水庫澆筑式瀝青混凝土心墻壩設計

王世剛

（哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆哈密839000）

水庫澆筑式瀝青混凝土心墻壩設計

王世剛

（哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆哈密839000）

頭道溝水庫是一座綜合性水利樞紐工程，總庫容為459.82萬m3。大壩采用澆筑式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高52.42 m，心墻最大澆筑高度48.72 m。文中從壩料的選擇、壩體斷面的設計、壩基處理和瀝青混凝土配合比的選擇等方面進行了詳細論述。水庫經(jīng)過3年的蓄水運行檢驗，壩體防滲效果良好。

澆筑式瀝青混凝土心墻；過渡料；瀝青配合比；基礎處理

1 工程概況

巴里坤縣頭道溝水庫位于莫欽烏拉山北坡低中山帶，是一座為煤炭工業(yè)供水的?。?）型山區(qū)多年調節(jié)水庫樞紐，距哈密市225.0 km。樞紐建筑物由大壩、導流放水洞及溢洪道等建筑物組成，攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高52.42 m，地震設計烈度為Ⅶ度，總庫容為459.82萬m3，死庫容80萬m3，興利庫容302萬m3，調洪庫容77.82萬m3。水庫正常蓄水位為1 763.82 m，壩頂填筑高程為1 766.42 m。工程于2012年7月開工建設，2014年10月完工，經(jīng)過3年的蓄水運行檢驗，壩體防滲效果良好。

2 壩體設計

2.1 壩體輪廓設計

頭道溝水庫攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高52.42 m，壩頂寬取8 m，壩頂長210.0 m。根據(jù)當?shù)亓蠄鲋瘟系那闆r，參照已建工程，結合地震基本烈度為7°，擬定大壩上游坡為1∶2.25，從安全、經(jīng)濟和便于施工等方面考慮，下游壩坡1∶1.8，為解決施工及運行期的交通問題，在下游坡設8 m寬、縱坡為8%的“之”字形上壩路，則最大斷面處下游綜合壩坡為1∶2.23。為降低壩體填筑工程量，壩頂上游側設2.2 m高“L”形C25鋼筋混凝土防浪墻。瀝青混凝土心墻頂部厚度0.4 m，底部厚度1.0 m，心墻底部通過混凝土基座與壩基混凝土防滲墻連接，心墻上下游各設置水平寬度3 m的過渡層。

2.2 壩料設計

2.2.1 壩殼料

壩殼料料場位于頭道溝出溝口以下現(xiàn)代河床，距壩址4.0～5.0 km。壩體填筑時，為了施工方便和節(jié)約投資并滿足穩(wěn)定的要求，壩體均不進行分區(qū)填筑，而是采用統(tǒng)一的砂礫石標準，相對密度不小于0.85。為充分利用建筑物石方爆破料，同時考慮下游排水，在下游壩體1 733.5 m高程以下采用建筑物石方爆破開挖料填筑，填筑標準為：孔隙率小于22%。該壩殼料最大粒徑在20 cm左右，粒徑較細，經(jīng)現(xiàn)場碾壓試驗確定，選擇SR22MP振動壓路機械采用低速2.55 km/h（1檔中油門）碾壓，鋪料60 cm，碾壓10遍，相對密度Dr=0.92＞0.85，能滿足設計相對密度控制指標，沉降率也趨于穩(wěn)定。

2.2.2 過渡料

瀝青混凝土心墻與壩殼料是兩種不同性質的材料,它們之間需設置過渡層,過渡層的作用是在壩體和心墻之間均勻傳遞應力和協(xié)調變形，為裂縫的愈合提供必要的條件，減少和緩解滲透變形的發(fā)生和起反濾作用。頭道溝水庫大壩瀝青混凝土心墻過渡層上、下游寬度均為3.0 m，均選用堅硬、耐風化的砂礫石料。根據(jù)規(guī)范，澆筑式瀝青混凝土心墻壩對過渡料的要求為：過渡層料應具有連續(xù)的級配，最大粒徑不宜大于60 mm，小于5 mm的含量宜為25%～35%，小于0.075 mm的含量不宜大于5%。

