淺析高寒地區(qū)瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計(jì)

姜 龍

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

國(guó)慶水庫(kù)位于青海省玉樹(shù)市以西扎西科河上游果青溝西溝內(nèi)，水庫(kù)壩址距玉樹(shù)市15 km。工程主要任務(wù)為解決玉樹(shù)市17.5萬(wàn)人城市供水，并兼顧玉樹(shù)城區(qū)南北山3萬(wàn)畝綠化灌溉和2000畝設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉。壩址控制流域面積152 km2，河長(zhǎng)25.7 km，平均比降26.5‰。樞紐工程由瀝青混凝土心墻堆石壩、開(kāi)敞式溢洪道、導(dǎo)流放空洞等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水4027.10 m，設(shè)計(jì)洪水位4028.50 m，校核洪水位4029.40 m。水庫(kù)總庫(kù)容為437.2萬(wàn)m3，興利庫(kù)容348萬(wàn)m3。工程規(guī)模屬Ⅳ等小1型。本工程基本烈度為Ⅶ度。

大壩最大壩高51.9 m，壩頂長(zhǎng)264.4 m，壩頂寬度7 m。溢洪道布置于大壩右岸，為岸邊正槽開(kāi)敞式溢洪道，由正堰進(jìn)水口、控制段、漸變段、泄槽段和出口底流消能構(gòu)成。總長(zhǎng)度267 m。導(dǎo)流放空洞布置于左岸山體內(nèi)，由進(jìn)口段、閘室段，洞身段及出口消能組成，總長(zhǎng)425 m，斷面尺寸3 m×4 m。

氣候?qū)俚湫偷母咴詺夂?，氣候寒冷，年溫差小，日溫差大。年均氣?.9℃，1月平均氣溫-7.6℃，7月平均氣溫12.7℃。氣候無(wú)四季之分，只有冷暖兩季之別，冷季長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月。年平均降水量486 mm，降水集中、雨熱同期，冷季多大風(fēng)沙暴、霜凍頻繁，暖季多雷雨冰雹。年均日照小時(shí)數(shù)為2496.4 h。

2 壩體設(shè)計(jì)

大壩由瀝青混凝土心墻、上下游過(guò)渡料、堆石壩殼及護(hù)坡組成。大壩上游坡比4002 m高程以上為1∶2.25，以下為1∶3.0；下游坡比為1∶1.8。在壩體上游4015 m高程設(shè)一級(jí)寬3 m的馬道；4002 m高程以下為臨時(shí)度汛體，采用永臨結(jié)合方式，前期做為擋水圍堰，后期做為壩體的一部分，上游坡比1∶3.0，頂寬5.0 m，下游坡比1∶1.5。壩體下游4015 m、4000 m高程處各設(shè)一級(jí)馬道，馬道寬為2.0 m。瀝青混凝土心墻頂高程4028.9 m，低于壩頂2 m，高出正常蓄水位1.8 m。大壩典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型斷面圖（尺寸單位：m）

3 瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì)

3.1 心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瀝青心墻厚度應(yīng)根據(jù)壩高、工程級(jí)別、抗震要求和施工條件綜合確定。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外瀝青混凝土心墻壩統(tǒng)計(jì)，30 m以上的瀝青混凝土心墻厚度基本為壩高的1/110～1/60，低壩比值較大，高壩比值較小。國(guó)慶水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩壩高51.9 m，屬于中壩，考慮到本工程處于高地震烈度區(qū)，心墻厚度取80 cm，同時(shí)為了控制投資，降低施工難度，在一定程度上緩解因結(jié)構(gòu)尺寸突變?cè)斐傻膽?yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)場(chǎng)，瀝青混凝土心墻采用臺(tái)階式，4010 m高程以上瀝青混凝土心墻厚度60 cm，以下厚度80 cm。

瀝青混凝土心墻頂高程4028.9m，高出設(shè)計(jì)洪水位0.4m，心墻頂部與防浪墻相接，底部坐落在混凝土基座上，底部與混凝土基座相接處通過(guò)3m過(guò)渡段放大至2m寬；且心墻底部為弧形結(jié)構(gòu)面，嵌入混凝土基座；心墻與混凝土基座及防浪墻底部連接處設(shè)銅片止水。C25混凝土基座置于強(qiáng)風(fēng)化上部，厚1.5m、底寬5 m。

3.2 心墻瀝青混凝土設(shè)計(jì)

3.2.1 原材料

1）瀝青。瀝青采用克拉瑪依90號(hào)A級(jí)水工瀝青，瀝青出廠時(shí)必須嚴(yán)格檢驗(yàn)，并滿足設(shè)計(jì)要求。瀝青品質(zhì)應(yīng)符合表1的要求。

表1 瀝青的技術(shù)要求

2）瀝青混凝土礦料。瀝青混凝土礦料包括粗骨料、細(xì)骨料及填料（礦粉），粗骨料為灰?guī)r人工骨料，細(xì)骨料為灰?guī)r破碎料，填料為灰?guī)r礦粉，料場(chǎng)均位于機(jī)場(chǎng)至玉樹(shù)G214國(guó)道文成公主廟附近對(duì)面白吃溝內(nèi)，距玉樹(shù)國(guó)慶水庫(kù)約40 km。粗骨料、細(xì)骨料及填料應(yīng)符合表2～表4的要求。

