任意料在納達水庫瀝青混凝土心墻土石壩中的應用研究

涂曉霞

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 工程概況

納達水庫位于興義市倉更鎮(zhèn)境內(nèi)，南盤江支流岔河下游河段，壩址以上控制集雨面積為39.4 km2，多年平均流量為0.69 m3/s。水庫正常蓄水位為1 037.0 m，死水位為1 010.0 m，興利庫容為722.2萬m3，校核洪水位為1 040.0 m，總庫容為1 076.8萬m3，是以農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和農(nóng)村人畜飲水等綜合利用的中型水庫工程，經(jīng)多種壩型比較和研究，擋水壩采用瀝青心墻混合土石壩，最大壩高為81.2 m，工程靜態(tài)總投資為6.44億元[1]。

壩址河谷為高山峽谷，地形呈“V”型發(fā)育，屬侵～蝕剝蝕低中山區(qū)，河谷為高山峽谷地形，左岸1 031 m高程以下坡角為35°～50°，1 031 m高程以上岸坡較緩，坡度為25°～30°，右岸山體高程大于1 200 m，坡角為30°～40°。壩址左岸為斜逆向坡，壩址右岸為斜順向坡。

第四系殘坡積層(Q4edl)含碎石粉質(zhì)粘土，厚約1.60～6.20 m。第四系河流沖積層(Q4al)上部為粉質(zhì)粘土，下部為含泥砂礫卵石層，厚約5.0～8.0 m。

壩區(qū)基巖三疊系中統(tǒng)河口組上段(T2hb)細砂巖與灰質(zhì)泥巖互層，河床未揭露全風化層，強風化層厚度為0.80 m左右，左岸全風化層厚度為0～22.30 m，強風化厚度為13.80～36.0 m，右岸未揭露全風化層，強風化厚度為2.80～11.20 m。壩區(qū)構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，主要為背斜褶曲縱、橫張裂隙。細砂巖飽和單軸抗壓強度達Rb=64.8 MPa，屬堅硬巖?；屹|(zhì)泥巖飽和單軸抗壓強度達Rb=14.4 MPa，屬軟巖；壩址弱風化細砂巖屬AⅢ2類巖體，弱風化灰質(zhì)泥巖屬CⅣ類巖體。壩址區(qū)細砂巖夾灰質(zhì)泥巖或互層，構(gòu)成了壩址區(qū)軟硬相間的巖體結(jié)構(gòu)，灰質(zhì)泥巖成為相對軟巖夾層，巖體強度受軟巖夾層控制。

左右岸第四系殘坡積層屬于中等透水～弱透水層，河床覆蓋層砂卵礫石為強透水層。按透水率q≤3 Lu作為相對隔水層標準，相對隔水層左岸埋深為21.30～59.85 m，相應高程為974.37～1 023.09 m，河床埋深為24.45～60.0 m，相應高程為912.62～946.09 m，右岸埋深為30.90～56.30 m，相應高程為972.11～1 010.13 m。

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05g[2]，相應地震基本烈度為Ⅵ度，總體屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性好的地區(qū)。本工程各建筑物抗震設防烈度為Ⅵ度，可不進行抗震計算[3]。

2 壩體設計

2.1 大壩剖面設計

瀝青混凝土心墻混合土石壩壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)分為碾壓式瀝青混凝土防滲心墻、上下游過渡層、壩體弱風化料(1A)(1B)區(qū)、強風化石渣料區(qū)、壩體混合料、排水帶、反濾層等,壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)遵循變形模量由中間向兩邊逐漸變小的原則。大壩壩頂鋪設瀝青混凝土路面，上游側(cè)設L型混凝土防浪墻，大壩防浪墻頂高程為1 042.2 m，壩頂高程為1 041.2 m，河床最低建基高程為960.0 m，大壩最大壩高為81.2 m，壩頂寬度為10 m，壩頂長為250 m。壩體上游壩坡分5級，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程設3 m寬馬道并變坡，在全年圍堰頂高程1 003.0 m設15 m寬馬道并變坡，在枯水圍堰頂高程986.9 m設7 m寬馬道并變坡，自壩頂向下坡比分別為1∶2.75、1∶3、1∶3、1∶3和1∶3。下游壩坡分4級，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程和990.0 m高程處設3 m寬馬道并變坡，自上而下坡比分別為1∶2.5、1∶2.75、1∶2.75和1∶2.75。在高程980.0 m以下設堆石排水棱體，棱體頂寬為3 m，上游面坡度為1∶1，下游面坡度為1∶1.5，在棱體上游面及棱體底層設反濾層。排水棱體與壩內(nèi)水平排水形成完整的壩內(nèi)排水系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 納達大壩瀝青混凝土心墻混合土石壩典型橫剖面示意(單位：m)

