去學水電站170m級高瀝青混凝土 心墻堆石壩設計

劉士佳，孔彩粉，楊 健，劉海宇

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

瀝青混凝土因防滲性能優、適應變形能力強、裂縫自愈等特點，逐漸受到重視和推廣應用。碾壓式瀝青混凝土心墻具有良好的防滲性能和較強的適應變形的能力，能較好地適應基礎和壩體不均勻沉降［1］。伴隨著瀝青混凝土施工攤鋪技術的逐步完善，采用瀝青混凝土心墻防滲的高土石壩越來越多，國內已建的最高瀝青混凝土心墻堆石壩是冶勒大壩，最大壩高124.5m［2］，國外建成最高的瀝青混凝土心墻壩是奧地利的Finsterntal壩，壩高149m，但其心墻高度僅為96m；挪威的Storglomvatn壩，壩高125m，心墻高度123m。目前已建的瀝青混凝土心墻堆石壩壩高基本在150m以下，且現行技術標準規定的壩高適用范圍也不超過150m，當壩高超過150m時，應作專門論證［3-5］。

本文介紹了去學173.2m高瀝青混凝土心墻堆石壩設計，通過專門的技術論證，提出了適用于修筑超150m高瀝青混凝土心墻堆石壩的技術方案，研究成果可供后續同類工程借鑒。

1 概述

1.1 工程概況

去學水電站位于定曲河（金沙江一級支流）最大支流碩曲河干流上，工程區處于四川省甘孜藏族自治州（以下簡稱甘孜州）得榮縣境內，距得榮縣城公路里程約50km，距云南省迪慶州香格里拉縣公路里程約126km。電站采用混合式開發，壩址位于廠址上游約6.5km，是以發電為主，兼顧環境生態用水，發展旅游等綜合效益的中型水電工程。水庫正常蓄水位2330m，總庫容1.326億m3，電站總裝機容量246MW。

電站于2014年1月31日完成截流，2016年12月31日大壩施工完成，2017年2月開始下閘蓄水，2017年7月30日，兩臺機組全部投產發電。

1.2 自然條件

碩曲河為定曲河支流，流域屬高原山地氣候，干濕季節分明，光照強度大，降水較少，壩址區多年平均年降水量330.6mm。多年平均氣溫為14.6℃；多年平均相對濕度46%；多年最大平均風速為16m/s。

電站壩址區屬深切割的高山峽谷地形，河流比較順直，總體流向為SW255°，與巖層走向斜交，屬斜向谷。左岸地形總體坡度在65°以上，右岸呈現陡坡、緩坡相間的臺階形，基巖裸露，斷面呈不對稱的“V”字形。河床高程為2202～2206m，枯水期河水面寬度為24～73m，正常蓄水位高程河谷寬度為140～270m。壩址區巖性主要為中厚層～塊狀大理巖化細晶灰巖，礦物成分為方解石92.1%～100%、高嶺石0%～7.9%。大理巖化細晶灰巖為區域性變質作用形成的淺變質巖，受變質作用影響巖石結構較松散易風化，但溶蝕性較差。壩址區巖溶類型屬于河谷型，由于工程區年降雨量少，地下水的流動性弱，因此壩址區巖溶總體上不太發育。壩址區右岸山體內，溶蝕裂隙和巖溶管道發育，巖溶管道均為全充填型，充填物主要為灰白色鈣質揮華物和紫紅色泥質。第四系由崩坡積、洪積物及階地物質組成，主要分布在緩坡、河床一帶。河床全新統沖積層（Q4al）主要由灰～褐灰色砂卵礫石、局部為漂石組成，厚度約14～39m。壩址區地震基本烈度為Ⅷ度。壩址現場照片見圖1。

圖1 壩址現場照片Figure 1 Photo of dam site

2 瀝青混凝土心墻堆石壩選擇

去學水電站壩址處河谷狹窄、高陡，斷面呈“V”字形，天然河谷寬高比為1.26。左壩肩2290m高程以上巖體風化、卸荷深度較大，喀斯特較發育，巖體力學條件較差。兩壩肩地形陡峻，壩址區發育中等傾角及緩傾角裂隙，巖層為中等傾角，傾向下游，緩～中等傾角裂隙和卸荷裂隙及層面組合對開挖邊坡穩定不利；左壩肩中上部、右壩肩下部發育有規模較大的溶洞，水平發育深度較大。卸荷帶發育深度較深，對壩肩抗滑穩定影響大。對于地形條件而言，適合建設碾壓混凝土拱壩，然而對于壩址區的地質條件而言，拱壩的兩岸壩肩穩定問題突出。

