新疆達(dá)克曲克水電站瀝青混凝土心墻壩結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析

李勁飛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

達(dá)克曲克水電站的任務(wù)是發(fā)電和承擔(dān)上游玉龍喀什水利樞紐調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)，達(dá)克曲克水電站基本不改變上游河道天然來水過程，發(fā)電運行需要保證下游各業(yè)及生態(tài)的用水要求。為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供電力電量需求，緩解供電矛盾。鑒于瀝青混凝土受氣候條件影響較少，對壩基和壩體變形適應(yīng)性強，防滲性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、抗震能力強、柔韌性好且安全可靠等諸多優(yōu)點，在水利工程中，瀝青混凝土作為大壩的防滲材料已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用[1- 5]。瀝青混凝土心墻在施工方法上分為碾壓式和澆筑式兩種[6]。由于澆筑式瀝青心墻含油量高，因此成本較碾壓式瀝青心墻高許多，本文結(jié)合工程實際特點，采用碾壓式瀝青混凝土作為大壩的防滲體，按照規(guī)范要求對壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，再復(fù)核滲流、抗滑、應(yīng)力應(yīng)變特性是否能夠滿足規(guī)范要求[7]。

1 工程概況

新疆達(dá)克曲克工程位于玉龍喀什河下游河段的峽谷山區(qū)內(nèi)，隸屬新疆和田市，壩址位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29km的河段上，S216公路里程樁為63km處。壩址斷面多年平均年徑流量21.67億m3，多年平均流量68.67m3/s。

工程由大壩、開敞式溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房、尾水渠等主要建筑物組成，最大壩高62.6m，總庫容0.113億m3，裝機容量75MW。該工程規(guī)模屬中型，工程等別為III等。瀝青混凝土心墻壩壩頂寬度為8.0m，壩長214m。壩頂上游側(cè)設(shè)置L型鋼筋混凝土防浪墻。上游壩坡坡比為1∶2.0，下游壩坡比為1∶1.8，上游壩坡采用混凝土板護(hù)坡，下游壩坡采用混凝土網(wǎng)格梁填干砌塊石護(hù)坡。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為上游砂礫料區(qū)，上游過渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻，下游過渡過渡料區(qū)，下游砂礫料區(qū)，壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面如圖1所示。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄甑臍庀筚Y料統(tǒng)計，多年平均氣溫為11℃；極端最高氣溫37.5℃；極端最低氣溫-23.5℃；最大積雪深14cm；水電站工程所在地，冬季寒冷，極端最低氣溫為-23.5℃，壩址所在地最大凍土深取高限值67cm，場址多年平均凍融次數(shù)為79次。壩址區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度為173g，廠房區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度為168g。

圖1 壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面

2 瀝青混凝土心墻設(shè)計

2.1 瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

瀝青混凝土心墻受氣候影響小，對壩基壩體變形適應(yīng)性強，抗震性能好。垂直式瀝青混凝土心墻面積較小、工程量小、施工簡單，心墻對壩體沉降引起的變形反應(yīng)不象傾斜式那樣敏感，各種高度的壩均可采用。墻體靠上游側(cè)布置，可改善大壩受力條件并能很好的和壩頂防浪墻連接。本工程位于高地震烈度區(qū)(8度設(shè)防)，根據(jù)工程任務(wù)、規(guī)劃提供需水位初步驗算壩高，最終確定本工程最大壩高取62.6m。同時，類比國內(nèi)外心墻壩工程[8- 10]，多采用垂直式瀝青心墻，這類心墻不但可以減少瀝青混凝土使用量，最重要的是便于后期維修，因此，本工程瀝青混凝土心墻采用垂直布置，為了心墻與防浪墻更好銜接形成完整的防滲系統(tǒng)，將墻體軸線偏向上游側(cè)，心墻軸線距壩軸線的距離為2.75m。心墻頂高程1776.60m，最低墻底高程1716.60。采用三級突變厚度設(shè)計，頂部心墻寬0.4m，至高程1756.00m處突變?yōu)?.5m，至高程1736.00m處突變?yōu)?.6m，在底部進(jìn)行放大腳漸變?yōu)?.8m。

2.2 壩基及壩肩基礎(chǔ)處理

左岸段1825m高程以上岸坡較陡，巖層片理傾向坡內(nèi)，受風(fēng)化及構(gòu)造影響，岸坡巖體局部形成1～3m卸荷帶，對建筑物布置有一定影響，壩體北側(cè)岸坡上、下游各30m范圍內(nèi)進(jìn)行削坡處理，并進(jìn)行噴護(hù)。1780～1728m高程沿擬選壩線上下游180m范圍內(nèi)臨現(xiàn)代河床分布1#古河槽，深度40～50m。古河槽內(nèi)沖積崩積漂卵礫石層、塊石、碎石層，弱膠結(jié)，結(jié)構(gòu)密實，可作為土石壩基礎(chǔ)。覆蓋層下伏基巖為斜長二云母石英片巖、黑云母石英片巖。