瀝青混凝土垂直心墻[4]頂高程為1040.2 m，最低墻底高程為966.0 m。瀝青混凝土心墻厚度呈階梯型布置，從上至下分別為0.6 m、0.9 m、1.2 m，厚度變化處高程分別為991.0 m、1 016.5 m，厚度變化處采用1.5 m高斜坡漸變連接?；炷粱斠陨? m高度內(nèi)為瀝青混凝土加厚段，基座頂部心墻寬度為 3 m。瀝青混凝土心墻的基座采用梯形斷面，基座厚度為3 m，底部寬度為6 m。

2.2 壩基處理

在壩基填筑前，對基座開挖槽至上下游坡腳線(包括圍堰坡腳線)外5 m范圍內(nèi)的樹木、草皮、樹根等全部清除整平后，采用20 t以上碾壓設備振動碾壓10遍以上，方可填筑上層筑壩料。

河床壩段混凝土基座開挖至弱風化層上部，開挖寬度為6 m。左岸的帷幕灌漿上、下游側(cè)各布置1排，排距為4 m，孔間距為3.0 m，灌漿長度為6 m或10 m。

大壩及溢洪道沿壩軸線布置1排帷幕灌漿孔，帷幕深入相對隔水層(q≤3 Lu)5 m，左、右壩肩帷幕伸入正常蓄水位與相對不透水層(q≤3 Lu)相交處，壩肩帷幕采用灌漿平洞灌漿，帷幕中心線總長約為 460 m，孔距為2 m，防滲面積為1.49萬m2。

2.3 筑壩材料

壩體材料分區(qū)主要是在保證大壩安全運行的前提條件下，根據(jù)壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其強度、滲透性、壓縮性等特性，分別提出不同的要求，以充分利用建筑物開挖料，力爭降低工程造價，簡化施工，縮短施工工期。

壩體材料主要由混合料、強風化石渣料、弱風化料、堆石排水棱體、過渡料、排水反濾料、墊層料等土石料填筑而成，分層碾壓密實，總填筑量為190.37萬m3[5]。

1) 土石混合料和強風化石渣料

土石混合料和強風化石渣料填筑總量約為142.67萬m3，優(yōu)先充分利用大壩、溢洪道開挖的土石料填筑壩體，開挖利用料80.56萬m3，其中直接上壩12.59萬m3，二次轉(zhuǎn)運67.97萬m3；不足部分就近開挖庫內(nèi)料場的土料和強風化料，庫內(nèi)土石混合料場料62.11萬m3，距離壩址約500 m，可直接上壩。

2) 弱風化料

弱風化填筑料約為32.23萬m3，為就近開采庫內(nèi)混合料場的弱風化料直接上壩。運距約為500 m。

3) 過渡層、排水反濾料、堆石排水棱體

過渡料、排水反濾料和堆石棱體料填筑總量約為15.47萬m3，均采用質(zhì)密、堅硬、抗風化、耐侵蝕的灰?guī)r料，料源從仁家灣石料場開采，運距約為14 km。

3 壩體計算

3.1 壩體滲流分析

根據(jù)壩體斷面，建立了大壩典型橫剖面(河床最大壩高剖面)的二維滲流模型，分析各工況下滲流場特性。壩體材料滲透參數(shù)依據(jù)地質(zhì)及試驗建議取值，滲透系數(shù)見表1所示，滲流計算成果見表2和圖2。

表1 滲流計算主要參數(shù)

表2 各滲流工況下的上、下游水位

圖2 正常蓄水位穩(wěn)定滲流流網(wǎng)示意

根據(jù)計算可知,大壩典型橫剖面(河床最大壩高剖面)浸潤線在壩體內(nèi)部已經(jīng)下落到水平排水體內(nèi)，不會從壩體下游坡逸出；壩體心墻、砼帷幕、壩基砂卵礫石滲透比降均小于其允許滲透比降，滿足滲透穩(wěn)定要求，壩體滲流出逸點較低，對壩體穩(wěn)定較有利。設計采取的滲控措施合理，庫水入滲流量較小，處于可接受水平。

3.2 穩(wěn)定計算

1) 由于壩體填殼料采用任意料，主要來源于建筑物開挖料中的殘破積土料、全風化土料和強風化細砂巖與灰質(zhì)泥巖，強度較低，大壩壩坡宜采用相對較緩的坡比以保證壩坡穩(wěn)定。

