新疆嚴(yán)寒地區(qū)某水電站澆筑式瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計

廖騰耀，吳俊杰

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

在水利工程中，瀝青混凝土已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大壩防滲材料[1]。由于心墻在壩體內(nèi)部，氣候?qū)ζ涓黜椥阅苡绊懞苄?，適應(yīng)變形能力強，抗震性能好，施工較簡單方便，因而近幾年發(fā)展較快，瀝青混凝土心墻壩的建造也逐漸增多[2]。瀝青混凝土心墻在施工方法上分為碾壓式和澆筑式兩種[3]。由于澆筑式瀝青混凝土心墻壩是適合于寒冷地區(qū)修建的一種壩型，因其澆筑式瀝青混凝土靠自重壓實，不需要碾壓機械，柔韌性好，可以全年施工，從而大大縮短了工期[4]。新疆嚴(yán)寒地區(qū)某水電站工程最大的設(shè)計難點是工程所在地春秋相連，夏季短暫，冬季寒冷而漫長，極端最低氣溫為-49.8℃，壩址處最大凍土深取高限值230 cm。采用傳統(tǒng)的碾壓式瀝青混凝土心墻，施工溫度不能過低，但該壩址可施工時間有限將導(dǎo)致整個工期延后，無形中增加了工程投資。

該水電站工程與我國東北地區(qū)的白河水庫極為相似，都處于高寒區(qū)域，工程設(shè)計人員在我國第一次采用澆筑式瀝青混凝土筑壩，到目前為止一直處于穩(wěn)定狀態(tài)[5-7]。該工程8月下旬截流，壩體施工在9月份至次年4月份完成，瀝青混凝土心墻在較低溫度下填筑，部分需在負(fù)溫下填筑，澆筑式瀝青砼心墻可滿足工程需要，并節(jié)約工程費用。因此，對于我國西部地區(qū)高寒地區(qū)來說，澆筑式瀝青混凝土心墻壩應(yīng)是比較合適的壩型方案[8-10]。

1 工程概況

該水電站工程由引水樞紐大壩、溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，總庫容0.17×108m3，裝機容量200 MW，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等工程。澆筑式瀝青混凝土心墻壩壩頂寬度為8.0 m，最大壩高43.5 m，壩長170 m。壩頂上游側(cè)設(shè)置L型鋼筋混凝土防浪墻。上游壩坡比為1∶2.0，下游壩坡比為1∶1.5，上游壩坡采用混凝土板護坡，下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁填干砌塊石護坡。壩體填筑料分區(qū)為：上游爆破料區(qū)、過渡料區(qū)，瀝青砼心墻，下游過渡料區(qū)、爆破料區(qū)，壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面見圖1。根據(jù)氣象統(tǒng)計，工程所在地最低極端溫度-49.8℃，最高極端溫度40.2℃，多年平均溫度2.71℃，最大積雪深75 cm，最大凍土深取高限值230 cm，壩址區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為203.9 gal。

圖1 壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面

2 澆筑式瀝青混凝土心墻設(shè)計

2.1 澆筑式瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于垂直式瀝青混凝土心墻工程量較小且施工工藝簡單，為了改善壩體受力狀態(tài)，同時能更好地與防浪墻銜接，將心墻軸線靠上游側(cè)布置，心墻軸線與壩軸線間距為2.75 m。該工程最大壩高為43.5 m，心墻采用等厚設(shè)計寬0.5 m，底部墻厚漸變?yōu)? m，與混凝土基座連接。

