馬鞍山水庫瀝青混凝土心墻堆石壩分區(qū)優(yōu)化設計研究

李勝東,張中兵,秦開文,舒晴,李軍

(1.內江水利電力勘察設計研究院有限公司,四川內江,641000;2.米易縣馬鞍山水利工程運行中心,四川米易,617209;3.中水君信工程勘察設計有限公司,成都,610073)

0 引言

基于瀝青混凝土粘彈塑性材料力學性能復雜、施工環(huán)境要求苛刻、施工工藝技術難度較大的特性,容易出現(xiàn)質量安全問題[1]。近二十年來,通過瀝青混凝土心墻堆石壩壩型的不斷應用和推廣,設計理論和工程經驗有了進一步的提升,施工工藝和工程材料有了進一步的發(fā)展[2]。大量監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,瀝青混凝土心墻堆石壩壩型在抗震性能、適應變形能力方面的優(yōu)勢是明顯的,施工過程中通過嚴格控制工程材料、施工工藝,質量是可以保證的[3]。

本文以馬鞍山水庫壩體為例,綜合考慮征地、料場等因素優(yōu)化壩體分區(qū)設計,實現(xiàn)節(jié)約征地范圍和工程投資,為攀西地區(qū)瀝青混凝土心墻堆石壩建設提供了經驗[4-5]。

1 工程概況

馬鞍山水庫位于四川省攀枝花市米易縣丙谷鎮(zhèn)芭蕉箐村境內,壩址距米易縣17.0km,是一座以灌溉和鄉(xiāng)村供水為主,兼顧生態(tài)環(huán)境用水的中型水利工程。水庫包括樞紐工程和灌區(qū)工程兩部分。樞紐工程主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、開敞式溢洪道、放空隧洞和南北干渠放水隧洞組成。水庫總庫容1136萬m3,正常蓄水位1305.00m,設計洪水位1306.28m,校核洪水位1306.82m,壩頂高程1307.00m。

壩址兩岸基本對稱,呈“V”形狹谷;河谷谷底狹窄,寬2m～26m,河床高程1231.00m～1252.40m,局部基巖裸露,覆蓋層厚1.0m～5.5m,主要為漂卵礫石夾砂,結構松散～稍密,局部架空;河床、左右岸壩基下部地基巖性為輝長巖,右岸壩基上部為第三系上新統(tǒng)昔格達組粘土巖和砂巖。河床壩強、弱風化帶厚度分別為0～8.8m、9.3m～12.6m。左右岸大多基巖裸露,自然坡角10°～35°,兩岸自然坡高65m～107m;強、弱風化帶厚度分別為11.95m～45.1m、1.96m～17.5m;大部分由昔格達頁巖、粘土巖和風化輝長巖組成,局部裂隙發(fā)育,巖層水平微傾坡內,反向坡;除發(fā)育陡傾角構造裂隙外,無大的不利結構面。地震基本烈度為Ⅶ度。

2 壩型選擇及壩體分區(qū)設計

2.1 壩型選擇

壩址區(qū)內出露第四系松散堆積層、第三系上新統(tǒng)昔格達組及二疊系閃長巖地層。壩址左岸開挖10m～20m左右滿足修建剛性壩的基礎要求,但由于山體陡峭,不利于基礎深層開挖。右岸為昔格達組粘土巖與粉砂巖互層,承載力較低且在擾動下易遇水軟化,不利于壩體穩(wěn)定,因此本工程不宜采用剛性壩壩型[6]。

工程區(qū)廣泛分布輝長巖,壩址區(qū)50km內無儲量及質量均能滿足防滲要求的粘土料場,故采用瀝青混凝土心墻堆石壩壩型[7]。

2.2 大壩剖面設計

大壩頂長263.0m,寬8.0m,最大壩高68.0m,壩基最大寬度為370m。上游壩坡為1∶2.25和1∶3.0,1275.30m高程設一級馬道,寬3.0m。下游壩坡為1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5、1∶2.0,分別在高程1285.00m、1263.00m、1240.00m處設置馬道,寬3.0m。壩體總填筑量140.21萬m3。

2.3 大壩分區(qū)設計

工程開工建設后,通過壩體開挖、料場復勘和壩料開采的先后順序。料場1370.00m～1412.00m強風化帶厚度11m～25m;1308.20m～1370.00m之間強風化帶厚度3m～11m,弱風化帶厚約8m。因1370.00m上部開采的大多為強風化輝長巖,可用于反濾過渡料的弱及新鮮輝長巖石料較少,不能實現(xiàn)開采、填筑同步進行,且由于棄渣場占地面積較大,經濟林地和耕地征地拆遷難度較大。通過對填筑原材料和碾壓后性能的進一步試驗,壩體分區(qū)從上游至下游分別為上游堆石料區(qū)、上游過渡料區(qū),瀝青混凝土心墻料區(qū)、下游反濾過渡料區(qū)、下游堆石料區(qū)及排水帶。

2.3.1 瀝青混凝土心墻防滲體

心墻防滲體位于壩體中央,軸線與壩軸線重合,心墻頂高程1305.50m,頂部寬度0.5m,中、下部寬度0.7m,階梯型布置,漸變式擴大基礎與C25混凝土基座相接,基座下部為輝長巖[8-9]。

瀝青混凝土配合比選擇通過試驗確定,采用70#水工瀝青含量為6%～7.5%,填料10%～14%,骨料最大粒徑16mm。

2.3.2 過渡料

上、下游過渡層厚度2.9m～3.0m,心墻兩側垂直布置。采用弱及新鮮輝長巖軋制加工,最大粒徑不大于10cm,小于5mm粒徑含量10%～20%,小于0.075mm含量不大于5%,碾壓后干密度不小于2.15g/cm3,孔隙率不大于22%,滲透系數(shù)不小于5×10-2cm/s。