2) 根據(jù)壩體填筑料物理力學試驗確定的抗剪強度參數(shù)，通過抗滑穩(wěn)定計算，確定滿足抗滑穩(wěn)定需要的壩體斷面和壩坡。

壩坡穩(wěn)定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，壩體浸潤線均采用滲流計算成果。根據(jù)壩體填料的室內(nèi)物理力學試驗，并參考類似工程經(jīng)驗，確定大壩穩(wěn)定計算的物理力學參數(shù)見表3。

表3 穩(wěn)定計算主要參數(shù)

各工況的計算結(jié)果匯總見表4，計算結(jié)果表明，上游壩坡穩(wěn)定由驟降工況控制，下游壩坡穩(wěn)定由地震工況控制，上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值，大壩壩坡是穩(wěn)定的。

表4 大壩壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果匯總

3.3 應力應變分析

為了進一步驗證壩體結(jié)構(gòu)斷面的合理性，建立了“河谷—大壩”三維有限模型，考慮了滲流與壩體的耦合，對大壩填筑過程及主要控制工況進行了數(shù)值仿真，分析大壩主要分區(qū)的應力和變形、瀝青心墻的工作狀態(tài)和檢驗水力劈裂。

1) 計算參數(shù)

河谷地基和混凝土采用彈性本構(gòu)，瀝青心墻及其他壩體分區(qū)采用鄧肯—張本構(gòu)[6-9],主要參數(shù)取值見表5和表6。

表5 帷幕灌漿蓋重力和河谷主要參數(shù)取值

表6 壩體主要分區(qū)材料參數(shù)取值

2) 壩體應力、變形計算成果與分析

三維靜力計算成果見表7 和圖3～圖5，大壩上下游區(qū)位移關(guān)于壩軸線大致呈對稱分布，且均指向壩外，其中上游壩坡向上游方向最大水平位移為12.6 cm；下游坡向下游移動的最大水平位移為14.5 cm，均發(fā)生在2/3壩高的壩坡附近處；上游壩坡最大豎向沉降40.5 cm，下游壩坡最大豎向沉降40.2 cm，約為壩高的0.675%，均發(fā)生在1/2～2/3壩高壩殼料附近，符合一般土石壩沉降規(guī)律，說明壩體的分區(qū)和填筑設計是合理的。蓄水期的壩體相對于完建情況上抬，且上游壩坡抬升較下游壩坡大。這是因為擋水情況下，壩體存在滲流場，孔隙水壓力和超孔隙水壓力作用下產(chǎn)生向上、向下游的浮托力，且上游浮托力大于下游浮托力，所以壩體的有效應力相對于完建期減少了，且上游壩體有效應力減少量大于下游壩體。

表7 壩體變形、應力極值成果

蓄水期，在水壓力的作用下，壩體水平變形整體向下游位移。由于過渡層和弱風化料與壩殼料模量相差比較大，壩體內(nèi)部變形較小，而壩殼混合料的變形則相對較大，會引起壩體的應力重分配，過渡層的應力明顯比混合料提高。

3) 心墻變形、應力和應變分析

各工況瀝青心墻的變形見表8和圖6～圖7。

表8 瀝青心墻變形、應力極值成果

心墻沿順河向水平位移最大值完建期為向上游4.4 cm，蓄水期為向下游3.0 cm，其最大撓跨比約為0.05%，心墻不會發(fā)生撓曲破壞。心墻應力極值均出現(xiàn)在完建期，第一主應力最大值為拉應力為15.18 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗拉強度480 kPa；最大壓應力1 110 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗壓強度2 580 kPa。蓄水期最大拉應力為12.40 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗拉強度660 kPa[10-11]，心墻不會發(fā)生水力劈裂[12-14]。

4 結(jié)語

興義市納達水庫工程為Ⅲ等中型工程，在擋水壩設計上應用了瀝青混凝土防滲和全斷面土、石混合任意料筑壩兩項新技術(shù)，是貴州省第一座利用棄渣任意料填筑的瀝青心墻壩、也是截至目前貴州省最高的瀝青心墻混合土石壩。根據(jù)開挖料的物理力學特性和壩體各部位對壩料的不同要求，為充分合理利用建筑物開挖料，通過計算各種可能工況下大壩上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定，深入分析大壩在施工期、運行期的應力和變形，以及大壩的滲流場特性，科學合理地確定了大壩的斷面、壩體材料分區(qū)和設計指標。2018年3月20日大壩開始施工，2019年12月18日大壩封頂，2022年6月1日水庫正式下閘蓄水，目前水庫已蓄至死水位1 010.0 m左右，大壩運行正常。納達水庫瀝青混凝土心墻土石壩的建成，可為類似工程提供經(jīng)驗和借鑒。