2.2 壩基及壩肩基礎(chǔ)處理

左右壩肩大部分岸坡基巖裸露，出露巖性為志留系庫魯姆提群(Skl)的變質(zhì)碎屑巖組成，主要巖性為灰白色云母石英片巖和灰綠色含十字黑云綠泥石英片巖。右壩肩地形略陡，局部近直立，岸坡坡度35°～80°，局部表層覆蓋少量的第四系坡積碎石土(Q4dl)，較松散，厚度為1.0～4.0 m。岸坡瀝青心墻基礎(chǔ)建在弱風(fēng)化基巖面上，心墻和岸坡巖石基礎(chǔ)的連接混凝土蓋板厚1.2 m。瀝青混凝土心墻底部與混凝土底板連接之間涂刷厚1 cm瀝青瑪蹄脂，以增大黏結(jié)力并適應(yīng)心墻水平變形，接縫設(shè)置止水片。心墻上下游兩側(cè)的巖石開挖邊坡取1∶0.5，覆蓋層砂礫石的開挖邊坡取1∶1.5。上下游壩殼部位原則上清除表層1～2 m的松散體，邊坡不允許存在倒坡及直立陡坡。在心墻混凝土蓋板下進行固結(jié)灌漿，灌漿深度為5 m，2排孔距取3 m。帷幕灌漿為1排，孔距取2 m，深度以小于5 Lu線和1/3壩高為控制標(biāo)準(zhǔn)，帷幕最大深度為20 m。

河床壩基較平坦，該處僅清除表層1～2 m左右的松散體，防滲墻建在砂礫石覆蓋層上，砂礫石覆蓋層最大深度31 m，為了增強防滲效果，心墻下設(shè)置混凝土基座，厚2 m，寬3 m?；屡c混凝土防滲墻連接，截斷沿河床深覆蓋層的滲漏通道，最終形成全封閉式防滲系統(tǒng)?；炷练罎B墻厚0.8 m，伸入基巖內(nèi)1 m，最大墻深為30.3 m。

2.3 壩殼料設(shè)計

由于儲量充足，采用C3料場的天然砂礫料進行篩分，取得過渡料Ⅰ；而過渡料Ⅱ采用C3天然砂礫料全料；采用P1塊石料場的爆破料填筑壩體。

采用工程類比法，該工程堆石料的設(shè)計級配初定為：粒徑小于0.075 mm顆粒的含量不能大于5%，粒徑小于5 mm顆粒的含量不能大于20%，且不均勻系數(shù)Cu大于25，粒徑小于5 mm顆粒的含量不超過20%，粒徑小于25 mm顆粒的含量不超過35%，最大粒徑600 mm。爆破料來源于P1塊石料場的爆破石料。初定堆石料設(shè)計和填筑標(biāo)準(zhǔn)為，內(nèi)摩擦角大于40°，孔隙率n小于等于23%，干容重γd=21～23 kN/m3，鋪層厚度0.8 m。

2.4 過渡料設(shè)計

過渡層主要功能是給心墻上下游兩側(cè)提供均勻支撐，所以過渡層顆粒必須是級配良好的且質(zhì)地堅硬，同時最大粒徑不得大于瀝青混凝土骨料最大粒徑的8倍。本工程取用：過渡料Ⅰ最大顆粒直徑取80 mm，且粒徑小于5 mm的顆粒的含量不能大于30%，同時滲透系數(shù)K不能小于1.0×10-3cm/s，相對緊密度Dr≥0.85，過渡料Ⅰ采用C3料場的料篩分。過渡料Ⅱ采用C3天然砂礫料全料，其粒徑小于150 mm的顆粒占90%～95%，相對緊密度Dr≥0.85，C3料場特征參數(shù)見表1。

表1 C3料場特征參數(shù)

2.4.1 過渡料Ⅱ與過渡料Ⅰ層間關(guān)系復(fù)核

被保護土為過渡料屬于無黏性土，根據(jù)規(guī)范過渡料Ⅰ不均勻系數(shù)Cu>8，過渡料Ⅰ曲率系數(shù)Cc≠1～3說明其級配不連續(xù)，應(yīng)取小于5 mm以下的粒徑作為細(xì)粒進行計算。過渡料Ⅰ級配線：d85=1.35 mm，d15=0.122 mm。過渡料Ⅱ級配線：D15=0.25 mm。根據(jù)規(guī)范D15/d85≤4～5，滿足保土性準(zhǔn)則；D15/d15≯5，不滿足排水性準(zhǔn)則。計算結(jié)果表明，過渡料Ⅱ?qū)τ谶^渡料Ⅰ可滿足保土性準(zhǔn)則，但不滿足排水性準(zhǔn)則。過渡料Ⅱ雖然不滿足排水性準(zhǔn)則，但過渡料Ⅱ是天然砂礫料全料，滲透系數(shù)較大，具有良好的透水性，能夠通暢地將滲水排出。

