沥青混凝土心墙连续转弯在水利枢纽防渗中的应用

陈 雷

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020)

1 工程概况

重庆市武隆区河心烟草援建水源工程位于重庆市武隆南部巷口镇芦红村的河心河上游，拦水坝为沥青混凝土心墙堆石坝。堆石坝坝轴线长137m，坝顶高程1294.3m，坝顶宽6.0m。上下游坝坡坡比为1:1.55，大坝最低建基面高程1260.3m，最大坝高34m。当地以种植烟草等经济作物作为主要收入来源，受制于灌溉水源保证率不足问题，作物收成难以保障，居民收入较低，总体贫穷落后。工程建成后，将解决武隆区巷口镇杨家、广坪、芦红和出水4个村共2610亩耕地的灌溉用水，改善当地农村人口的贫穷情况。

工程防渗采用沥青混凝土心墙形式，心墙为竖直式布置，心墙轴线布置在坝轴线上游1.5m处。顶部高程为1292.7m，心墙顶宽为0.6m，心墙两侧坡比为1：0.005，近底部3m位置处宽度放宽至1.8m。心墙与坝壳料间上、下游均各设一层水平宽度为3m的过渡层。心墙底部设3m厚C25混凝土基座，心墙与基座连接处凿毛，然后喷涂稀释沥青，最后涂一层1～2cm砂质沥青玛蹄脂。沥青心墙与基座接触处纵向周边缝设两道“W”型铜片止水。

工程所在流域地处亚热带湿润气候区，气候主要表现为冬寒、夏热、秋阴，气温较低，湿度大，雨量充沛，阴雨天多，晴天少，无霜期长，受大陆性季风影响显著，灾害性天气频繁。多年平均相对湿度为79.0%，多年平均风速1.6m/s，多年平均最大风速18m/s，极端最大风速31m/s。所在区域冬季极易起雾，温度较低，时常出现霜降和降雪情况。

2 工程沥青混凝土心墙转弯布置及可能不利影响

工程选址时考虑了上下坝址，两坝址均具备建坝条件。上坝址在地形条件、库区情况等方面要优于下坝址；下坝址的交通条件、工程布置以及工程投资上又有较明显的优势。综合考虑，下坝址建设条件及工程投资较优，最终选择下坝址作为工程推荐坝址。但推荐坝址处地形相对较复杂。坝址处河心河由南向北流入，河谷由开阔变狭窄，河道较顺直，岩层倾向下游，为横向谷地质结构。其中公路上游约25m为已损毁原土坝坝线位置，左岸堆积有厚度较大的覆盖层，公路下游河流比降增大。河谷横断面呈开阔“U”型，河床宽10～20m，河床高程1265～1266m，水库正常蓄水位1292.5m时谷宽151～156m。坝址右岸前部坝肩较雄厚，后部地形陡降。右岸尚有一浅切沟由南东向北西方向汇入。左岸下游段地形坡角23～25°，地表堆积有残坡崩积堆积物，向上游地形变陡，地形坡角约为45°，可见基岩出露地表。右岸地形高程1285m以下地形坡角30°～42°，高程1285m以上地形坡角15°～25°。

坝址岩性主要为页岩及粉砂质页岩，基本呈现垂直风化分带特征，根据钻孔揭示，其风化特征是表层岩体强风化，岩心破碎多呈碎粒及碎块，其下岩体弱风化，岩心多呈柱状。左坝肩强风化带厚0.50～9.70m，相应底界高程1256.30～1299.60m，其中ZK18、ZK19等孔覆盖层厚度大但强风化层厚度较小，分析可能原属河床，后经崩坡积及人工堆积覆盖而成。

根据枢纽地形情况，本工程基岩为页岩，承载力较低，不适合修建坝高30m以上的重力坝。柔性坝坝型选择面板堆石坝和心墙堆石坝作为对比。坝体高度30～40m，堆石料抗剪强度较高，面板堆石坝坝坡坡比为1∶1.4，心墙坝坝坡坡比为1∶1.55，心墙堆石坝较面板堆石坝坝体填筑料略多，但心墙堆石坝较面板堆石坝防渗线更短。总体经济性心墙堆石坝较优，故工程采取沥青混凝土心墙堆石坝作为拦水坝。

大坝枢纽布置河床为沥青混凝土心墙堆石拦水坝，右坝肩设置重力泄水低坝、取水塔和取水隧洞。为衔接右岸泄洪建筑物，适应枢纽地形，同时降低工程投资，大坝轴线需在坝轴线桩号坝横0+100m至坝横0+130m位置进行转折，坝轴线转折形态总体呈“S”型。为配合坝轴线的转折，本工程沥青混凝土心墙在坝轴线桩号坝横0+095.83至坝横0+105.86位置和桩号坝横0+123.07m至坝横0+133.42位置处分别设置转折。桩号坝横0+095.83至坝横0+105.86位置转弯半径为18m，弧长为10.1m；桩号坝横0+123.07m至坝横0+133.42位置转弯半径为18m，弧长为10.7m。如图1所示，坝轴线转弯后，轴线长度较直线段减少约26m，坝体最大基础宽度和总体填筑量减少，溢洪道进水泄水更加平顺，提高了工程泄洪安全性，工程建筑投资减少约850万元。