表2 粗骨料的技術(shù)要求

表3 細(xì)骨料的技術(shù)要求

表4 填料的技術(shù)要求

3.2.2 瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)。

瀝青混凝土心墻采用碾壓式澆筑方式，容重不小于2.4 t/m3，瀝青含量6.5%～7.5%，主要技術(shù)要求見(jiàn)表5。

表5 碾壓式瀝青混凝土心墻瀝青混凝土主要技術(shù)要求

3.2.3 瀝青混凝土配合比

瀝青混凝土配合比初選是根據(jù)不同骨料級(jí)配指數(shù)、不同礦粉含量和油石比（即瀝青質(zhì)量占礦料總質(zhì)量的百分比）組成各種不同配合比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室基本性能（孔隙率、變形和強(qiáng)度）試驗(yàn)，選擇出滿足工程要求的較優(yōu)配合比瀝青混凝土。根據(jù)試驗(yàn)，國(guó)慶水庫(kù)瀝青混凝土推薦采用的配合比見(jiàn)表6，相應(yīng)力學(xué)性能見(jiàn)表7。

表6 推薦瀝青混凝土配合比材料和級(jí)配參數(shù)表

表7 推薦的墻瀝青混凝土配合比的力學(xué)性能

3.3 心墻與基座及剛性建筑物連接設(shè)計(jì)

3.3.1 瀝青心墻與河床基座連接

為提高瀝青混凝土心墻底部與基座連接之間的防滲性，在基座表面和心墻連接處設(shè)擴(kuò)大端，增大瀝青混凝土心墻與基座連接面的寬度，以改善局部應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)在接觸面涂刷冷底子油和瀝青瑪蹄脂，提高瀝青混凝土與基座的粘結(jié)強(qiáng)度。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，基座表面應(yīng)做成凹槽型，本工程設(shè)計(jì)基座凹槽寬2.5 m，通過(guò)3 m高的擴(kuò)大段與心墻連接，心墻與與河床基座連接見(jiàn)圖2。

3.3.2 瀝青心墻與岸坡基座連接

對(duì)岸坡基座表面坡比控制的目的是防止兩岸岸坡不均勻沉降導(dǎo)致壩體發(fā)生橫向裂縫，岸坡基座基座最陡坡比為1∶0.6，水平擴(kuò)大段長(zhǎng)4.0 m，混凝土基座接觸面處理與河床基座相同，心墻與河床基座連接見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 河床段心墻與基礎(chǔ)連接圖（尺寸單位：cm）

圖3 岸坡段心墻與基礎(chǔ)連接圖（尺寸單位：cm）

3.3.3 瀝青心墻與剛性建筑物連接

1）瀝青心墻與溢洪道邊墻連接。瀝青心墻與溢洪道邊墻連接需在溢洪道邊墻施工時(shí)預(yù)留凹槽并預(yù)埋止水，并與基座止水相連，形成一個(gè)封閉的止水系統(tǒng)，接觸面處理與河床基座相同，瀝青心墻與溢洪道邊墻連接見(jiàn)圖4。

2）瀝青心墻與防浪墻連接。防浪墻墻底高程4028.9 m，瀝青心墻頂高程即為防浪墻底高程4028.9 m，瀝青心墻頂與防浪墻底接觸面采用銅止水連接，應(yīng)在最后一層瀝青心墻施工時(shí)預(yù)埋銅止水，右岸與溢洪道邊墻止水焊接成整體，心墻與防浪墻連接見(jiàn)圖5。

圖5 心墻與防浪墻連接圖

4 壩基處理

4.1 建基面處理

1）覆蓋層處理。壩址區(qū)河床覆蓋層厚6 m～8 m，右岸壩坡覆蓋層厚10 m～15 m，左岸基本為基巖。河床為洪積卵礫石層，考慮瀝青砼心墻建基要求及地震區(qū)大壩安全運(yùn)行，將心墻下游側(cè)的河床覆蓋層全部清除至基巖。對(duì)心墻上游側(cè)河床覆蓋層清表1 m，清除范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松、富含植物根系等，并采用2000 kN·m夯擊能進(jìn)行強(qiáng)夯處理后作為壩基，處理后設(shè)計(jì)干密度不小于21 kN/m3。左右岸坡覆蓋層結(jié)松疏松、厚度不一、存在架空等現(xiàn)象，根據(jù)地質(zhì)建議全部挖除、清至基巖。

2）基巖破碎帶處理。在壩基及岸坡范圍內(nèi)有斷層、破碎帶、軟弱夾層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，根據(jù)產(chǎn)狀、寬度、延伸長(zhǎng)度等，擬采取掏挖置換C20W8F250混凝土塞處理，掏挖深度一般大于1.5倍的斷層或夾層寬度，且不小于1 m，掏挖寬度大于斷層或夾層寬度，并延伸到下游一定距離，然后用C20W8F250混凝土回填。

4.2 基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)情況，瀝青混凝土心墻及上下游過(guò)渡層基礎(chǔ)開(kāi)挖至基巖面，固結(jié)灌漿和帷幕灌漿均在心墻基座上進(jìn)行。固結(jié)灌漿孔沿心墻軸線布置2排，孔距3 m，深入基巖5 m；左岸岸坡壩基帷幕灌漿孔按雙排布置，其他段落帷幕孔按單排布置，孔距1.5 m，帷幕灌漿兩岸延長(zhǎng)度按正常蓄水位與兩岸相對(duì)不透水層相交控制，主帷幕深入至不透水層（5 Lu線）以下5 m，最大孔深40 m，副帷幕灌漿深度為主帷幕灌漿深度的0.6倍。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)瀝青心墻壩發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)已建及在建工程超過(guò)50座左右，已成為土石壩中的主力壩型。碾壓式瀝青混凝土心墻具有較好的防滲性能及較強(qiáng)的適應(yīng)變形能力，抗震性能好，能夠適用不同類型的壩基等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)慶水庫(kù)瀝青混凝土心墻壩的建設(shè)可為在高海拔嚴(yán)寒地區(qū)推廣瀝青心墻壩技術(shù)提供借鑒。