新疆严寒地区某水电站浇筑式沥青混凝土心墙坝的设计

廖腾耀，吴俊杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

在水利工程中，沥青混凝土已经被广泛应用于大坝防渗材料[1]。由于心墙在坝体内部，气候对其各项性能影响很小，适应变形能力强，抗震性能好，施工较简单方便，因而近几年发展较快，沥青混凝土心墙坝的建造也逐渐增多[2]。沥青混凝土心墙在施工方法上分为碾压式和浇筑式两种[3]。由于浇筑式沥青混凝土心墙坝是适合于寒冷地区修建的一种坝型，因其浇筑式沥青混凝土靠自重压实，不需要碾压机械，柔韧性好，可以全年施工，从而大大缩短了工期[4]。新疆严寒地区某水电站工程最大的设计难点是工程所在地春秋相连，夏季短暂，冬季寒冷而漫长，极端最低气温为-49.8℃，坝址处最大冻土深取高限值230 cm。采用传统的碾压式沥青混凝土心墙，施工温度不能过低，但该坝址可施工时间有限将导致整个工期延后，无形中增加了工程投资。

该水电站工程与我国东北地区的白河水库极为相似，都处于高寒区域，工程设计人员在我国第一次采用浇筑式沥青混凝土筑坝，到目前为止一直处于稳定状态[5-7]。该工程8月下旬截流，坝体施工在9月份至次年4月份完成，沥青混凝土心墙在较低温度下填筑，部分需在负温下填筑，浇筑式沥青砼心墙可满足工程需要，并节约工程费用。因此，对于我国西部地区高寒地区来说，浇筑式沥青混凝土心墙坝应是比较合适的坝型方案[8-10]。

1 工程概况

该水电站工程由引水枢纽大坝、溢洪道、泄洪洞、发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成，总库容0.17×108m3，装机容量200 MW，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等工程。浇筑式沥青混凝土心墙坝坝顶宽度为8.0 m，最大坝高43.5 m，坝长170 m。坝顶上游侧设置L型钢筋混凝土防浪墙。上游坝坡比为1∶2.0，下游坝坡比为1∶1.5，上游坝坡采用混凝土板护坡，下游坝坡采用混凝土网格梁填干砌块石护坡。坝体填筑料分区为：上游爆破料区、过渡料区，沥青砼心墙，下游过渡料区、爆破料区，坝体标准横剖面见图1。根据气象统计，工程所在地最低极端温度-49.8℃，最高极端温度40.2℃，多年平均温度2.71℃，最大积雪深75 cm，最大冻土深取高限值230 cm，坝址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为203.9 gal。

图1 坝体标准横剖面

2 浇筑式沥青混凝土心墙设计

2.1 浇筑式沥青混凝土心墙结构设计

由于垂直式沥青混凝土心墙工程量较小且施工工艺简单，为了改善坝体受力状态，同时能更好地与防浪墙衔接，将心墙轴线靠上游侧布置，心墙轴线与坝轴线间距为2.75 m。该工程最大坝高为43.5 m，心墙采用等厚设计宽0.5 m，底部墙厚渐变为2 m，与混凝土基座连接。

2.2 坝基及坝肩基础处理

左右坝肩大部分岸坡基岩裸露，出露岩性为志留系库鲁姆提群(Skl)的变质碎屑岩组成，主要岩性为灰白色云母石英片岩和灰绿色含十字黑云绿泥石英片岩。右坝肩地形略陡，局部近直立，岸坡坡度35°～80°，局部表层覆盖少量的第四系坡积碎石土(Q4dl)，较松散，厚度为1.0～4.0 m。岸坡沥青心墙基础建在弱风化基岩面上，心墙和岸坡岩石基础的连接混凝土盖板厚1.2 m。沥青混凝土心墙底部与混凝土底板连接之间涂刷厚1 cm沥青玛蹄脂，以增大黏结力并适应心墙水平变形，接缝设置止水片。心墙上下游两侧的岩石开挖边坡取1∶0.5，覆盖层砂砾石的开挖边坡取1∶1.5。上下游坝壳部位原则上清除表层1～2 m的松散体，边坡不允许存在倒坡及直立陡坡。在心墙混凝土盖板下进行固结灌浆，灌浆深度为5 m，2排孔距取3 m。帷幕灌浆为1排，孔距取2 m，深度以小于5 Lu线和1/3坝高为控制标准，帷幕最大深度为20 m。

河床坝基较平坦，该处仅清除表层1～2 m左右的松散体，防渗墙建在砂砾石覆盖层上，砂砾石覆盖层最大深度31 m，为了增强防渗效果，心墙下设置混凝土基座，厚2 m，宽3 m。基座下与混凝土防渗墙连接，截断沿河床深覆盖层的渗漏通道，最终形成全封闭式防渗系统。混凝土防渗墙厚0.8 m，伸入基岩内1 m，最大墙深为30.3 m。

2.3 坝壳料设计

由于储量充足，采用C3料场的天然砂砾料进行筛分，取得过渡料Ⅰ；而过渡料Ⅱ采用C3天然砂砾料全料；采用P1块石料场的爆破料填筑坝体。

采用工程类比法，该工程堆石料的设计级配初定为：粒径小于0.075 mm颗粒的含量不能大于5%，粒径小于5 mm颗粒的含量不能大于20%，且不均匀系数Cu大于25，粒径小于5 mm颗粒的含量不超过20%，粒径小于25 mm颗粒的含量不超过35%，最大粒径600 mm。爆破料来源于P1块石料场的爆破石料。初定堆石料设计和填筑标准为，内摩擦角大于40°，孔隙率n小于等于23%，干容重γd=21～23 kN/m3，铺层厚度0.8 m。

