马鞍山水库沥青混凝土心墙堆石坝分区优化设计研究

李胜东,张中兵,秦开文,舒晴,李军

(1.内江水利电力勘察设计研究院有限公司,四川内江,641000;2.米易县马鞍山水利工程运行中心,四川米易,617209;3.中水君信工程勘察设计有限公司,成都,610073)

0 引言

基于沥青混凝土粘弹塑性材料力学性能复杂、施工环境要求苛刻、施工工艺技术难度较大的特性,容易出现质量安全问题[1]。近二十年来,通过沥青混凝土心墙堆石坝坝型的不断应用和推广,设计理论和工程经验有了进一步的提升,施工工艺和工程材料有了进一步的发展[2]。大量监测数据表明,沥青混凝土心墙堆石坝坝型在抗震性能、适应变形能力方面的优势是明显的,施工过程中通过严格控制工程材料、施工工艺,质量是可以保证的[3]。

本文以马鞍山水库坝体为例,综合考虑征地、料场等因素优化坝体分区设计,实现节约征地范围和工程投资,为攀西地区沥青混凝土心墙堆石坝建设提供了经验[4-5]。

1 工程概况

马鞍山水库位于四川省攀枝花市米易县丙谷镇芭蕉箐村境内,坝址距米易县17.0km,是一座以灌溉和乡村供水为主,兼顾生态环境用水的中型水利工程。水库包括枢纽工程和灌区工程两部分。枢纽工程主要由沥青混凝土心墙堆石坝、开敞式溢洪道、放空隧洞和南北干渠放水隧洞组成。水库总库容1136万m3,正常蓄水位1305.00m,设计洪水位1306.28m,校核洪水位1306.82m,坝顶高程1307.00m。

坝址两岸基本对称,呈“V”形狭谷;河谷谷底狭窄,宽2m～26m,河床高程1231.00m～1252.40m,局部基岩裸露,覆盖层厚1.0m～5.5m,主要为漂卵砾石夹砂,结构松散～稍密,局部架空;河床、左右岸坝基下部地基岩性为辉长岩,右岸坝基上部为第三系上新统昔格达组粘土岩和砂岩。河床坝强、弱风化带厚度分别为0～8.8m、9.3m～12.6m。左右岸大多基岩裸露,自然坡角10°～35°,两岸自然坡高65m～107m;强、弱风化带厚度分别为11.95m～45.1m、1.96m～17.5m;大部分由昔格达页岩、粘土岩和风化辉长岩组成,局部裂隙发育,岩层水平微倾坡内,反向坡;除发育陡倾角构造裂隙外,无大的不利结构面。地震基本烈度为Ⅶ度。

2 坝型选择及坝体分区设计

2.1 坝型选择

坝址区内出露第四系松散堆积层、第三系上新统昔格达组及二叠系闪长岩地层。坝址左岸开挖10m～20m左右满足修建刚性坝的基础要求,但由于山体陡峭,不利于基础深层开挖。右岸为昔格达组粘土岩与粉砂岩互层,承载力较低且在扰动下易遇水软化,不利于坝体稳定,因此本工程不宜采用刚性坝坝型[6]。

工程区广泛分布辉长岩,坝址区50km内无储量及质量均能满足防渗要求的粘土料场,故采用沥青混凝土心墙堆石坝坝型[7]。

2.2 大坝剖面设计

大坝顶长263.0m,宽8.0m,最大坝高68.0m,坝基最大宽度为370m。上游坝坡为1∶2.25和1∶3.0,1275.30m高程设一级马道,宽3.0m。下游坝坡为1∶2.25、1∶2.5、1∶2.5、1∶2.0,分别在高程1285.00m、1263.00m、1240.00m处设置马道,宽3.0m。坝体总填筑量140.21万m3。

2.3 大坝分区设计

工程开工建设后,通过坝体开挖、料场复勘和坝料开采的先后顺序。料场1370.00m～1412.00m强风化带厚度11m～25m;1308.20m～1370.00m之间强风化带厚度3m～11m,弱风化带厚约8m。因1370.00m上部开采的大多为强风化辉长岩,可用于反滤过渡料的弱及新鲜辉长岩石料较少,不能实现开采、填筑同步进行,且由于弃渣场占地面积较大,经济林地和耕地征地拆迁难度较大。通过对填筑原材料和碾压后性能的进一步试验,坝体分区从上游至下游分别为上游堆石料区、上游过渡料区,沥青混凝土心墙料区、下游反滤过渡料区、下游堆石料区及排水带。

2.3.1 沥青混凝土心墙防渗体

心墙防渗体位于坝体中央,轴线与坝轴线重合,心墙顶高程1305.50m,顶部宽度0.5m,中、下部宽度0.7m,阶梯型布置,渐变式扩大基础与C25混凝土基座相接,基座下部为辉长岩[8-9]。

沥青混凝土配合比选择通过试验确定,采用70#水工沥青含量为6%～7.5%,填料10%～14%,骨料最大粒径16mm。

2.3.2 过渡料

上、下游过渡层厚度2.9m～3.0m,心墙两侧垂直布置。采用弱及新鲜辉长岩轧制加工,最大粒径不大于10cm,小于5mm粒径含量10%～20%,小于0.075mm含量不大于5%,碾压后干密度不小于2.15g/cm3,孔隙率不大于22%,渗透系数不小于5×10-2cm/s。