選擇的過渡層料料場顆分結果為：小于0.075 mm的含量為9%左右，大于5%。控制小于5 mm及小于0.075 mm含量的目的在于提高過渡層的密實性和排水性，經(jīng)對該過渡料的碾壓和滲透實驗結果顯示：壓實后相對密度大于0.85、壓實后滲透系數(shù)K（4.4×10-3）＞1×10-3cm/s，實驗結果表明該過渡料雖含泥量偏大，但能保證密實性和排水性，該料可以作為過渡料使用。

2.3 瀝青混凝土心墻防滲體設計

2.3.1 心墻結構

壩體防滲結構為澆筑式瀝青混凝土心墻，心墻軸線位于壩軸線上游，與壩軸線之間的距離為3.5 m，心墻頂高程1 765.22 m，心墻頂部距壩頂1.2 m。1 738 m高程以上部分心墻厚0.4 m，1 738 m高程以下部分心墻厚0.6 m，底部高程1 716.5 m，心墻底部通過2 m高的漸變擴大段與混凝土基座連接，連接處1.5 m厚，心墻與混凝土接觸面設1.0 cm厚瀝青瑪?shù)僦鸵坏乐顾~片。

2.3.2 瀝青混凝土材料

1）瀝青。瀝青選用中國石油克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號（A級）道路石油瀝青，含蠟量低，在低溫條件下抗裂性、抗老化性、變形性及與骨料的粘結性較優(yōu)，質量穩(wěn)定性好。

2）瀝青混凝土礦料。骨料采用新疆哈密市出口宏安粉體材料廠生產(chǎn)的堿性骨料，粗骨料最大粒徑選定為19 mm，粒徑范圍為19～9.5，9.5～4.75，4.75～2.36 mm；細骨料粒徑小于2.36 mm；填料選用新疆哈密市出口宏安粉體材料廠生產(chǎn)礦粉。

3）配合比。通過對8種不同配合比進行試驗對比，優(yōu)選配合比的材料品種瀝青為70號（A級）道路石油瀝青，粗細骨料巖性為灰?guī)r，填料為灰?guī)r礦；級配參數(shù)最大骨料粒徑19 mm，級配指數(shù)0.35，填料含量（小于0.075 mm）16%，油石比（瀝青占礦料重）10.5%。

2.4 壩基防滲處理

壩基處理：壩軸線處河床覆蓋層最大厚度為11.0 m，覆蓋層的處理采用大開挖，開挖邊坡為：上游1∶1.75、下游1∶1.5。開挖后澆筑灌漿蓋板，灌漿蓋板混凝土標號為：C25F300W8，灌漿蓋板河床段厚2.5 m、岸坡段厚1.1 m，底寬6.6 m。灌漿蓋板與基巖連接設錨桿，錨桿采用水泥砂漿錨桿，排拒1.5 m，采用梅花形布置，錨桿應垂直基巖面布置。錨桿采用Ⅱ級鋼筋，直徑為φ20，錨桿單根長5.5 m，錨入巖石4 m，伸入灌漿蓋板混凝土0.5 m，錨桿上端采用90°彎鉤，彎鉤長度1.0 m，彎鉤應順坡向上彎。瀝青混凝土心墻與灌漿蓋板直接相連，灌漿蓋板與瀝青混凝土心墻接縫處設紫銅片止水。對表層基巖的張開裂隙帶或中等透水帶進行固結灌漿，其目的是提高表層基巖的整體性和提高帷幕灌漿的灌漿效果。固結灌漿兩排，孔距為2 m，排距為3 m，灌漿深度為10 m；帷幕灌漿兩排，排距1.5 m、孔距2.0 m，1 750 m高程以下灌漿深度伸入巖體透水率小于0.05 L（min·m·m）區(qū)域，1 750 m高程以上灌漿深度伸入巖體透水率小于0.1 L（min·m·m）區(qū)域。

