高海拔地區(qū)土石壩技術研究

張寶瓊，林賽，陳紅齊

（云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021）

1 概述

桑那水庫位于云南省迪慶藏族自治州中甸縣縣城東南的桑那河上，是云南省迪慶藏族自治州唯一的一座中型水庫。桑那水庫所處海拔3 300 m，是云南省目前海拔最高的水庫（壩頂高程3 324.70 m），最大壩高36.2 m，總庫容1 500.4萬m3，水庫距縣城僅4.5 km，中甸至三壩鄉(xiāng)、洛吉鄉(xiāng)的鄉(xiāng)村公路從庫區(qū)通過，距昆明約720 km，對外交通十分方便。

桑那水庫控制流域面積74.5 km2，屬完全年調節(jié)水庫，總庫容1 500.4萬m3，灌溉面積5.56萬畝，下游防洪保護農田0.25萬畝。水庫樞紐工程由主壩、導流輸水隧洞、溢洪道等建筑物組成，灌溉干渠包括南干渠、北干渠。

大壩為黏土心墻石碴壩，壩頂高程3 324.70 m，壩頂寬6.0 m，壩頂長253 m，最大壩高36.8 m。壩坡上下游均為1.0∶1.8、1.0∶2.0。黏土心墻坡比為1.00∶0.25，心墻頂高程3 324.0 m，壩頂高程3 324.7 m，根據此地冰凍厚度為0.7 m，心墻至壩頂相距0.7 m，上部填石碴作防凍保護作用[1-2]。反濾砂采用了部分天然砂，巖性為白云質灰?guī)r，質堅硬。反濾砂采用了部分天然砂，巖性為白云質灰?guī)r，質堅硬。

水庫于2002年5月下閘蓄水，運用12年以來，建筑物運行正常，無不良反應。

2 工程地質條件

桑那水庫工程庫區(qū)及其周邊主要分布中生界上三疊統（T3）碎屑巖，第四系上更新第二間冰期沖積湖（al+IQ3）以及第四系全新統松散層兩類地層。桑那水庫工程地質構造復雜，各種小斷裂，小褶曲也很發(fā)育，巖層產狀不甚穩(wěn)定，巖體裂隙雜亂密集，巖石極破碎。壩基巖層以強化風化砂巖、泥頁巖、板巖及灰?guī)r為主。壩軸線左岸上游卸荷松弛帶不穩(wěn)定。河床為砂卵礫石層厚度較大，存在滲漏問題及滲透變形問題。左岸坡表部存在卸荷松弛帶，風化強烈，存在抗滑穩(wěn)定及壓縮變形問題，清基深度較大，右岸坡穩(wěn)定性較好，只清除松散殘坡積層。本區(qū)地震基本烈度為“Ⅶ”度。

3 設計方案研究

3.1 工程氣候特點

桑那水庫所處位置及控制灌區(qū)海拔在3 280～3 340 m之間，屬寒溫帶氣候，其特點：太陽輻射強，干濕分明，冬長無夏。多年平均氣溫為5.4 ℃，極端最低氣溫為-27.4 ℃，最高氣溫為23 ℃。一年中只有春雨季和冬雪季。每年十月開始降雪，直到次年的四月才開始春天。中甸縣多年平均氣溫統計表見表1。

表1 中甸縣多年平均氣溫統計表Tab. 1 Average temperature statistics for years in Zhongdian county ℃

從表1看出，中甸最冷是每年的12月至次年2月，2000年的1月平均氣溫低于-5 ℃，冬季冰層厚達20 cm，冬季會造成凍土，不能填筑，待冰凍解凍后大壩方可填筑。

由于當地氣候寒冷，海拔高，凍融循環(huán)次數不同于我國北方地區(qū)，冬季一天有兩個循環(huán)次數，混凝土的施工不僅要考慮天氣影響，同時需考慮施工機械保證有效出力[3-4]。

3.2 大壩設計措施

主壩為黏土心墻石碴壩，壩頂高程3 324.70 m，壩頂寬6.0 m，壩頂長253 m，最大壩高36.8 m。桑那水庫大壩為黏土心墻石碴壩，壩殼料石碴的摩擦角準＝34.5°，容重γ＝1.95 m3/s，壩坡上下游均為1.0∶1.8、1.0∶2.0。黏土心墻坡比為1.00∶0.25，心墻頂高程至3 324.0 m，壩頂高程3 324.7 m。根據此地冰凍厚度為0.8 m，心墻頂至壩頂設計相距0.8 m，上部采用石碴作防凍保護作用[3，5]，在大壩護坡設計上充分利用石料的抗凍性，大壩上、下游護坡均采用塊石護坡，要求塊石的粒徑大于30 cm，重量大于50 kg。

3.3 有效施工工期研究

桑那水庫工程所在地區(qū)10月開始下雪，到次年4月，5月底進入雨季，無霜期123.8天，因此工程施工除雨季受降雨影響外，一般情況下施工的黃金季節(jié)冬季也因氣溫較低而影響了正常的施工[6]，使全年可施工時段縮短。

