金峰水庫瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩設(shè)計

陳惠君，廖大勇

（四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川成都610000）

金峰水庫瀝青混凝土心墻軟巖堆石壩設(shè)計

陳惠君，廖大勇

（四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川成都610000）

金峰水庫為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高為88m，壩殼料采用全斷面軟巖～極軟巖筑壩，屬國內(nèi)近百米級采用全斷面軟巖～極軟巖筑壩的先例。設(shè)計通過設(shè)置排水帶及模增模區(qū)解決了心墻與壩殼變形協(xié)調(diào)問題及滲透問題。針對軟巖壩殼料，設(shè)計創(chuàng)新性提出了質(zhì)量控制及評價標(biāo)準(zhǔn)以施工參數(shù)控制為主，同時輔以壓實(shí)度、干密度共同控制的設(shè)計理念，解決了采用現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)不適用本工程的質(zhì)量控制和評價問題。

瀝青混凝土心墻堆石壩；全斷面軟巖～極軟巖；排水帶；增模區(qū)；施工參數(shù)控制

1 概況

金峰水庫工程是四川省武都引水二期工程的一座囤蓄水庫，壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高為88m。壩體從上游至下游分別為上游石渣料區(qū)、上游過渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻料區(qū)、下游過渡料區(qū)、下游豎向排水帶、下游石渣料區(qū)及水平排水帶。壩殼料采用全斷面軟巖～極軟巖筑壩，巖石軟化系數(shù)低于0.5，飽和抗壓強(qiáng)度小于15MP a，濕化和流變變形顯著。雖然目前國內(nèi)已建成多座百米級的瀝青混凝土心墻堆石壩，但尚未有采用全斷面軟巖～極軟巖填筑高壩的先例。設(shè)計結(jié)合該工程壩體填筑材料的特殊性，針對壩殼料碾壓后滲透系數(shù)較小的特點(diǎn)，在心墻下游過渡料后設(shè)置砂卵石豎向排水帶及3m厚水平排水帶。同時，根據(jù)大壩應(yīng)力應(yīng)變計算，在心墻底部0～15m范圍水平變位較大，為減少心墻底部的水平變形，保證心墻變形協(xié)調(diào)，在心墻底部下游側(cè)設(shè)置砂礫石增模區(qū)。并根據(jù)四川紅層地區(qū)軟巖料特點(diǎn)，設(shè)計創(chuàng)新性采用了施工參數(shù)控制為主，同時輔以壓實(shí)度、干密度共同控制的設(shè)計理念，作為指導(dǎo)后續(xù)施工的依據(jù)。

2 壩體設(shè)計

2.1壩體結(jié)構(gòu)布置

大壩壩頂長454.87m，寬8m，最大壩高88m。水庫正常蓄水位475m，設(shè)計洪水位475m，校核洪水位475.45m，壩頂高程為477m，壩頂設(shè)1.2m高鋼筋混凝土防浪墻。防浪墻與壩頂路面相接。為方便壩頂排水，壩頂路面以2%的橫向坡度傾向下游，壩頂路面為20c m厚C 25混凝土，下面鋪設(shè)砂礫石墊層。

大壩上游壩坡坡比為1∶2.20，在高程440.00m處設(shè)一級馬道寬為3.00m。下游壩坡坡比從上至下為1∶2.00、1∶2.00、1∶2.25，分別在高程為457.00m、437.00m處設(shè)置寬為3m的馬道。

2.2壩體分區(qū)設(shè)計

壩體從上至下分別為上游石渣料區(qū)、上游過渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻料區(qū)、下游過渡料區(qū)、下游豎向排水帶、下游石渣料區(qū)及水平排水帶。詳見圖1。

2.2.1 瀝青混凝土心墻設(shè)計

為便于瀝青混凝土心墻與壩頂防浪墻銜接，減少防浪墻變形影響，大壩瀝青混凝土心墻軸線位于壩軸線上游2m，瀝青混凝土心墻分三階設(shè)計，心墻厚度從上至下分別為60c m、80c m、100c m，壩高88m，按照近30m梯度變化，厚度變化處高程為420m、450m，厚度變化處采用1m高斜坡漸變連接。

心墻底部采用漸變式擴(kuò)大基礎(chǔ)，心墻底部與基座連接處2m高范圍內(nèi)，心墻厚度由1m漸變至2m，與基座連接，連接處混凝土表面充分鑿毛，中間設(shè)銅片止水，表面涂刷乳化瀝青和瀝青砂漿。