防滲體由瀝青混凝土心墻和由固結灌漿、帷幕灌漿處理后的穩(wěn)定基巖組成，封閉滲流通道，形成完整的防滲體系。

3 計算分析

3.1 滲流計算

3.1.1 基本參數(shù)

河床覆蓋層地層巖性為卵、礫石組成，據(jù)鉆孔資料該層最大厚11 m，根據(jù)試驗資料該層最大干密度2.17～2.24 g/cm3，最小干密度1.66～1.75 g/cm3，滲透系數(shù)1.7×10-3～6.2×10-3cm/s。

根據(jù)試驗資料壩體填筑料最大干密度2.19～2.23 g/cm3，最小干密度1.65～1.71 g/cm3，滲透系數(shù)5.0×10-3～9.0×10-3cm/s。

其他土層：瀝青混凝土心墻滲透系數(shù)1.00×10-7cm/s，固結、帷幕灌漿滲透系數(shù)1.00×10-5cm/s，壩基基巖（10-20 L/（min·m·m））滲透系數(shù)1.5×10-4cm/s，壩基基巖（1 L（min·m·m））滲透系數(shù)1.00× 10-5cm/s。

3.1.2 計算方法及結果

由于河床寬度較窄，河床斷面呈“U”型，選取河床處最大斷面0+120進行單寬滲流量計算。滲流計算采用北京理正軟件設計研究所的《滲流分析軟件》進行計算，計算方法為有限元法，經(jīng)對壩體0+120斷面的計算，單寬滲流量2.86 m3/d，河床段寬度40 m。

經(jīng)計算平均滲透比降為0.02，后壩坡坡腳滲透比降為0.08，均小于允許滲透比降0.122，滲透穩(wěn)定滿足要求，不會發(fā)生滲透破壞。

3.2 壩坡穩(wěn)定計算

擬定大壩上游坡為1∶2.25，下游壩坡為1∶1.8，綜合坡度為1∶2.23，由于地質勘察報告確定壩址處地震烈度為7度（地震動峰值加速度采用0.15 g）。壩體穩(wěn)定計算斷面采用具有代表性的斷面0+120斷面（最大壩高處）。

壩體邊坡穩(wěn)定計算采用北京理正軟件設計研究所的《邊坡穩(wěn)定分析軟件》進行計算，計算采用瑞典圓弧法。依據(jù)SL274-2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，穩(wěn)定計算工況如下：

1）施工期上、下游壩坡穩(wěn)定計算；

2）穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡穩(wěn)定計算；

3）水庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定計算；

4）正常運用遇地震的上、下游壩坡穩(wěn)定計算。

參數(shù)選用：壩體料容重21.1 kN/m3，飽和容重23.3 kN/m3，C=15 kPa，水下C=10 kPa，內摩擦角38°，水下內摩擦角36°；壩基料容重20.5 kN/m3，飽和容重22.9 kN/m3，C=15 kPa，水下C=10 kPa，內摩擦角38°，水下內摩擦角36°。

計算結果：施工期上游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.992，下游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.823；穩(wěn)定滲流期上游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.445，下游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.765；水庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.459；正常運用遇地震的上游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)為1.233，下游壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)1.565。經(jīng)驗算各種工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。

［1］鄧銘江，于海鳴.新疆壩工建設［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］孫榮博，鞠連義，劉清利.尼爾基水利樞紐工程主壩瀝青混凝土心墻設計［C］.2002年水工專委會學術交流會議學術論文集，2002.

［3］馬智法，胡國興，郭洪娟，等.碾壓式瀝青混凝土防滲心墻施工質量控制要點［J］.東北水利水電，2009(5).

［4］丁樸榮.水工瀝青混凝土材料選擇與配合比設計［M］.北京：水利水電出版社，1990.

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