2.4.2堆石料與過渡層Ⅱ間關(guān)系驗算復(fù)核：

通過級配曲線，可以得到過渡料Ⅱ的d85=72 mm，d15=0.25 mm。堆 石料D15=1.6 mm，通過計算可知D15/d15>5滿足排水要求，D15/d85≤4～5滿足濾土要求。

2.5 壩體滲流穩(wěn)定計算

壩體滲流計算以瀝青混凝土心墻壩最大斷面為計算剖面，采用二維有限元計算正常蓄水位1 071.0 m、設(shè)計洪水位1 071.6 m、校核洪水位1 073.8 m 3個工況下壩體浸潤線、等勢線、壩體和壩基滲流量和各部位的滲透比降，確定庫水位降落時浸潤線位置；堆石料、圍堰滲透系數(shù)為0.1 cm/s，過渡料Ⅰ為0.04 cm/s，覆蓋層為0.052 cm/s，過渡層Ⅱ為0.06 cm/s，瀝青心墻為1.0×10-7cm/s，混凝土防滲墻、基座為1.0×10-7cm/s。計算結(jié)果見表2，壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線見圖2。

表2 穩(wěn)定滲流期計算結(jié)果

圖2 正常蓄水位壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線示意圖+Ⅷ度地震壩上下游壩坡穩(wěn)定計算成果圖

從圖2壩內(nèi)浸潤線可知，心墻的防滲效果明顯且滲漏量較小。由表2計算結(jié)果可知，下游壩腳(坡腳)、壩基等各部位的最大水力梯度值均小于允許值，因此判斷壩基及出逸點將不會發(fā)生滲透破壞。

2.6 壩體邊坡穩(wěn)定計算

評價壩體的邊坡穩(wěn)定性對大壩安全運行至關(guān)重要，通常設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗初步擬定的壩坡是需要通過計算進行論證是否合理的。為了壩坡安全性提出適當(dāng)放緩上下游壩坡的抗震措施，初擬的上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.5，計算主壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面在以下3種工況時壩體的穩(wěn)定性，即正常運用條件對應(yīng)正常蓄水位(1 071.0 m)穩(wěn)定滲流期、非常運用條件Ⅰ對應(yīng)施工期、非常運用條件Ⅱ?qū)?yīng)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇Ⅷ度地震的上下游壩坡穩(wěn)定性。靜力計算采用簡化畢肖普法，動力計算方法采用擬靜力法分析壩坡穩(wěn)定性，選取的參數(shù)見表3。

表3 壩坡穩(wěn)定分析計算參數(shù)表

從表4可以得出，上述3個工況下，大壩上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)都大于規(guī)范允許值；圖2列出了正常蓄水位+遇Ⅷ度地震時上下游壩坡穩(wěn)定計算成果，該工況為上述3個工況的控制工況，表明地震時是大壩穩(wěn)定最不利工況，通過設(shè)計提出抗震措施，即適當(dāng)提高上下游壩坡坡比，以保證壩坡滿足設(shè)計要求。壩坡穩(wěn)定分析計算成果見表4。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)

3 結(jié) 論

1) 針對澆筑式瀝青混凝土靠自重壓實、不需要碾壓機械、柔韌性好、可以全年施工，從而大大縮短工期的特點，本文采用澆筑式瀝青混凝土心墻作為大壩防滲體，以縮短嚴(yán)寒地區(qū)心墻壩施工周期，減少工程投資。

2) 根據(jù)規(guī)范及該工程的設(shè)計難點，本文設(shè)計了澆筑式瀝青心墻結(jié)構(gòu)，對壩基及壩肩基礎(chǔ)進行了處理，計算得出符合該工程的壩殼料。同時，計算初擬體型在各個工況下的滲透穩(wěn)定性與抗滑穩(wěn)定性均能滿足設(shè)計要求。