平均氣溫10～13℃，北疆平原氣溫低于10℃。極端最高氣溫吐魯番曾達(dá)48.9℃，極端最低氣溫富蘊(yùn)縣境可可托海曾達(dá)-51.5℃。南疆平原無霜期200～220d，北疆平原大多不到150d。

1.2.2 施工質(zhì)量保證措施

受氣候的影響，新疆河道的汛期大部分從5月進(jìn)入汛期，11月份進(jìn)入冬季，有效的施工時(shí)間較短，新疆冬季寒冷，對混凝土心墻的施工影響較大。部分在建水庫位于高原地區(qū)，高原地區(qū)氣候多變，早晚溫差大，其施工的關(guān)鍵就是對溫度的控制。由于瀝青混凝土施工工藝比較復(fù)雜，且溫度控制的環(huán)節(jié)多，要求高，在選擇施工及監(jiān)理單位時(shí)就要選擇經(jīng)驗(yàn)豐富、設(shè)備精良、技術(shù)精湛的單位，以確保工程的順利施工。

庫什塔依水電站位于特克斯縣，所處地冬季極端氣溫為-29℃，本工程在施工時(shí)恰逢特克斯縣多年極端氣溫，要在這種氣溫條件下進(jìn)行施工在國內(nèi)尚屬首例，施工過程中面臨了一系列困難。為了確保碾壓式瀝青混凝土心墻壩的冬季施工質(zhì)量，在室內(nèi)試驗(yàn)室里進(jìn)行了大量的模擬試驗(yàn)，并且在施工現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，研究出了一套在高原環(huán)境下瀝青混凝土的施工方法，尤其是在夜間施工、惡劣天氣下施工、高陡邊坡等措施下，保證了瀝青混凝土質(zhì)量，為特殊環(huán)境下的瀝青混凝土施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1.3 深厚覆蓋層防滲處理措施

1.3.1 新疆山區(qū)水庫地形、地質(zhì)條件及特點(diǎn)

新疆山區(qū)水庫地形地質(zhì)條件復(fù)雜，不同地貌單元其巖性、結(jié)構(gòu)、覆蓋層深度變化很大，有的山區(qū)水庫位于高寒高海拔地區(qū)，存在強(qiáng)震、深厚覆蓋層、高陡邊坡等問題。

1.3.2 深厚覆蓋層的處理措施

受地形、地質(zhì)條件等因素的影響，新疆不同地區(qū)山區(qū)河床覆蓋層厚度和結(jié)構(gòu)特征差異較大，新疆大部分地區(qū)覆蓋層以砂卵礫石層居多，其厚度和物理力學(xué)性質(zhì)千差萬別，覆蓋層厚度從幾米到百余米，粒徑從細(xì)粒到巨型漂石，各種情況無所不有。新疆深厚覆蓋層壩基防滲一般采用垂直防滲或倒掛井施工技術(shù)。對于大多數(shù)工程一般采用防滲墻至基巖，基巖以下再接帷幕灌漿進(jìn)行基礎(chǔ)防滲。

下坂地水利樞紐覆蓋層厚度達(dá)到150m，工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，防滲施工難度很大。工程在設(shè)計(jì)初就選定瀝青混凝土心墻壩作為首選壩型，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)研究總結(jié)出了一整套復(fù)雜地質(zhì)條件下防滲墻的施工工藝。其壩基防滲處理措施采用“上墻下幕”垂直防滲結(jié)構(gòu)型式，防滲墻最大深度85m，砂礫石層帷幕灌漿最大深度150m，施工難度較大，突破了當(dāng)時(shí)我國施工技術(shù)水平，在國內(nèi)居領(lǐng)先。2010年1月下坂地水利樞紐下閘蓄水，水庫蓄水后大壩運(yùn)行良好。

大河沿水庫壩址地層厚度84～174m，全部為第四系全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層，覆蓋層厚，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對大河沿水庫工程復(fù)雜的地質(zhì)條件，通過總結(jié)國內(nèi)外深厚覆蓋層筑壩和防滲經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大壩及壩基三維有限元滲流計(jì)算成果以及國內(nèi)防滲墻施工技術(shù)水平分析等，最后確定壩基防滲墻深度為175m。新疆部分深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

2 瀝青混凝土心墻壩設(shè)計(jì)需考慮的因素

2.1 心墻應(yīng)力應(yīng)變

在大壩抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于壩址區(qū)地震烈度為8度以上的大壩，需加強(qiáng)大壩抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對壩高在50m以上的大壩，需進(jìn)行心墻的應(yīng)力-應(yīng)變分析和計(jì)算以及大壩的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)力分析。

瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果取決于其是否正確。對瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算時(shí)，計(jì)算參數(shù)應(yīng)通過試驗(yàn)確定，由于瀝青混凝土材料對溫度和加載速度極為敏感，試驗(yàn)確定的參數(shù)受溫度和加載速度影響較大，實(shí)驗(yàn)的溫度、加載速度控制應(yīng)接近環(huán)境條件和施工、運(yùn)行情況，能夠反映心墻的實(shí)際工作狀態(tài)。已建成的坎而其水庫、下坂地水利樞紐等水利樞紐都采用有限元法進(jìn)行了應(yīng)力和變形分析，采用二維、三維進(jìn)行計(jì)算，有些工程不僅進(jìn)行了靜力分析，而且還作了動(dòng)力分析。

表1 新疆部分深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩統(tǒng)計(jì)表

擬建的新疆大石門水利樞紐，最大壩高130m，結(jié)合壩體開挖料進(jìn)行三軸試驗(yàn)，并使用三維有限法和鄧肯E-B模型計(jì)算壩體應(yīng)力。通過對大壩各種工況的模擬，以及靜力和動(dòng)力計(jì)算分析，系統(tǒng)地對大壩進(jìn)行了分析，為瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力和變形情況提供了全面、深入的了解。

下坂地水利樞紐針對強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細(xì)砂層等工程特點(diǎn)，在靜、動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對壩體和覆蓋層地基進(jìn)行地震情況下的地震反應(yīng)分析和評價(jià)，非線性黏彈塑性模型和等效線性黏彈性模型分析，豐富了瀝青混凝土心墻壩在特殊條件和工況下的設(shè)計(jì)方法。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性

在壩基下存在承壓水且水頭較高時(shí)，應(yīng)在下游壩腳處應(yīng)增設(shè)減壓排水井排除壩體下游壩基的水，為了在強(qiáng)震作用下快速消散孔隙水壓力，以提高壩體的穩(wěn)定性。

擬建的大石門水利樞紐壩高最大為130m，大壩設(shè)防烈度為9度，為了防止大壩因地震而導(dǎo)致壩體中上部失穩(wěn)和變形，將壩基清理及建筑物的開挖料堆放在壩坡腳與電站尾水渠之間，這樣既可以有效地利用廢棄料，又可以增強(qiáng)壩體的抗震性。

布倫口-公格爾水電站，最大壩高35m，壩頂寬10m，壩長331.32m，工程基本地震烈度為8度，為了提高壩體的抗震能力，除放緩坡比、加寬壩頂寬度等措施外，利用了開挖料在部分壩段設(shè)置壓重戧臺，既有效利用棄渣，又增強(qiáng)了壩體的穩(wěn)定性。

2.3 施工組織設(shè)計(jì)

瀝青混凝土心墻壩其優(yōu)點(diǎn)之一就是可以和圍堰相結(jié)合，有效地減少工程臨時(shí)費(fèi)用。圍堰防滲標(biāo)準(zhǔn)按臨時(shí)工程設(shè)計(jì)，但填筑標(biāo)準(zhǔn)與壩體應(yīng)相同，若工程位于高震區(qū)時(shí)，要適當(dāng)提高壩體的施工填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)，需選用抗震性能、滲透穩(wěn)定性好、級配良好的砂卵礫石進(jìn)行填筑。

瀝青混凝土心墻壩另一優(yōu)點(diǎn)就在于心墻可與壩體同步填筑施工，其大壩可與施工導(dǎo)流圍堰相結(jié)合，在下個(gè)汛期可采用壩體度汛，有效降低圍堰規(guī)模和高度，圍堰作為壩體的一部分，可節(jié)省投資。對于強(qiáng)震區(qū)修建瀝青混凝土心墻壩，抗震設(shè)計(jì)時(shí)通常采用的措施之一就是提高壩體砂礫石及堆石料的填筑標(biāo)準(zhǔn)，可在施工中可根據(jù)施工情況調(diào)整填筑厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等施工參數(shù)，以確保壩體碾壓密實(shí)，減少大壩沉陷量。

恰普其海水利樞紐的上游圍堰為土石圍堰，圍堰與壩體完全結(jié)合，最大偃高49.0m，圍堰選擇澆筑式瀝青混凝土心墻壩，瀝青心墻設(shè)計(jì)厚度為0.4～0.3m。在心墻兩側(cè)各設(shè)2m寬的過渡料。經(jīng)過嚴(yán)格的施工質(zhì)量控制措施，堰前最高水位達(dá)到935.4m時(shí)，瀝青混凝土心墻內(nèi)無滲漏現(xiàn)象，已成為很多工程設(shè)計(jì)典范。

2.4 大壩監(jiān)測設(shè)計(jì)

