建在砂礫石覆蓋層上的SHM水庫瀝青心墻壩設計

董訓山

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000)

1 工程概況

SHM水庫工程位于新疆北疆某縣，是一座具有灌溉、鄉鎮供水、工業供水同時兼顧發電的綜合利用水利樞紐工程。樞紐工程由攔河壩、溢洪洞、導流泄洪洞、發電引水系統及電站廠房等主要建筑物組成。水庫總庫容4613萬m3，壩型為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高為105.0m，為中型Ⅲ等工程。

2 設計

2.1 地形地質條件

2.2 壩體結構設計

大壩壩體填筑分區從上游至下游分為：上游壩殼堆石料Ⅰ區、上游過渡料ⅢB區、上游過渡料ⅢA區、瀝青砼心墻區、下游過渡料ⅢA區、下游過渡料ⅢB區、河床反濾料Ⅳ區、開挖利用料Ⅱ區、下游壩殼堆石料Ⅰ區，斷面如圖1所示。

2.3 壩體分區設計

壩殼堆石Ⅰ區：位于壩體上、下游側，采用爆破新鮮塊石料，級配連續最大粒徑Dmax=600mm，小于5mm含量小于15%，小于0.075mm含量≤5%，填筑孔隙率n<21%，滲透系數1.0×10-1～1.0×100cm/s。

開挖利用料Ⅱ區：ⅡA區利用料區采用河床及左岸建筑物開挖砂礫石料填筑，控制最大粒徑Dmax=600mm，小于0.075mm含量≤5%，碾壓相對密度Dr>0.85，滲透系數1.0×10-2～1.0×10-3cm/s。ⅡB利用料區采用壩基、溢洪洞、泄洪洞、發電洞等建筑物開挖石料填筑，級配連續，控制最大粒徑Dmax=600mm，小于0.075mm含量≤5%，填筑孔隙率n<21%，滲透系數1.0×10-1～1.0×100cm/s。

過渡料ⅢA區：位于瀝青混凝土心墻兩側，頂高程與瀝青心墻頂高程一致，最小水平寬度2m，等寬布置。ⅢA區采用商品料場砂礫石料填筑，級配連續，最大粒徑Dmax=80mm，小于5mm含量25%～40%，小于0.075mm含量≤5%。碾壓相對密度Dr≥0.85，滲透系數1.0×10-2～1.0×10-3cm/s。

圖1 大壩橫斷面設計

過渡料ⅢB區、壩基過渡料ⅢC區：ⅢB區位于過渡料ⅢA區兩側。鋪筑頂高程與瀝青心墻頂高程一致，水平寬度2m，等寬布置；ⅢC區考慮壩殼料與基巖的模量過渡，在壩殼料與兩岸基巖接觸面鋪筑，厚度為2m。ⅢB區、ⅢC區采用商品料場砂礫石料填筑，級配連續，最大粒徑Dmax=150mm，小于5mm含量25%～40%，小于0.075mm含量≤5%，碾壓相對密度Dr≥0.85，滲透系數1.0×10-1～1.0×10-2cm/s。

河床過渡料Ⅳ區：雖然壩殼堆石料與壩基覆蓋層滿足反濾關系，但考慮2者模量相差較大，在下游側壩殼堆石料與河床砂礫石接觸處設置河床過渡料Ⅳ區。過渡料厚2m，采用商品料場砂礫石料鋪筑，級配連續，最大粒徑Dmax=450mm，小于5mm含量15%～35%，小于0.075mm含量≤5%，碾壓相對密度Dr≥0.85，滲透系數1.0×10-1～1.0×10-2cm/s。

2.4 瀝青混凝土心墻設計

2.4.1瀝青心墻的型式

瀝青混凝土心墻有2種型式，一種為碾壓式瀝青混凝土心墻，一種為澆筑式瀝青混凝土心墻。據統計，在當前新疆，瀝青心墻壩已建、在建的澆筑式和碾壓式瀝青心墻壩近百座，50m以上的壩主要采用碾壓式瀝青心墻，50m以下的壩多采用澆筑式瀝青心墻。碾壓式瀝青混凝土心墻，機械化施工程度高，施工方法簡單易控、進度快。瀝青用量少，是高壩中常采用的形式；澆筑式瀝青混凝土心墻，可采用人工方式在嚴寒地區冬季施工，瀝青用量高達13%，塑性好。SHM水庫雖處年溫度變化大、冬季氣候寒冷的地區，但根據施工安排不需要冬季施工；另外，該項目屬高壩、地震設防烈度高，碾壓式瀝青各項指標均優于澆筑式，根據目前國內碾壓式瀝青心墻的發展現狀，設計采用碾壓式瀝青混凝土心墻。