鋼筋混凝土面板堆石壩壩軸線附近兩岸地形不對稱，左岸地形陡峻、巖體完整，右岸壩肩下部相對較緩，卸荷裂隙、溶洞發育，巖體以碎裂結構為主；左壩肩地形陡峻，緩～中等傾角裂隙和卸荷裂隙及層面組合對開挖邊坡穩定不利，人工高邊坡穩定問題突出；左岸PD535平洞（高程2271m）揭示的為未充填溶洞，雨季洞口深22m以外有滴水現象，卸荷裂隙發育，右壩肩中下部喀斯特發育，存在規模較大、連通性好巖溶管道，對趾板防滲不利。

瀝青混凝土心墻堆石壩適應性較強，對巖體力學指標要求不高，避免了河谷不對稱、喀斯特防滲及人工開挖高邊坡等不利地形地質條件。有效地減少了對自然邊坡的人工干擾，不會形成人工開挖高邊坡。瀝青混凝土心墻防滲效果好，自愈能力和適應變形能力強，具有一定的技術優勢。碾壓式瀝青混凝土心墻可與壩體堆石一起快速施工。因此，瀝青混凝土心墻堆石壩對地質條件的適應性較好，推薦壩型為170m級的瀝青混凝土心墻堆石壩［6］。

3 瀝青混凝土心墻堆石壩設計

3.1 壩體分區設計

去學瀝青混凝土心墻堆石壩壩頂高程為2334.2m，壩頂寬度為15.0m，壩頂軸線長度為220m，最大壩高173.2m，心墻高度132m。大壩上游壩坡為1:1.9，上游壩體與上游圍堰結合。下游壩坡設置 “之”字形上壩公路，路面寬10.0m，路面之間壩坡為1:1.3，綜合坡比為1:1.841。筑壩材料分區從上游到下游為：上游干砌石護坡、堆石Ⅰ區（碾壓增模Ⅰ區）、上游過渡層Ⅱ區、上游過渡層Ⅰ區、瀝青混凝土心墻（厚0.6～1.5m）、下游過渡層Ⅰ區、下游過渡層Ⅱ區、堆石Ⅱ區（碾壓增模Ⅱ區）、堆石Ⅰ區、下游干砌石護坡。瀝青混凝土心墻采用碾壓式，可較好地適應工程區的干熱氣候條件。心墻頂部高程2333.0m，頂部厚0.6m，頂部高程以下按公式t＝0.6＋0.007×（2333－該處心墻截面高程）逐漸加厚。心墻上、下游坡比為1:0.0035。心墻底部設3.0m高的放大腳與上部心墻平順連接，最大壩高剖面放大腳厚度從1.5m漸變為3.0m。壩體分區典型橫剖面見圖2。

圖2 壩體典型橫剖面圖Figure 2 Typical cross section of dam1—干砌石護坡；2—堆石Ⅰ；3—碾壓增模Ⅰ；4—過渡層Ⅰ； 5—過渡層Ⅱ；6—瀝青混凝土心墻； 7—碾壓增模Ⅱ；8—堆石Ⅱ

3.2 技術難點

電站壩址為非對稱陡峻狹窄河谷，河谷寬高比1.26，河床左岸發育有基巖深槽。壩址區巖性為較軟的大理巖化細晶灰巖，地層巖溶較發育，地震設防烈度較高，超高瀝青混凝土心墻堆石壩設計難度大。

3.2.1 河床基礎深槽處理

根據大壩心墻基礎開挖揭露的實際地質情況，河床底部為下切強烈的深槽，壩軸線方向寬18m，深度32m。右岸上部開挖基礎整體平順，然而河床底部深槽與右岸岸坡開挖基礎之間存在41m寬的巖基平臺，兩岸心墻基礎開挖體型為：左岸由上到下開挖坡比依次為1:0.33、1:0.26；右岸開挖坡比由上到下依次為1:0.5、1:1.1、1:0.55、41m寬平臺、1:0.32。

考慮到瀝青混凝土力學性能的復雜性，工程界對心墻高度超過150m的瀝青混凝土心墻堆石壩的安全性存在擔憂；同時，考慮到河床深窄基坑施工難度大，為確保施工進度，研究確定維持現有右岸41m寬的基巖平臺，不再進行爆破開挖。針對深窄、不對稱的基礎體型，右岸41m寬平臺的存在致使基礎開挖體型存在較大突變，對平臺以及深槽附近心墻的受力極為不利，影響防滲安全。