圖1 大壩橫剖面圖

為減少基座分縫止水安裝缺陷可能帶來的工程隱患，設(shè)計參照部分已建工程的成功經(jīng)驗，基座不設(shè)永久伸縮縫及止水措施，而采用W8C 25常態(tài)混凝土和W8C 30微膨脹混凝土跳塊澆筑的方式，常態(tài)混凝土分塊長度10m，微膨脹混凝土分塊長度1.5m，要求心墻基座混凝土施工縫的縫面只進(jìn)行鑿毛處理，不設(shè)止水措施，同時穿過縫面的鋼筋不得斷開。

2.2.2 心墻上下游過渡層設(shè)計

為協(xié)調(diào)心墻與壩殼料由于模量差引起的變形應(yīng)力影響，改善瀝青混凝土心墻應(yīng)力應(yīng)變條件，在心墻上下游分別設(shè)置砂礫石料作為過渡層，過渡層的外側(cè)垂直布置。根據(jù)機(jī)械化施工需要，結(jié)合大壩有限元分析成果，上游過渡料寬度為2m；下游側(cè)過渡料由于壩殼料采用砂泥巖的混合料填筑，壩體滲透性差，滲透系數(shù)達(dá)10-4～10-5c m/s，故除設(shè)置2m寬過渡層外，在過渡料與壩體間還增加了2m寬的砂礫石豎向排水帶，與壩體水平排水帶相連。

2.2.3 上下游壩殼設(shè)計

壩殼石渣區(qū)是維持壩體穩(wěn)定的主要區(qū)域，由于料場巖石以砂巖為主，與薄層粉砂質(zhì)泥巖互層分布，屬于軟巖～極軟巖，為了充分利用開采石料，減少棄渣污染，壩殼料采用砂巖料或砂泥巖混合料上壩填筑。

由于上游死水位以下壩體對排水及滲透要求相對較低，故死水位（440.00m）以下的上游壩殼區(qū)采用強(qiáng)風(fēng)化砂巖料；死水位（440.00m）以上上游壩殼區(qū)由于處于水位變幅區(qū)，壩體采用新鮮砂巖料填筑，以盡可能獲得較大的透水率。其余壩殼區(qū)根據(jù)施工開采規(guī)劃隨挖上壩，要求砂泥巖混合料中砂巖石渣料比例不得低于50%且混合均勻。

2.2.4 心墻下游砂礫石增模區(qū)設(shè)計

瀝青混凝土心墻的的撓度是衡量心墻位移的一個重要指標(biāo)，一般應(yīng)將撓跨比控制在允許范圍內(nèi)，根據(jù)大壩應(yīng)力應(yīng)變計算，由于壩殼料變形模量比砂礫石過渡帶及排水帶變形模量小得多，故心墻底部0～15m范圍水平變位較大，相應(yīng)心墻撓跨比也較大，為減少心墻底部的水平變形，保證心墻變形協(xié)調(diào)，在心墻底部下游側(cè)采用變形模量較大的砂礫石代替模量較小的壩殼石渣料。設(shè)置范圍為瀝青混凝土心墻下游過渡料以外30m寬度，高度為心墻基座向上20m。

2.2.5 心墻下游排水帶設(shè)計

由于壩殼料采用砂巖料或砂泥巖混合料均為軟巖料，碾壓后滲透系數(shù)較小達(dá)10-4～10-5c m/s，為增加下游壩體的透水性，將滲漏水及時排至下游壩體外，避免下游壩體的浸潤線升高，故在心墻下游過渡料以后設(shè)置2m寬砂卵石豎向排水帶，同時在心墻下游壩殼區(qū)底部設(shè)置有3m厚水平排水帶，與豎向排水帶相連。

2.2.6 上下游壩坡防護(hù)

為防止上游水位降低和風(fēng)浪對上游壩坡的淘刷，對上游坡面采用0.2m厚預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，中部設(shè)排水孔，在護(hù)坡底部設(shè)0.3m厚的砂礫石墊層料。為避免預(yù)制混凝土塊滑動，采用現(xiàn)澆混凝土框格梁進(jìn)行固定，框格梁間距為7m×7m。同時，為節(jié)約投資，上游坡在死水位以下5m即440m馬道處至上游壩腳，不考慮護(hù)坡設(shè)計。

大壩下游壩坡選擇混凝土框格加草皮護(hù)坡，既能保護(hù)壩坡，也起到綠化的作用。混凝土框格的間隔為4m×4m。

3 瀝青混凝土設(shè)計

根據(jù)大壩應(yīng)力應(yīng)變計算成果及技術(shù)規(guī)范，瀝青混凝土心墻技術(shù)指標(biāo)除孔隙率、滲透系數(shù)、水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求外，根據(jù)大壩應(yīng)力應(yīng)變計算成果及工程運(yùn)用條件，結(jié)合國內(nèi)已建工程有關(guān)瀝青混凝土心墻技術(shù)指標(biāo)，提出了變形及力學(xué)指標(biāo)要求∶內(nèi)摩擦角≥25°，粘結(jié)力≥0.3M P a，心墻撓跨比不小于3%。