2.4.2瀝青心墻的厚度

瀝青砼心墻采用垂直式，墻體軸線偏向上游，距壩軸線3m。根據規范以及參考疆內工程的經驗，考慮到水庫地處高地震烈度區和壩基的深厚覆蓋層，從有利于抗震角度出發，心墻底部最大厚度選用1.1m。頂部厚度考慮抗震和機械施工的需要尺寸選定為0.5m。隨著水頭增高，心墻由頂至底采用臺階式加寬，心墻寬分為0.5、0.7、0.9、1.1m。為保證瀝青混凝土心墻底部與基座連接，垂直擴大段高度與心墻底部寬度均為2.4m，并與C25混凝土基座連接，在心墻和基座之間涂抹瀝青瑪蹄脂并采用一道止水銅片止水。

2.4.3瀝青心墻基座的設計

心墻基座采用鋼筋混凝土結構，布置在心墻底部，軸線與心墻軸線相同，與心墻共同作用，形成壩基以上的防滲體。兩岸岸坡段基座厚1.5m，基座頂部寬度8.5m，河床段基座為矩形結構，基座寬度為3.4m，厚度為2.5m。河床及岸坡段基座與心墻擴大段接觸面設2cm厚瀝青瑪蹄脂和一道銅止水，砼強度等級為C25，抗滲等級為W8。

2.4.4河床段防滲墻的設計

河床段壩基覆蓋層厚約32m，滲透系數7.06×10-1～0.24×10-2cm/s，屬強透水層，為壩基滲漏通道，需采取工程措施進行防滲處理，本次采用防滲墻對壩基進行防滲處理。

就目前國內外工程實例來看，重要的、永久的大中型工程防滲墻一般采用剛性材料；塑性混凝土等柔性材料多限于中低壩及圍堰等臨時性工程。鑒于本水庫的重要性和壩基覆蓋層地質情況的復雜性，設計選用剛性的普通混凝土作為墻體材料。類比冶勒、下坂地大壩防滲墻材料的有關技術參數，本工程混凝土設計標號為C35，抗滲等級為W8，相應的滲透系數K≤1×10-8cm/s。

2.4.5河床壩基處理

根據地質勘察結果，河床表層2m覆蓋層級配不連續，顆粒組成不均一，分選性差，局部分布孤石，設計首先對壩體輪廓范圍內的坡積物進行全部清除處理，再對河床表層2m厚松散且級配不連續的河床砂卵礫石層進行挖除處理。由于2m以下覆蓋層相對密度平均值為0.76，為減小心墻及壩體變形將心墻軸線上、下游1/3壩底寬度范圍進行強夯處理。

強夯初定3遍，2遍點夯1遍滿夯，夯點正方形布置，第一遍點夯采用6000kN·m夯擊能，間距6m×6m布置形式；第二遍點夯采用6000kN·m夯擊能，在第一遍夯點中心插點夯擊，間距6m×6m，2遍點夯最終形成3m×3m夯距正方形布點。第三遍采用2000kN·m低級能滿夯，夯印搭接1/4錘徑，強夯影響深度按7m控制。強夯完成后對壩體輪廓范圍內河床砂卵礫石建基面采用25t振動平碾碾壓8遍處理，要求夯后相對密度不小于0.85，強夯參數由經現場試驗最終確定。

2.5 大壩三維靜力分析

2.5.1計算模型及參數

三維有限元計算模型采用8節點六面體單元或者6節點五面體單元進行網格剖分，局部采用4節點四面體單元，共剖分118614個單元，如圖2所示。基巖采用截斷選取，并在其底部施加固定位移約束，水平方向施加法向約束。