2.3.3 排水帶

心墻下游壩基面設置3m厚排水帶,排水帶與壩殼料之間設60cm厚反濾料。排水帶采用弱及新鮮輝長巖軋制加工,最大粒徑不大于60cm,小于5mm粒徑含量5%～15%,小于0.075mm含量不大于5%,碾壓后干密度不小于2.10g/cm3,孔隙率不大于22%,滲透系數(shù)不小于5×10-1cm/s。

2.3.4 壩殼堆石區(qū)

壩體分為四個分區(qū),采用輝長巖填筑。

Ⅰ區(qū):以死水位1275.30m為界,向上以1∶2.5壩坡至壩頂、向下1∶1.75填筑坡比至壩基、向后直至過渡層的區(qū)域,弱風化、新鮮輝長巖填筑。

Ⅱ區(qū):頂端以距下游過渡層10m為控制,按1∶0.25坡比向下傾斜直至大壩下部高程1250.50m、向后至下游壩坡的區(qū)域,強風化輝長巖填筑及利用料。

Ⅲ區(qū):為上游壩體除Ⅰ區(qū)以外的區(qū)域,強風化輝長巖填筑及利用料。

Ⅳ區(qū):為下游壩體除Ⅱ區(qū)以外的區(qū)域,弱風化、新鮮輝長巖填筑。

上下游壩體堆石料最大粒徑不大于80cm,碾壓后干密度不小于1.85g/cm3,孔隙率不大于37%,滲透系數(shù)不小于2.5×10-4cm/s。

2.3.5 堰壩結合體

堰壩結合體(上游全年圍堰Ⅲ區(qū))與上游壩殼料Ⅰ區(qū)結合,軸線布置在壩縱0-081.71處,與壩軸線平行。結合體頂高程1275.30m,最大高度31.91m,軸線204.30m;頂寬3.0m,上游邊坡1∶3.0,下游邊坡1∶1.75;強風化輝長巖填筑。上游坡面采用60cm厚干砌石護坡,結合壩體軸線布置高壓旋噴墻與壩基形成封閉防滲系統(tǒng),旋噴防滲墻墻厚0.8m,旋噴孔單排布置,孔距0.6m。

表1 大壩分區(qū)填筑工程量

3 分區(qū)設計優(yōu)化效果分析

3.1 料場開采與填筑

石料場位于大壩左岸山脊,高程1275m～1480m,長約330m,寬270m～300m,面積6.7×104m2,可開采儲量3.60×106m3,巖性為強風化輝長巖,平均厚度3m～25m。弱風化厚約8m,以下為新鮮巖體,弱及新鮮的輝長巖儲量大于1.70×106m3,弱風化輝長巖單軸飽和抗壓強度45MPa～65MPa,屬中硬巖;新鮮輝長巖飽和抗壓強度79MPa～95MPa,屬堅硬巖。無用料為表層耕植土和強風輝長巖表層接觸耕植土的一部分,厚1.5m～3.0m。

表2 料場試驗成果

表3 強風化輝長巖石料大剪試驗參數(shù)

表4 弱風化輝長巖堆石料大剪試驗參數(shù)

3.1.1 料場開采

樞紐壩體、地下洞室強風化輝長巖開挖利用料約10.35萬m3(自然方),料場開采量約126.41萬m3。料場開口線平行壩軸線,開口高程1414.00m,底高程1308.20m,最大開采高度105.80m;開采有用料為強、弱風化及新鮮輝長巖,開采量126.55萬m3(自然方),其中強風化輝長巖61.83萬m3,弱及新鮮輝長巖61.68萬m3,無用料為覆蓋層。

表5 石料場開采量

3.1.2 開采強度與填筑強度結果分析

通過石料逐月開采強度和填筑強度,2016年3月的料場開采過程中,需提前開采強風化石料4.81萬m3。此時,料場開采高程1340.00m,形成20150m2平臺,可以臨時堆放強風化料,并隨填筑逐步上壩。

表6 石料開采強度和填筑強度對比

表7 石料逐月填筑料匯總

3.2 工程占地

樞紐棄渣場規(guī)劃占地面積2.73hm2,堆渣43.72萬m3(松方)。通過壩體分區(qū)優(yōu)化調整后,棄渣場占地1.93hm2,堆渣20.68萬m3(松方);減少征地面積0.80hm2,減少棄渣外運23.04萬m3,節(jié)省工程投資約487.35萬元。

4 結語

馬鞍山水庫瀝青混凝土心墻壩將強風化輝長巖石料用于上游堰壩結合體和下游干燥區(qū),以滿足上、下游側壩體填筑材料分區(qū)盡可能對稱、盡可能使瀝青混凝土心墻在蓄水后保持鉛直受壓狀態(tài)的要求。自2018的5月蓄水以來,最大斷面累計沉降量145.17mm,最大水平位移值+78.55mm,正常蓄水位最大滲漏量0.39l/s,滿足規(guī)范及設計要求,大壩運行性態(tài)良好。運行監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,攀西昔格達地區(qū)建設瀝青混凝土心墻堆石壩是可行的,質量是可以保證的。同時通過壩料分區(qū)填筑,較多地利用了壩體及地下洞室開挖的強風化石料,對降低工程投資,減少工程占地是非常有利的,工程的運行亦可為類似工程設計提供有利參考。