施工中根據(jù)瀝青配合比室內(nèi)試驗及現(xiàn)場碾壓試驗成果，推薦采用配合比為∶瀝青選用70號水工瀝青，瀝青含量為6.3%，填料占12%，骨料選用武都水庫擋家埡料場灰?guī)r料，骨料的最大粒徑為19m m，級配指數(shù)0.38。

4 壩料參數(shù)設(shè)計

4.1上下游壩殼料參數(shù)

根據(jù)土石壩設(shè)計規(guī)范，堆石的填筑標(biāo)準(zhǔn)宜用孔隙率作為設(shè)計控制指標(biāo)。但四川紅層地區(qū)砂、泥巖及其混合料屬于軟巖料，既非粘土，也有別于通常的堆石，設(shè)計及施工控制時，無論采用孔隙率還是壓實(shí)度都存在一定問題。如采用孔隙率，由于軟巖巖塊天然孔隙率較高，碾壓后巖石破碎率也較高，巖塊密度與顆粒密度差異很大，導(dǎo)致干密度與孔隙率間換算的完全不能反映實(shí)際情況，如采用壓實(shí)度則依據(jù)不足。

對金峰水庫壩料，根據(jù)料場勘察及試驗結(jié)果，石渣料隨著不同的巖層，不同的風(fēng)化程度，以及砂巖與泥巖不同的混合比例，都會出現(xiàn)不同的碾壓干密度，因此根據(jù)不同上壩料，設(shè)計提出了施工參數(shù)控制為主，同時輔以壓實(shí)度、干密度評價的設(shè)計理念，作為后續(xù)施工的指導(dǎo)依據(jù)。

由于石渣料為軟巖料，巖石碾壓破碎率較高，施工碾壓時根據(jù)現(xiàn)場碾壓及室內(nèi)試驗成果取得合適的碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)確定控制指標(biāo)，既要保證壩殼料獲取盡可能高的碾壓密實(shí)度，減少壩體沉降，同時也要避免碾壓遍數(shù)增加后帶來的細(xì)顆粒增加，降低抗剪力學(xué)指標(biāo)。

4.2上下游過渡料及排水帶指標(biāo)

上下游過渡料及排水帶均采用涪江砂礫石料，由于涪江天然砂礫石料含泥量高，級配不連續(xù)，特別是5～2m m級配缺乏，故需進(jìn)行人工摻配的方式，在級配參數(shù)嚴(yán)格控制前提下，根據(jù)規(guī)范要求、工程經(jīng)驗、室內(nèi)試驗及碾壓實(shí)驗，過渡料及排水帶主要設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 砂礫石填筑主要設(shè)計指標(biāo)

5 結(jié)論

金峰水庫瀝青混凝土心墻堆石壩壩殼料采用全斷面軟巖～極軟巖筑壩，壩殼模量偏低，碾壓后滲透系數(shù)較小，存在心墻底部應(yīng)力及變形較大，壩體排水不暢問題，雖然設(shè)計設(shè)置模量區(qū)及水平豎向排水帶，但由于受施工質(zhì)量及壩料巖性變化的影響，施工期及運(yùn)行期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測及監(jiān)測資料的分析，以便發(fā)現(xiàn)問題及時處理，同時為今后類似工程積累經(jīng)驗。

針對軟巖筑壩材料，設(shè)計提出了施工參數(shù)控制為主，同時輔以壓實(shí)度、干密度共同控制的設(shè)計理念，作為后續(xù)指導(dǎo)施工的依據(jù)，值得軟巖料筑壩類工程借鑒。

［1］SL 274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］D L/T 5395-2007.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］SL 501-2010.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］D L/T 5411-2009.土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］林昭.碾壓式土石壩設(shè)計［M］.鄭州∶黃河水利出版社，2003.

［6］高希章，孫陶.四川“紅層”地區(qū)筑壩材料和筑壩標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.四川水利，2016（01）.

［7］高希章，孫陶.瀝青混凝土心墻壩筑壩料與心墻合理模量比研究［J］.四川水利，2016（01）.

［8］百生貴.深覆蓋層上修建瀝青混凝土心墻壩［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2014（09）.

［9］黃云.新疆下坂地瀝青混凝土心墻壩壩體設(shè)計研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（05）.

［10］汪洋.寒冷地區(qū)冬季施工的碾壓式瀝青混凝土心墻壩設(shè)計［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2012（05）.

T V 871

：B

：1672-2469（2016）06-0081-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.030

2016-04-11

陳惠君（1968年—），女，高級工程師。