右岸段該段岸坡走向70°～80°，地形起伏，邊坡高度約80m，巖層走向與壩線交角為74°，巖層傾向坡外。局部發(fā)育兩組節(jié)理，心墻開挖中，兩組裂隙于片理面組合，局部易形成不穩(wěn)定體，對開挖邊坡穩(wěn)定有一定影響。

左、右岸基巖強風(fēng)化層厚1～3m，弱風(fēng)化層厚度5～10m，該段巖體透水率q<5Lu界線在基巖面以下埋深為3～10m。

瀝青心墻基礎(chǔ)建在弱風(fēng)化基巖面上，心墻和岸坡巖石基礎(chǔ)連接的混凝土蓋板厚0.8m。

河床壩基段現(xiàn)代河床寬約20m，出露全新統(tǒng)沖積漂卵礫石層，覆蓋層厚度3～7m。巖體較完整，該段巖體透水率q<5Lu界線在基巖面以下埋深為3～5m，q<3Lu界線在基巖面以下埋深為15～20m。

上述瀝青混凝土心墻底部與混凝土底板連接之間涂刷厚1cm瀝青瑪蹄脂，以增大粘結(jié)力并適應(yīng)心墻水平變形，接縫設(shè)置止水片。

心墻兩側(cè)上、下游巖石開挖邊坡1∶0.5，覆蓋層開挖邊坡1∶1.5。該段作為大壩壩殼基礎(chǔ)，清除表層1m松散的漂卵礫石層，建基面放置于下部結(jié)構(gòu)較密實的漂卵礫石層上。壩體基礎(chǔ)漂卵礫石層表面清理碾壓后，相對密度Dr≥0.85。

基礎(chǔ)灌漿處理：瀝青混凝土心墻混凝土蓋板下進(jìn)行鋪蓋式固結(jié)灌漿，孔距為3m，3排，孔深鉛直入巖5.0m。帷幕灌漿深度以進(jìn)入基巖透水率小于5Lu線及1/3壩高作為控制標(biāo)準(zhǔn)，最大帷幕深度38m，共1排，河床基礎(chǔ)段帷幕灌漿孔距1.5m，兩側(cè)岸坡段孔距為2m。

2.3 壩殼料設(shè)計

由于砂礫料經(jīng)篩分后能滿足過渡料的要求且有足夠的儲量，考慮工程投資及施工等方面的因素，采用C3- 4天然砂礫料篩分來取得過渡料。采用C3- 2、C3- 3、C3- 4砂礫料場的全料填筑壩體。

根據(jù)規(guī)范[11]抗震要求，對于無粘性土要求浸潤線以上材料的相對密度不低于0.75，浸潤線以下材料的相對密度則根據(jù)設(shè)計烈度大小選用0.75～0.85”，綜合考慮水上水下相對密度均采用0.85，dmax=600mm。

2.4 過渡層設(shè)計

為了確保過渡層為心墻兩邊提供均勻的支撐，要求過渡層的粒料必須級配良好，質(zhì)地堅硬，其最大粒徑不得大于瀝青混凝土骨料最大粒徑的8倍。本工程取用：過渡料最大粒徑為80mm，小于5mm粒徑含量不超過30%，滲透系數(shù)不應(yīng)小于10-3cm/s，相對緊密度Dr≥0.85。采用C3- 4料場的料篩分，特征參數(shù)見表1。

表1 C3- 4料場特征參數(shù)

被保護(hù)土為過渡料屬于無粘性土，根據(jù)規(guī)范[11]過渡料不均勻系數(shù)Cu>8，過渡料曲率系數(shù)Cc≠1～3，說明其級配不連續(xù)，應(yīng)取小于5mm以下的粒徑作為細(xì)粒進(jìn)行計算。過渡料級配線：d85=1.2mm，d15=0.09mm。砂礫料配線：D15=0.43mm。根據(jù)規(guī)范[11]D15/d85≤4～5，滿足保土性準(zhǔn)則；D15/d15<5，不滿足排水性準(zhǔn)則。計算結(jié)果表明，砂礫料對于過渡料可滿足保土性準(zhǔn)則，但不滿足排水性準(zhǔn)則。但是砂礫料是天然砂礫料全料，滲透系數(shù)較大，具有良好的透水性，能夠通暢地將

滲水排出，所以認(rèn)為所選過渡料合適。

2.5 壩體滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，可以采用壩體最大典型斷面單寬滲流特性評價壩體滲透穩(wěn)定性，因此，本工程壩體滲流計算以壩最大斷面為計算剖面[12]，采用二維有限元計算正常蓄水位1776.0m，設(shè)計洪水位1776.00m，校核洪水位1777.74m，上述三個工況下壩體浸潤線、等勢線、壩體和壩基滲流量和各部位的滲透比降，確定庫水位降落時浸潤線位置；根據(jù)地質(zhì)資料及試驗報告可知：砂礫料滲透系數(shù)0.001cm/s，過渡料0.004cm/s，覆蓋層0.052cm/s，瀝青心墻1.0×10-7cm/s，混凝土防滲墻、基座1.0×10-7cm/s，基巖5.0×10-5cm/s，帷幕灌漿基巖5.0×10-5cm/s。計算結(jié)果見表2，壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線如圖2所示。