大壩的安全監(jiān)測要結(jié)合工程等級、規(guī)模，對監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋區(qū)的建筑物進(jìn)行監(jiān)測，確保監(jiān)測系統(tǒng)空間分布的合理性，掌握項(xiàng)目總體工作狀況，及時(shí)評估項(xiàng)目安全。安全監(jiān)測設(shè)計(jì)要遵循“重點(diǎn)突出，兼顧全面，分期實(shí)施”的設(shè)計(jì)原則。對于不同類型的大壩，分別進(jìn)行變形、滲流和應(yīng)力監(jiān)測，以評估大壩的安全性，便于及時(shí)采取措施確保大壩的安全運(yùn)行。大壩監(jiān)測主要包括變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測及水文、水力學(xué)監(jiān)測等，根據(jù)壩體自身的特點(diǎn)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。

石門水電站瀝青混凝土心墻壩最大壩高106m，工程區(qū)地震基本烈度為8度，其大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)包括大壩表面變形監(jiān)測、壩體內(nèi)部變形監(jiān)測、心墻變形監(jiān)測、接縫監(jiān)測、壩基滲流監(jiān)測、心墻溫度監(jiān)測、上下游水位監(jiān)測、地震反應(yīng)監(jiān)測等。在壩體上、下游分別安裝電磁式沉降環(huán)，對上下游的壩體沉降進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合壩體內(nèi)部變形分別對心墻自身變形、心墻與過渡料之間的順河床向和沿高程的變形進(jìn)行監(jiān)測。在大壩監(jiān)測斷面及基礎(chǔ)帷幕上、下游分別設(shè)滲壓計(jì)，對壩基滲流進(jìn)行監(jiān)測。心墻與混凝土底座接觸部位很關(guān)鍵，在該部位心墻上、下游分別布設(shè)滲壓計(jì)對該處的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測，并在壩頂、壩基設(shè)強(qiáng)震儀對大壩進(jìn)行監(jiān)測，取得了很多關(guān)鍵數(shù)據(jù)，掌握了各建筑物施工期、運(yùn)行工作狀況。

下坂地水利樞紐大壩監(jiān)測設(shè)計(jì)包括大壩變形監(jiān)測、分層豎向、水平位移監(jiān)測、壩基及繞壩滲流監(jiān)測、心墻變形、心墻溫度監(jiān)測、廊道變形及應(yīng)力監(jiān)測、混凝土防滲墻變形應(yīng)力監(jiān)測、上下游水位監(jiān)測、地震反應(yīng)監(jiān)測等內(nèi)容。大壩變形監(jiān)測包括壩體內(nèi)部沉降和水平位移。重點(diǎn)對壩體應(yīng)力、應(yīng)變，混凝土防滲墻應(yīng)力應(yīng)變及變形進(jìn)行監(jiān)測。并在大壩壩頂、下游壩坡、下游壩腳壩基設(shè)觀測點(diǎn)，監(jiān)測地震反應(yīng)，為工程施工期質(zhì)量控制、運(yùn)行期大壩及建筑物安全運(yùn)行提供了重要數(shù)據(jù)和評價(jià)依據(jù)。

3 結(jié)語

(1)在強(qiáng)震區(qū)，壩基深厚覆蓋層下可能存在液化砂層現(xiàn)象，這對壩基的穩(wěn)定性及壩體變形會產(chǎn)生不利影響，對其可液化的判別和對工程的影響程度分析及處理措施，是覆蓋層上建壩的重要問題之一。根據(jù)不同工程強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層、壩基下覆粉細(xì)砂層等特點(diǎn)，可在靜、動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對壩體和覆蓋層地基進(jìn)行地震工況下的地震反應(yīng)分析。

(2)工程的抗震措施應(yīng)根據(jù)工程情況考慮提高壩體堆石料的填筑標(biāo)準(zhǔn)，選用低壓縮性、強(qiáng)度高、滲透性好的砂礫石料，利用開挖料，在上、下游壩腳設(shè)置壓重層，壩頂設(shè)置阻滑土工格柵網(wǎng)等綜合措施。

(3)瀝青混凝土壩的施工中可根據(jù)現(xiàn)場施工情況調(diào)整填筑厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等施工參數(shù)，確保壩體碾壓密實(shí)，減少大壩施工期沉陷量。

(4)對瀝青混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系還有待研究，隨著百米級瀝青心墻壩的不斷發(fā)展，其配合比對瀝青混凝土工程性質(zhì)的影響，以及瀝青混凝土的力學(xué)性能與心墻工作性狀的關(guān)系，將成為評價(jià)心墻安全可靠性的重要研究內(nèi)容。

(5)大壩安全監(jiān)測除做好監(jiān)測設(shè)計(jì)之外，還應(yīng)精心作好施工期、運(yùn)行期資料整編、分析工作；監(jiān)測資料應(yīng)保持完整性、可靠性和連續(xù)性，根據(jù)監(jiān)測資料指導(dǎo)工程施工期、運(yùn)行期的管理，控制施工質(zhì)量和指導(dǎo)運(yùn)行期建筑物的安全。