大坝坝轴线转弯后对工程布置带来了有利的影响，但对沥青混凝土心墙的设计和施工提出了较高的要求。心墙连续转弯呈“S”型后的受力情况较直线心墙与拱形心墙复杂， “S”弯间的连接情况较直线心墙更易发生形变。转弯段心墙的弯曲、拉伸极易产生较大的变形，使心墙的孔隙率不满足防渗要求产生渗漏。故心墙连续转弯对沥青混凝土心墙防渗存在着不利影响，需采取工程措施消除隐患。

3 为保证心墙转弯段防渗效果采取的措施

为增强转弯段心墙的物理强度，减小心墙不利变形，确保心墙防渗安全可靠，工程设计中采取了以下措施：

工程沥青混凝土心墙采用了最大粒径不超过19mm的新鲜灰岩作为粗骨料、粗骨料原料为碱性，质地坚硬，加热过程中不易出现开裂、分解等现象，与沥青黏附力强，坚固性较好；采用了粒径在2.36～0.075mm的灰岩人工砂材料作为细骨料，细骨料在密度，水稳定性等级、吸水率和含泥量等方面均满足沥青混凝土心墙规范要求；心墙填料采用了白云岩矿粉和石灰岩矿粉，均进行了密度试验、含水率试验、亲水系数试验及级配筛分试验，选取满足要求的矿粉填料；采用了针入度、延度、软化点、溶解度、闪点、密度等均满足规范要求的克拉玛依70号A级沥青作为沥青混凝土心墙的原料。从原料上严格把控，确保心墙使用满足要求和规范的合格原料。

同时在心墙浇筑前对沥青混凝土配合比进行了四种不同配合比的试验，选取了配合比最优值。根据不同骨料级配指数、不同矿粉含量和不同油石比组成各种不同配合比，通过孔隙率、变形和强度试验，选择出满足工程要求的较优配合比沥青混凝土。

设计从坝体桩号坝横0+090.83—0+095.83和桩号坝横0+138.42—0+133.42，将心墙厚度逐渐从0.6m渐变为0.8m，使桩号坝横0+095.83—0+133.42段心墙厚度为0.8m。转弯段心墙加厚后，对其自身的刚度有较大提高，同时更有利于心墙在坝体蓄水受力变形后的“自愈”，提高防渗的可靠性。

图1 心墙轴线平面布置图

对右岸桩号坝横0+123.07处发育卸荷裂隙位置心墙基座进行刻槽处理，减少心墙位移隐患。开挖揭示卸荷裂隙长约16m，深度约1.6m，顶部裂隙张开最宽处为1m。先采用C15混凝土对裂隙进行充填，随后设置心墙键槽，键槽深度为2.5m，键槽底宽为2m，键槽侧边坡比为1∶0.2的倒坡，刻槽长度为20m。

转弯段上下游心墙过渡层及下游坝体堆石料均采用新风化灰岩料，保证上下游填料的支撑作用。心墙两侧过渡料应与心墙同时铺筑碾压，过渡层厚为3000mm，均选用坚硬、无污染、耐风化和具有较强抗水性的灰岩料。过渡料要求具有连续级配，最大粒径不大于80mm，小于5mm的含量为25%～40%，小于0.075mm的含量不超过5%，渗透系数K≥5×10-2cm/s，控制压实干密度2.16g/cm3，孔隙率不大于21%。下游堆石料最大粒径不超过600mm，小于50mm 的含量不超过20%，渗透系数K≥5×10-2cm/s。设计干密度2.16g/cm3，孔隙率不大于21%。

工程地处重庆市山区，海拔约1300m，当地冬季多雾多雨，湿度较大、温度较低。工程心墙浇筑高峰期处于秋冬季节，在施工中采取不间断烘烤方法；同时沥青从恒温罐至拌和楼应采用外部保温的双层管道输送，内管与外管管间可通导热油，以避免沥青在输送过程中凝固堵塞管道，保证沥青混合料出机口温度控制在165～175℃。各种措施对沥青混凝土入仓和填筑温度提供了有力的保障，保证沥青混凝土心墙在冬季的浇筑质量。

4 结语

现工程已顺利蓄水至设计正常蓄水位。位于桩号坝横0+122.67处的渗压计P6显示2019年8月4日蓄水初期渗透压力为14.271kPa，2019年10月12日稳定蓄水两月后渗透压力为14.328kPa；同桩号位置的心墙位移计SR3 2019年8月4日蓄水初期位移为-1.16mm，2019年10月12日稳定蓄水两月后位移为-1.23mm；位于桩号坝横0+089.98处的心墙固定式测斜仪IN5、IN6与IN7显示2019年8月4日蓄水初期数据分别为-2411、765、712，2019年10月12日稳定蓄水两月后数据分别为-2407、773、710。根据监测仪器反馈资料，所有监测数据反应变化情况均在可接受范围内，且数据变化幅度为逐渐缩小趋势，证明工程心墙变形情况趋于稳定，防渗效果良好。

通过工程实践，沥青混凝土心墙在实际应用中，通过科学的工程设计和正确的施工方法，是可以根据工程要求进行连续转弯的，转弯段的心墙变形和防渗性质满足工程对沥青混凝土心墙的防渗要求。