表2 穩(wěn)定滲流期計算結(jié)果

從圖2壩內(nèi)浸潤線可知，心墻的防滲效果明顯且滲漏量較小。表2計算結(jié)果可知，下游壩腳(坡腳)、壩基等各部位的出逸最大比降均小于各土層的允許滲透比降，不會發(fā)生滲透變形破壞。

2.6 壩體邊坡穩(wěn)定計算

評價壩體的邊坡穩(wěn)定性對大壩安全運行至關(guān)重要，通常設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗初步擬定的壩坡是需要通過計算進(jìn)行論證是否合理的，因此，根據(jù)以往同類型工程經(jīng)驗，本工程初擬的上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8，計算主壩的標(biāo)準(zhǔn)剖面在以下三種工況時壩體的穩(wěn)定性；正常運用條件對應(yīng)正常蓄水位(1071.0m)穩(wěn)定滲流期、非常運用條件Ⅰ對應(yīng)施工期、非常運用條件Ⅱ?qū)?yīng)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇Ⅷ度地震的上、下游壩坡穩(wěn)定性。庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定性。靜力計算采用簡化畢肖甫法，動力計算方法采用擬靜力法分析壩坡穩(wěn)定性，選取的參數(shù)詳見表3。

圖2 正常蓄水位壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線示意圖+Ⅷ度地震壩上、下游壩坡穩(wěn)定計算成果圖

表3 壩坡穩(wěn)定分析計算參數(shù)表

從表3計算成果表明，上述3個工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于SL501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》允許值[11]，圖2列出了正常蓄水位+遇Ⅷ度地震時上、下游壩坡穩(wěn)定計算成果，該工況為上述3個工況的控制工況，表明地震時是大壩穩(wěn)定最不利工況，通過設(shè)計所提抗震措施適當(dāng)提高上、下游壩坡坡比使得壩坡滿足設(shè)計要求，壩坡穩(wěn)定分析計算成果見表4。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)

2.7 壩體應(yīng)力應(yīng)變計算

為能夠評價壩體在施工期與運行期變形與應(yīng)力能否合理，心墻是否會有產(chǎn)生水力劈裂的可能性，上、下游過渡料與心墻之間的變形協(xié)調(diào)性等。通過大型商用有限元軟件采用外掛子程序Duncan-Zhang E-B非線性線彈性模型[13- 20]，對本工程的碾壓式瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行應(yīng)力變形分析，施工期模擬分30步，蓄水期模擬分10步，模型離散后單元總數(shù)為2048個，節(jié)點總數(shù)為2254個，模型參數(shù)采用類似工程的試驗參數(shù)見表5，最終成果見表6，成果如圖3—5所示。

表5 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算參數(shù)

注：K為初始模量、n反映變形模量和圍壓關(guān)系，Rf為破壞比，c為粘聚力，φ0為摩擦角，Δφ為摩擦角增量，Kb為初始模量基數(shù)，m為反映初始模量隨圍壓變化的速率，Kur為回彈模量，Pa為大氣壓強。

表6 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算成果

注：表中應(yīng)力負(fù)值為壓應(yīng)力，位移為負(fù)值指向上游。

圖3 滿蓄期壩體水平變形(單位：cm)

圖4 滿蓄期壩體豎向沉降(單位：cm，負(fù)號為豎直向下)

從表6計算成果表明：壩體、心墻在施工期與運行期最大沉降率為47.4%與46.3%，如圖2所示。上游壩殼料在滿蓄期時孔隙壓力升高，有效應(yīng)力下降對于壩殼料來說是一個卸載過程，因此，滿蓄期沉降、應(yīng)力在要小于竣工期，同時壩體在水壓力作用下也向下游變形，增量在厘米級，如圖3所示。從應(yīng)力與變形來看上、下游過渡料與心墻之間的變形協(xié)調(diào)性，應(yīng)力水平不高，從圖5也可以得出心墻在水壓力作用下向下游變形，同時心墻豎向應(yīng)力大于對應(yīng)高程的水壓力且小于理論土壓力，以上成果符合心墻壩一般變形規(guī)律。

圖5 瀝青心墻水平變形與豎向應(yīng)力圖

3 結(jié)論

根據(jù)SL501—2010及該工程的設(shè)計特點，本文提出了碾壓式瀝青心墻結(jié)構(gòu)形式，對壩基及壩肩基礎(chǔ)進(jìn)行了處理，計算得出符合該工程的壩殼料，同時，計算初擬大壩體型在施工期、正常運行期、設(shè)計洪水期、校核洪水期下的滲透穩(wěn)定性與抗滑穩(wěn)定性。同時采用非線性有限元軟件中的鄧肯張EB模型計算壩體、心墻應(yīng)力應(yīng)變特性，上述計算成果均能滿規(guī)范要求，表明該工程的碾壓式瀝青心墻壩體型合理。通過新疆和田達(dá)克曲克水利工程意在介紹一套碾壓式瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計過程，為今后此類工程設(shè)計提供借鑒。