庫什塔依水電站工程瀝青混凝土心墻壩設計

喬 玲，焦 陽

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

庫什塔依水電站工程正常蓄水位1 305.0 m，總庫容1.59億m3。電站裝機100 MW，多年平均發(fā)電量3.50億kW·h。該工程為二等大 （2）型工程，由攔河壩、表孔溢洪洞、導流兼泄洪洞、發(fā)電引水洞、廠房等建筑物組成。

1 壩址區(qū)地形地質條件

庫什塔依水電站工程壩址區(qū)總地勢南高北低，東高西低，河谷走向北東，工程區(qū)河谷呈 “U”形，現(xiàn)代河床寬30～50 m，兩岸階地不對稱發(fā)育。左岸Ⅱ級階地寬30～50 m；右岸Ⅱ級階地寬60～120 m，山頂為Ⅵ級基座階地夷平面，相對高差200～300 m。左岸山體較陡，岸坡坡度50°～70°；右岸山體岸坡坡度多在40°～62°，局部較陡，基巖裸露。兩岸山體雄厚，具備建壩的地形、地質條件。壩址區(qū)出露的地層巖性為凝灰?guī)r、灰?guī)r，呈厚層狀～塊狀結構。

壩址區(qū)左岸坡高約 200～210 m， 坡度 50°～70°，在1 280～1 420 m高程分布有強卸荷帶，長約1 000 m。左岸強卸荷帶水平寬度為5～37 m；弱卸荷帶水平寬度為15～30 m，局部存在較大裂隙，巖體部分松馳。基巖強風化帶厚3～5 m，局部可達10 m；弱風化帶厚10～15 m。透水率q＜3 Lu界線在基巖面以下 15～25 m。

現(xiàn)代河床寬75 m，河床砂卵礫石厚約2～3 m，下伏基巖為凝灰?guī)r、安山巖、塊狀結構。強風化帶厚2～5 m；弱風化帶厚10～15 m。該河床段巖體透水率q＜3 Lu界線在基巖面以下25 m。

右岸壩肩坡高約125 m，岸坡坡度40°～60°，局部近直立，坡腳為Ⅱ級基座階地，階地河拔6～10 m，階地上部為砂卵礫石，厚 1～10 m，下伏為凝灰?guī)r、安山巖。右岸山頂為Ⅴ級基座階地，河拔120～130 m，該段基巖強風化帶厚約2～5 m；弱風化帶厚10～15 m。q＜3 Lu界線在基巖面以下6.7～45.6 m。

2 天然建筑材料

壩址區(qū)勘查有C2和C4砂礫石料場。C2料場位于壩址右岸的Ⅱ級階地上，距壩址直線距離0.7～1.4 km，上覆無用層平均厚度約1 m，勘探儲量100萬m3。C4料場位于壩址左岸下游Ⅵ級階地上，距壩址直線距離2.9～3.7 km，上覆無用層平均厚度約2.0～2.5 m，下部有用層勘探厚度50 m，勘探儲量900萬 m3。C2和C4作為壩體填筑料，各項指標滿足要求。

P2塊石料場為瀝青混凝土骨料場，位于壩址的左岸，距壩址直線距離0.7～1.3 km。巖性以中厚層灰?guī)r為主，單層厚度0.5～2.0 m，弱風化巖體飽和抗壓強度43 MPa，軟化系數0.64；新鮮巖體飽和抗壓強度49 MPa，軟化系數0.63，屬中硬巖。巖層厚度及質量較穩(wěn)定，強風化層厚度3～5 m；弱風化層厚度10～15 m。新鮮巖石儲量豐富，弱風化層巖石和新鮮巖石質量滿足瀝青混凝土骨料要求。

3 大壩設計

3.1 壩體輪廓

庫什塔依水電站大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高91.1 m，壩頂高程1 307.60 m，壩頂寬10.0 m，壩頂長439.0 m，防浪墻頂高程1 308.8 m。上游壩坡1∶2.25，下游壩坡1∶1.8，在下游坡設10 m寬、縱坡為8%的 “之”字形上壩公路，下游壩坡平均為1∶2.14。

上游圍堰與壩體結合，上游壩坡采用C20現(xiàn)澆混凝土板護坡，板厚25 cm；下游壩坡采用混凝土網格梁，網格梁內填種植土，種植草皮護坡。

3.2 壩體分區(qū)

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、下游過渡料區(qū)、下游砂礫料區(qū)和下游排水棱體區(qū)。