黏土心墻石碴壩施工受防滲料即粘土料填筑控制[2]，黏土在雨季施工不易控制含水量，在冬季由于當地氣溫寒冷，形成0.8 m厚的凍土層，粘土填筑一層僅厚0.3 m，冬季將凍土層達到0.8 m的極限天排除，因此黏土心墻石碴壩施工期為3月～5月，10月～11月兩個時段，計5個月。參照施工組織設計規(guī)范確定，經統計分析，黏土填筑有效施工天數130天，混凝土有效施工天數179天。云南省其他一些地區(qū)施工天數在200天左右，只受雨季影響，而桑那水庫冬季的12～2月黃金季節(jié)不能施工，造成水庫施工期較短。

施工安排上，利用好有效的施工期，首先填筑粘土。

3.4 壩料施工研究

負溫下填筑范圍的壩基在凍結前應處理好[3，4，6]，并預先填筑1～2 m或采取其他防凍措施，以防壩基凍結。壩基被凍結時，須仔細檢查基凍結后無顯著冰夾層和凍脹現象時，并經工地施工技術負責人批準后，方可填筑壩體；否則，非經處理不準填筑。

由于負溫下填筑的黏土含水量難于控制，黏土含水量略低于塑限，防滲體土料含水量不應大于塑限的90%；施工各種壩料填筑應加大壓實功能，采用重型碾壓機械。黏土含水量在上壩期間隨時檢查，含水量過高時，在料場采取挖排水溝，在料場上覆蓋三色塑料薄膜作保護。

負溫下填筑，作好壓實土層的防凍保溫工作，避免土層凍結。心墻部分的不允許凍結，一旦凍結必須將凍結部分挖除。石碴料壓實層，如凍結后的干容量仍達到設計要求，可繼續(xù)填筑。

粘土低溫下施工，采取鋪土保護，次天待凍土解凍后，再碾壓密實，滿足設計指標后方可填筑下一層，遇降雨、降雪，采取薄膜覆蓋，保護施工黏土場地，包括料場。

大壩基礎開挖后進行灌漿蓋板澆筑，冬季混凝土蓋板及壩基保護采取引水保護[2]，水與岸坡結合部位易形成冰凍，對這部分采取塑料薄膜加石碴覆蓋，沒有水的地方用覆蓋石碴保護措施。

3.5 岸坡處理研究

左岸坡滑坡體HP2及HP3，采取削坡、壓腳處理，工程量計入壩體工程量中，土石方削坡4 500 m3，壓腳回填土石方2 000 m3。實際施工兩滑坡體均系破碎結構，巖石因卸荷松弛致使巖塊間喪失咬合力，大壩岸坡清基后，下部形成臨空，致使上部滑坡體失穩(wěn)、坍塌，坍塌面積擴大相連，對左岸坡采取削坡、護坡、排水措施處理，工程量較上述工程量增加大。右岸坡因上部壩基削坡及底部修施工道路，使坡面臨空，邊坡開裂坍塌，采取削坡、壓腳處理措施。

由于凍融循環(huán)易造成邊坡失穩(wěn)，邊坡開挖均需放緩[2]，開挖后的邊坡要采取有重力作用的漿砌石擋墻型式的防護措施，砌筑砂漿中均摻入抗凍劑，才能使邊坡達到抗凍穩(wěn)定。

3.6 混凝土抗凍研究

設計針對當地氣溫低，凍融循環(huán)次數頻繁，在永久暴露表面混凝土表面配置溫度鋼筋，澆筑混凝土時摻入抗凍劑、減水劑、速凝劑，同時采取保溫措施[2]。

4 結語

桑那水庫位于香格里拉縣，是云南省第一座在高海拔3 300 m的高寒地區(qū)修建的中型水庫，當地冬季氣溫低（最低氣溫-27.4 ℃），對壩基開挖、填筑、混凝土澆筑施工帶來很大影響；在壩體填筑中，合理安排工期，充分利用有效填筑時間；負溫下施工采取防凍措施，邊坡開挖采取防護措施；土料避開低溫期施工，施工中解決好大壩防滲料含水量；冬季壩基、各種壩料防凍保護，施工中隨時檢查黏土含水量，在料場采取挖排水溝；開挖過的土料場上以及填筑好的防滲心墻上覆蓋三色塑料薄膜加渣料作保護等保溫防凍措施。桑那水庫竣工驗收十年，水庫運行正常。

[1] 中華人民共和國水利部. SL274-2001 碾壓式土石壩設計規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2002.

[2] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會. DL/T5129-2001碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]. 北京：電力出版社，2001.

[3] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會. DL5073-2000 水工建筑物抗震設計規(guī)范[S]. 北京：電力出版社，2001.

[4] 華東水利學院. 水工設計手冊（第四冊）. 土石壩. 北京：水利電力出版社，1989.

[5] 水利電力部第五工程局，水利電力部東北勘測設計院.土壩設計（上、下冊）[M]. 北京：水利電力出版社，1989.

[6] （美）高爾澤A R. 壩工手冊[M]. 陸煥生，譯. 北京：水利電力出版社，1990.

[7] 水利水電部.碾壓式土石壩設計手冊[M].北京：水利電力出版社，1989.

[8] 沈長松，王世夏，林益才，等. 水工建筑物[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[9] 陳明致，金來鋆. 壩工叢書 堆石壩設計[M]. 北京：水利出版社，2008.