圖2 三維整體網格剖分

計算模擬施工的全過程，荷載分級按壩體填筑次序進行，壩體施工順序為水平逐層施工，共分為31個加載步模擬壩體填筑，3個加載步模擬蓄水，每步加載又分5個增量步，以反映材料非線性過程。見表1。

表1 有限元模擬施工及蓄水過程

三維靜力有限元計算參數根據大型三軸試驗確定，其中瀝青混凝土計算參數根據工程類比確定，見表2。

混凝土防滲墻、基座與基巖采用線彈性模型，心墻基座、防滲墻采用C35混凝土，彈性模量取31.5GPa，泊松比取0.167，密度取2.40g/cm3；根據其他工程進行類比，基巖彈性模量取5.0GPa，泊松比取0.3，密度取2.60g/cm3。長江科學院2004年曾針對茅坪溪瀝青混凝土心墻堆石壩，采用疊環式剪切儀進行了2種不同級配粗粒料與瀝青混凝土的接觸面試驗，取得了接觸面強度和應力應變關系有關參數，本次參照其試驗成果，瀝青混凝土與過渡料之間接觸面的摩擦角取31°，亦即摩擦系數取0.6，基座與堆石料之間接觸面的摩擦角取11.3°，亦即摩擦系數取0.2。

表2 E-B模型參數

2.5.2計算結果

表3為壩體竣工期及蓄水期的應力、變形最大值統計表。圖3—4為壩體不同工況下典型橫剖面(壩0+155.0)的變形、應力及應力水平等值線圖。

表3 壩體應力、變形最大值統計

圖3 竣工期壩體應力變形等值線

圖4 蓄水期壩體應力變形等值線

(1)竣工期壩體最大沉降為69.2cm，占壩高的0.677%，蓄水后壩體豎向沉降最大值為72.3cm，占壩高的0.707%，均位于壩體中部高程位置。同時，蓄水后壩體水平向上游變形區域和數值減小，最大值為14.6cm；向下游變形區域和數值有所增大，最大值為24.1cm。

(2)竣工期，瀝青混凝土心墻水平向位移較小，豎向沉降最大值為69.0cm；蓄水后，心墻水平位移有所增大，向下游最大位移為18.5cm，豎向沉降最大值為67.8cm。

(3)壩體和瀝青混凝土心墻的應力分布情況均表現為明顯的自重效應，即大、小主應力的最大值均位于其中間底部位置，符合土石壩的一般分布規律。

(4)計算結果表明，由于瀝青混凝土心墻具有適應變形能力強，塑性性能和防滲安全性能好等優點，使其在竣工期和蓄水期受力狀態良好，發生剪切破壞、撓曲破壞和水力劈裂破壞的可能性不大，大壩防滲體系具有足夠的安全性。

(5)竣工期防滲墻順河向水平位移較小，蓄水后，由于水壓力的作用，此時防滲墻順河向水平位移有所增加，最大值為9.2cm，位于防滲墻的頂端。

(6)竣工時，防滲墻壩軸向壓應力與拉應力最大值分別為9.10MPa與-1.13MPa，豎直向壓應力與拉應力最大值分別為24.43MPa與-0.84MPa。蓄水后，防滲墻壩軸向壓應力與拉應力最大值分別為9.53MPa與-1.21MPa，豎直向壓應力與拉應力最大值分別為20.46MPa與-1.08MPa。從應力分布看，防滲墻大部分受壓應力，拉應力僅分布在其邊緣位置，且數值較小，在混凝土允許抗拉強度范圍之內。

綜上，通過對瀝青混凝土心墻壩的三維有限元靜力計算分析可知，壩體、瀝青混凝土心墻及混凝土防滲墻的應力、變形值在合理范圍內，符合一般土石壩的變化規律，大壩處于穩定安全狀態。

3 結語

SHM水庫地處新疆嚴寒、高地震區域，地質情況較復雜，大壩具有壩高較高、地形變化大、河床覆蓋層較厚、左右岸覆蓋層不相同的特點，為保證壩體抗震、結構穩定安全，設計參考了類似的工程經驗并做了大量的計算，通過提高覆蓋層的密實度、改變防滲墻的材料參數，增加壩基處理等一系列措施，盡量減少壩體變形沉降。最終通過三維靜力分析的驗證，設計所采用的壩體結構和壩基處理是合適的。