為了解決基礎開挖體型對心墻受力的不利影響，對多種工程措施進行了研究，經比較，確定采用高混凝土基座布置方案對基礎開挖體型進行修正，形成了“高瀝青混凝土心墻+高混凝土基座”的防滲結構，瀝青混凝土心墻高度132.0m，混凝土基座高度32.0m。修正后的心墻基礎體型平順，改善了瀝青心墻的工作性態，同時，有效降低瀝青混凝土心墻高度至132m。根據三維有限元數值計算分析，心墻應力水平低于0.7，受力狀態良好，處于結構安全狀態。

3.2.2 陡峻邊坡心墻接頭結構研究

去學水電站壩址區屬高陡不對稱河谷地形，瀝青混凝土心墻與混凝土基座接頭的結構形式直接關系到大壩防滲系統的安全。為研究瀝青混凝土心墻與基座接觸部位的防滲安全性，開展了瀝青混凝土心墻接頭模型試驗，對接頭部位的瀝青瑪蹄脂、心墻與基座接觸面的型式、心墻和基座是否設置銅止水等進行了試驗研究，成果表明：在模擬運行工況中心墻接頭部位可能的應力變形情況下，在接頭部位設置瀝青瑪蹄脂，并采用弧面基座設置止水銅片，且瀝青混凝土心墻下部局部放大，接頭部位均未發生滲漏。

3.2.3 陡邊坡瀝青混凝土心墻變形協調性研究

去學水電站瀝青混凝土心墻高度大，壩址處河谷狹窄，兩岸邊坡不對稱，尤其左岸水泥混凝土基座邊坡設計為1（垂直）:0.33（水平）。在大壩施工和運行過程中，瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位可能發生較大的剪切位移，影響心墻的防滲安全性，因此需要瀝青混凝土心墻在陡邊坡接頭部位應具有較大的變形能力。

利用不同配合比瀝青混凝土長期蠕變試驗得出的蠕變穩定模量，采用簡化的二維有限元計算方法計算分析沿左岸陡邊坡改變心墻瀝青混凝土配合比對心墻與基座的接頭部位性能的影響。計算結果表明：調整左岸陡邊坡心墻瀝青混凝土的油石比，對基座附近心墻的變形和應力應變影響不大，主要體現在對剪切應變的影響，當油石比調整到7.4%時，剪切應變明顯增大，當微調油石比至7.0%時，瀝青混凝土的變形能力得到提高，而未引起過大的剪切應變，滿足工程要求。

3.2.4 筑壩料分區原則研究

筑壩料分區設計按照當地材料壩就地、就近取材和挖填平衡原則，達到確保壩體安全、節省工程投資和加快工程進度的目的。考慮到去學超高瀝青混凝土心墻堆石壩的結構功能、壩坡穩定、壩料強度、壩體滲透性、壓縮性等方面的要求，上壩料利用紐巴雪料場開采的玄武質熔結角礫巖和樞紐區開挖的弱風化及微風化玄武質熔結角礫巖。玄武質熔結角礫巖飽和抗壓強度116～125MPa，軟化系數0.86，滿足壩體填筑要求。

壩體各筑壩材料間應變形協調，盡可能減少壩體變形對瀝青混凝土心墻的不利影響，同時兼顧壩料滲透反濾保護、結構功能要求。瀝青混凝土心墻為高132m的柔性傳力結構，為了控制其施工期、運行期的撓度變形，應特別注意心墻上下游過渡料、上下游堆石料填筑指標的設計。另外，去學壩址左岸岸坡陡峻，心墻及其與基座接觸面的工作條件較差，為盡量減小該部位壩體變形量，改善心墻及其與基座接觸面的工作條件，在左岸壩體陡于1:0.5的岸坡接觸部位設置碾壓增模區，提高壩料填筑指標，以減少陡邊坡對壩體不均勻變形的不利影響，從而減少左岸心墻附近壩體的不均勻變形量，使壩體堆石模量呈梯度過渡。左岸碾壓增模區頂部高程2305.00m，距離混凝土基座寬5.0m以1:0.5坡度，向右岸放坡；垂直壩軸線方向，分別向上下游以1:0.5坡度放坡至河床。去學大壩上壩料填筑設計指標見表1。

表1 壩體主要填料設計指標表Table 1 Design index of filled materials in dam

3.2.5 抗震措施

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度。由于壩體高度大，河谷狹窄，兩岸岸坡陡峻，為確保地震工況下壩體安全，減少震害影響，去學攔河壩采用了如下抗震措施：

（1）壩體分區：結合壩體應力變形及地形地質條件等特點，對壩體進行合理分區，采用級配和性能較好的石料填筑施工，并適當提高碾壓標準。心墻為柔韌性好的瀝青混凝土，適應振動和變形能力強，且具有裂縫自愈能力。