2.3.3 排水带

心墙下游坝基面设置3m厚排水带,排水带与坝壳料之间设60cm厚反滤料。排水带采用弱及新鲜辉长岩轧制加工,最大粒径不大于60cm,小于5mm粒径含量5%～15%,小于0.075mm含量不大于5%,碾压后干密度不小于2.10g/cm3,孔隙率不大于22%,渗透系数不小于5×10-1cm/s。

2.3.4 坝壳堆石区

坝体分为四个分区,采用辉长岩填筑。

Ⅰ区:以死水位1275.30m为界,向上以1∶2.5坝坡至坝顶、向下1∶1.75填筑坡比至坝基、向后直至过渡层的区域,弱风化、新鲜辉长岩填筑。

Ⅱ区:顶端以距下游过渡层10m为控制,按1∶0.25坡比向下倾斜直至大坝下部高程1250.50m、向后至下游坝坡的区域,强风化辉长岩填筑及利用料。

Ⅲ区:为上游坝体除Ⅰ区以外的区域,强风化辉长岩填筑及利用料。

Ⅳ区:为下游坝体除Ⅱ区以外的区域,弱风化、新鲜辉长岩填筑。

上下游坝体堆石料最大粒径不大于80cm,碾压后干密度不小于1.85g/cm3,孔隙率不大于37%,渗透系数不小于2.5×10-4cm/s。

2.3.5 堰坝结合体

堰坝结合体(上游全年围堰Ⅲ区)与上游坝壳料Ⅰ区结合,轴线布置在坝纵0-081.71处,与坝轴线平行。结合体顶高程1275.30m,最大高度31.91m,轴线204.30m;顶宽3.0m,上游边坡1∶3.0,下游边坡1∶1.75;强风化辉长岩填筑。上游坡面采用60cm厚干砌石护坡,结合坝体轴线布置高压旋喷墙与坝基形成封闭防渗系统,旋喷防渗墙墙厚0.8m,旋喷孔单排布置,孔距0.6m。

表1 大坝分区填筑工程量

3 分区设计优化效果分析

3.1 料场开采与填筑

石料场位于大坝左岸山脊,高程1275m～1480m,长约330m,宽270m～300m,面积6.7×104m2,可开采储量3.60×106m3,岩性为强风化辉长岩,平均厚度3m～25m。弱风化厚约8m,以下为新鲜岩体,弱及新鲜的辉长岩储量大于1.70×106m3,弱风化辉长岩单轴饱和抗压强度45MPa～65MPa,属中硬岩;新鲜辉长岩饱和抗压强度79MPa～95MPa,属坚硬岩。无用料为表层耕植土和强风辉长岩表层接触耕植土的一部分,厚1.5m～3.0m。

表2 料场试验成果

表3 强风化辉长岩石料大剪试验参数

表4 弱风化辉长岩堆石料大剪试验参数

3.1.1 料场开采

枢纽坝体、地下洞室强风化辉长岩开挖利用料约10.35万m3(自然方),料场开采量约126.41万m3。料场开口线平行坝轴线,开口高程1414.00m,底高程1308.20m,最大开采高度105.80m;开采有用料为强、弱风化及新鲜辉长岩,开采量126.55万m3(自然方),其中强风化辉长岩61.83万m3,弱及新鲜辉长岩61.68万m3,无用料为覆盖层。

表5 石料场开采量

3.1.2 开采强度与填筑强度结果分析

通过石料逐月开采强度和填筑强度,2016年3月的料场开采过程中,需提前开采强风化石料4.81万m3。此时,料场开采高程1340.00m,形成20150m2平台,可以临时堆放强风化料,并随填筑逐步上坝。

表6 石料开采强度和填筑强度对比

表7 石料逐月填筑料汇总

3.2 工程占地

枢纽弃渣场规划占地面积2.73hm2,堆渣43.72万m3(松方)。通过坝体分区优化调整后,弃渣场占地1.93hm2,堆渣20.68万m3(松方);减少征地面积0.80hm2,减少弃渣外运23.04万m3,节省工程投资约487.35万元。

4 结语

马鞍山水库沥青混凝土心墙坝将强风化辉长岩石料用于上游堰坝结合体和下游干燥区,以满足上、下游侧坝体填筑材料分区尽可能对称、尽可能使沥青混凝土心墙在蓄水后保持铅直受压状态的要求。自2018的5月蓄水以来,最大断面累计沉降量145.17mm,最大水平位移值+78.55mm,正常蓄水位最大渗漏量0.39l/s,满足规范及设计要求,大坝运行性态良好。运行监测数据表明,攀西昔格达地区建设沥青混凝土心墙堆石坝是可行的,质量是可以保证的。同时通过坝料分区填筑,较多地利用了坝体及地下洞室开挖的强风化石料,对降低工程投资,减少工程占地是非常有利的,工程的运行亦可为类似工程设计提供有利参考。