2.4 过渡料设计

过渡层主要功能是给心墙上下游两侧提供均匀支撑，所以过渡层颗粒必须是级配良好的且质地坚硬，同时最大粒径不得大于沥青混凝土骨料最大粒径的8倍。本工程取用：过渡料Ⅰ最大颗粒直径取80 mm，且粒径小于5 mm的颗粒的含量不能大于30%，同时渗透系数K不能小于1.0×10-3cm/s，相对紧密度Dr≥0.85，过渡料Ⅰ采用C3料场的料筛分。过渡料Ⅱ采用C3天然砂砾料全料，其粒径小于150 mm的颗粒占90%～95%，相对紧密度Dr≥0.85，C3料场特征参数见表1。

表1 C3料场特征参数

2.4.1 过渡料Ⅱ与过渡料Ⅰ层间关系复核

被保护土为过渡料属于无黏性土，根据规范过渡料Ⅰ不均匀系数Cu>8，过渡料Ⅰ曲率系数Cc≠1～3说明其级配不连续，应取小于5 mm以下的粒径作为细粒进行计算。过渡料Ⅰ级配线：d85=1.35 mm，d15=0.122 mm。过渡料Ⅱ级配线：D15=0.25 mm。根据规范D15/d85≤4～5，满足保土性准则；D15/d15≯5，不满足排水性准则。计算结果表明，过渡料Ⅱ对于过渡料Ⅰ可满足保土性准则，但不满足排水性准则。过渡料Ⅱ虽然不满足排水性准则，但过渡料Ⅱ是天然砂砾料全料，渗透系数较大，具有良好的透水性，能够通畅地将渗水排出。

2.4.2堆石料与过渡层Ⅱ间关系验算复核：

通过级配曲线，可以得到过渡料Ⅱ的d85=72 mm，d15=0.25 mm。堆 石料D15=1.6 mm，通过计算可知D15/d15>5满足排水要求，D15/d85≤4～5满足滤土要求。

2.5 坝体渗流稳定计算

坝体渗流计算以沥青混凝土心墙坝最大断面为计算剖面，采用二维有限元计算正常蓄水位1 071.0 m、设计洪水位1 071.6 m、校核洪水位1 073.8 m 3个工况下坝体浸润线、等势线、坝体和坝基渗流量和各部位的渗透比降，确定库水位降落时浸润线位置；堆石料、围堰渗透系数为0.1 cm/s，过渡料Ⅰ为0.04 cm/s，覆盖层为0.052 cm/s，过渡层Ⅱ为0.06 cm/s，沥青心墙为1.0×10-7cm/s，混凝土防渗墙、基座为1.0×10-7cm/s。计算结果见表2，坝内浸润线及流速矢量线见图2。

表2 稳定渗流期计算结果

图2 正常蓄水位坝内浸润线及流速矢量线示意图+Ⅷ度地震坝上下游坝坡稳定计算成果图

从图2坝内浸润线可知，心墙的防渗效果明显且渗漏量较小。由表2计算结果可知，下游坝脚(坡脚)、坝基等各部位的最大水力梯度值均小于允许值，因此判断坝基及出逸点将不会发生渗透破坏。

2.6 坝体边坡稳定计算

评价坝体的边坡稳定性对大坝安全运行至关重要，通常设计人员根据经验初步拟定的坝坡是需要通过计算进行论证是否合理的。为了坝坡安全性提出适当放缓上下游坝坡的抗震措施，初拟的上游坝坡1∶2.0，下游坝坡1∶1.5，计算主坝的标准剖面在以下3种工况时坝体的稳定性，即正常运用条件对应正常蓄水位(1 071.0 m)稳定渗流期、非常运用条件Ⅰ对应施工期、非常运用条件Ⅱ对应正常蓄水位稳定渗流期遇Ⅷ度地震的上下游坝坡稳定性。静力计算采用简化毕肖普法，动力计算方法采用拟静力法分析坝坡稳定性，选取的参数见表3。

表3 坝坡稳定分析计算参数表

从表4可以得出，上述3个工况下，大坝上下游坝坡的抗滑稳定最小安全系数都大于规范允许值；图2列出了正常蓄水位+遇Ⅷ度地震时上下游坝坡稳定计算成果，该工况为上述3个工况的控制工况，表明地震时是大坝稳定最不利工况，通过设计提出抗震措施，即适当提高上下游坝坡坡比，以保证坝坡满足设计要求。坝坡稳定分析计算成果见表4。

表4 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数

3 结 论

1) 针对浇筑式沥青混凝土靠自重压实、不需要碾压机械、柔韧性好、可以全年施工，从而大大缩短工期的特点，本文采用浇筑式沥青混凝土心墙作为大坝防渗体，以缩短严寒地区心墙坝施工周期，减少工程投资。

2) 根据规范及该工程的设计难点，本文设计了浇筑式沥青心墙结构，对坝基及坝肩基础进行了处理，计算得出符合该工程的坝壳料。同时，计算初拟体型在各个工况下的渗透稳定性与抗滑稳定性均能满足设计要求。