（2）壩頂安全超高：考慮地震涌浪高度，并結合工程實際情況及工程經驗預留地震沉降，使壩頂高程滿足地震時的超高要求，不發生庫水漫頂。

（3）壩頂結構及壩坡：為提高地震時壩頂的整體性和穩定性，減少地震引起的永久變形，對壩頂寬度適當加大，取15.0m；壩體高程2305.0m以上，鋪設雙向聚丙烯土工格柵；上游壩坡在死水位2305.0m以下5.0m至壩頂高程范圍，以及下游壩坡，均采用厚80cm的干砌塊石護坡。

（4）瀝青混凝土心墻：心墻與基座連接部位采用心墻厚度逐漸擴大的形式連接，接觸面設瀝青瑪蹄脂和銅止水，以提高地震時的防滲性能。

（5）提高施工質量：施工中嚴格控制填筑層厚、碾壓遍數、加水量等施工參數，做好過程控制，確保壩體碾壓密實，減少地震沉陷。

表2 鄧肯-張E-B模型計算參數表Table 2 Parameters of Duncan-Chang E-B model

4 壩體應力變形

4.1 有限元計算成果

壩體應力變形采用三維有限元法、鄧肯E-B模型進行計算，模擬壩體分級填筑和蓄水加載過程。分別進行了靜力和動力工況計算，模型主要計算參數見表2。

計算結果表明：

（1）竣工時，壩體大小主應力最大值分別為2.5MPa和0.95MPa，心墻內無拉應力；蓄水后壩體大小主應力最大值分別為2.2MPa和1.15MPa，心墻局部出現拉應力，最大值約-0.108MPa，小于瀝青混凝土允許抗拉強度0.6MPa，心墻不會出現拉伸破壞。

（2）竣工期，壩體最大沉降99cm，占壩高的0.57%，最大沉降發生在壩體中下部。蓄水后壩體最大沉降較施工期有所增加，最大沉降為113cm，占最大壩高的0.65%。

（3）填筑期，心墻最大沉降106cm，蓄水期最大沉降118cm；最大順河向水平位移17cm，位于心墻頂部。心墻最大撓跨比為1.7‰。心墻最大應力水平為0.48，位于左岸中部靠上游區域和心墻靠近底部區域，蓄水期增大至0.67，位于左岸中部靠上游區域。

（4）竣工期心墻與岸坡基座沿岸坡向最大錯動位移為3.80cm，滿蓄期增至4.12cm，最大值均位于左岸靠頂部區域。為了提高基座與心墻結合處的防滲安全，在錯動位移較大的部位采取了加寬心墻的工程措施。

（5）動力時程法分析結果表明：加速度在壩體內總體反應不大，但在壩頂區和壩坡明顯較大，表現出鞭梢效應。由于出現峰值加速度的作用時間較短，不至于對整個壩體的安全性造成較大危害。豎向最大永久位移26cm，發生在壩頂中部附近，約占壩高的0.15%，壩體在震后變形主要形式是震陷。

4.2 主要監測成果

根據壩型和壩體分區設計情況，對大壩進行了多斷面和多高程的變形監測。截至目前，壩體堆石和心墻的主要變形情況如下：

（1）壩體沉降的最大值為72.6cm。

（2）根據心墻壩最大剖面（壩橫0+70.00m）的陣列式位移計監測數據，自蓄水以來，心墻整體呈向下游位移，最大位移約9.0cm，位于2225～2235m高程之間。

（3）左右岸心墻與基座之間位錯計的監測數據表明：左岸心墻與岸坡基座之間的錯動位移最大值為5.2mm，位于2315m高程處。

以上監測成果表明：壩體沉降僅占最大壩高的0.42%；心墻向下游的位移9.0cm，小于計算值；瀝青混凝土心墻與岸坡基座沿岸坡向錯動位移5.2mm，遠小于計算值。壩體及瀝青混凝土心墻的變形值總體不大。

5 結束語

去學瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高173.2m，心墻最大高度132m，大壩和心墻高度均居世界同類工程之首。針對超高瀝青混凝土心墻堆石壩壩體分區、陡邊坡心墻變形協調性、心墻接頭防滲結構、高瀝青混凝土心墻壩抗震等關鍵技術，經方案比較分析、模型試驗和三維數值計算等方法論證，提出解決措施并應用于去學大壩。電站蓄水運行兩年多以來，大壩各項監測數據表明大壩處于安全運行狀態［7］。去學170m級高瀝青混凝土心墻堆石壩的建成使用，將使瀝青混凝土心墻堆石壩這種優越的壩型得以進一步發展，相關技術成果也將推進我國瀝青混凝土心墻堆石壩的技術進步，同時也可完善和補充相關的技術標準。