3.2.1 瀝青混凝土心墻

瀝青混凝土防滲體采用直立的碾壓式瀝青混凝土結構，墻體軸線在壩軸線上游3.0 m處。心墻采用上窄下寬布置，頂寬0.4 m，底寬0.8 m，厚度采用臺階式漸變，與基座連接處心墻厚度由0.8 m臺階式漸變至2 m。瀝青混凝土心墻基座采用混凝土結構，厚0.8 m，寬4～8 m，心墻頂部與壩頂防浪墻緊密結合。瀝青采用克拉瑪依水工瀝青；粗骨料采用P2料場灰?guī)r加工制備；細骨料采用混凝土細骨料；填料從附近水泥廠購買。瀝青混凝土心墻與混凝土底座之間的接觸面上設止水銅片和砂質瀝青瑪蹄脂，砂質瀝青瑪蹄脂層厚10.0 mm，止水銅片厚1.0 mm。瀝青混凝土心墻、混凝土底座連同基巖防滲帷幕形成一道整體防滲屏障。

為了滿足冬季碾壓式瀝青混凝土心墻施工要求，確定瀝青混凝土配合比為：骨料最大粒徑19 mm，礦料級配指數為0.4，初選油石比為8%，填料濃度為2.0。試驗表明，在苛刻的室內試驗條件下和-25℃氣溫下，瀝青混凝土試塊的結合面上、下層結合良好，結合面和非結合面的密度 （孔隙率）均勻，防滲性滿足要求，抗劈裂變形能力大。夏季瀝青含量為7.0%左右。

3.2.2 過渡層

過渡層設在瀝青混凝土心墻兩側，水平寬度上、下游均為3 m。過渡層從底部弱風化基巖建基面填筑至心墻頂部，過渡料采用C4砂礫料場粒徑小于80 mm的全料，最大粒徑為80 mm，小于5 mm粒徑含量為25%～40%，小于0.075 mm粒徑含量小于5%，滲透系數不應小于10-3cm/s，相對密度Dr≥0.85。

3.2.3 壩殼料

壩址區(qū)砂礫料儲量豐富，壩殼料采用天然砂礫料填筑，上游圍堰作為壩體的一部分，也采用天然砂礫料填筑。壩體填筑料采用C4砂礫料場粒徑小于600 mm的全料填筑。相對密度Dr≥0.85，壓實后滲透系數為 10-2～10-3cm/s。

3.3 壩基處理

3.3.1 設計原則

壩基處理設計原則為：①心墻部位基巖強風化層巖石破碎，透水性強，將強風化層全部挖除，防滲心墻和過渡層建基于弱風化巖面上。②對瀝青混凝土心墻基座下的基巖進行灌漿，以提高基巖的抗沖蝕能力。③壩基防滲處理深度按透水率小于3 Lu控制。

3.3.2 設計方案

標準混凝土基座段布置2排孔深8 m、孔距3 m的固結灌漿孔。左岸卸荷帶處心墻基座加寬至8 m，設2排孔距2 m的深孔固漿灌漿孔，孔深約15～34 m，深孔固結灌漿伸入卸荷帶弱滑裂面以下。對斷層處理帶，心墻基座加寬至8 m，布置2排孔深15 m、孔距2 m的固結灌漿孔，灌漿孔與斷層傾向一致。

標準混凝土基座段布置2排孔距2 m、排距1.5 m的帷幕灌漿孔。左岸卸荷帶及斷層處理段心墻基座加寬至8 m，設4排孔距2 m、排距1.5 m的帷幕灌漿。帷幕灌漿深度需伸入基巖q≤3 Lu的界線以下3 m，還要滿足壩基最大水頭1/2～1/3的要求。斷層處理帶灌漿孔與斷層傾向一致；其他灌漿孔均鉛垂設置。

4 結語

庫什塔依水電站工程大壩采用抗震性能較好的碾壓式瀝青混凝土心墻壩。西安理工大學針對本工程所做的瀝青混凝土心墻冬季施工可行性專題論證研究表明，碾壓式瀝青混凝土心墻可在-25.0℃氣溫下施工，瀝青混凝土上、下層結合良好，結合面和非結合面的密度（孔隙率）均勻，防滲性能滿足規(guī)范要求，抗劈裂變形能力大。庫什塔依水電站工程采取冬季施工，發(fā)電工期提前了8個半月，總工期提前了6個月，提前發(fā)電產生的經濟效益十分顯著。

庫什塔依水電站工程碾壓式瀝青混凝土心墻壩冬季施工的成功，為西北寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土心墻壩的推廣應用創(chuàng)造了條件。