勐甸水庫粘土心墻石碴壩設計與實踐

楊海泉

中水珠江規劃勘測設計有限公司 廣東廣州 510610

1 工程等級和標準

勐甸水庫總庫容1336 萬m3，為Ⅲ等中型工程，主要建筑物大壩、導流輸水隧洞和溢洪道為3 級，次要建筑物為4 級，輸水工程和臨時建筑物為5 級。水庫設計洪水標準為50 年一遇，校核洪水標準為1000 年一遇，消能防沖設計洪水標準為30 年一遇。輸水工程跨河、跨箐設計洪水標準為10 年一遇。工程區相應的地震基本烈度為Ⅶ度，工程按Ⅶ度地震設防。

2 壩址、壩線選擇

根據地形地質條件與壩址下游的河勢，并考慮到導流兼引水隧洞的布置等，可研階段布置了兩條壩線進行比較，即上壩址上壩線（簡稱“上壩線”）和上壩址下壩線（簡稱“下壩線）”。通過兩條壩線方案的攔河壩布置比較發現：水庫地形平面上呈漏斗狀，上、下壩線正好位于漏斗的瓶頸處，上壩線壩頂長365m，下壩線壩頂長355m，上壩線河床高程615m，下壩線河床高程613.0m，比上壩線低2.0m，但下壩線偏向瓶頸下游，壩頂長度小于上壩線長度10m，壩體填筑量要小于上壩線，因此初步設計階段確定了上壩址下壩線方案[1]。

3 粘土心墻石碴壩結構設計

大壩壩頂長355m，壩頂寬度8m，壩頂高程651.9m，最大壩高44.5m。壩體分區由上游至下游依次為上游填筑區、反濾層、中心防滲區、反濾層、下游填筑區、排水棱體組成（壩體結構詳見圖1 壩體剖面示意圖）。上、下游填筑區的全、強風化料采用石料場開采的全、強風化混合料，并利用部分溢洪道及隧洞的開挖料。壩體防滲采用粘土心墻，粘土心墻墻頂高程651.0m，頂寬3m，心墻上、下游坡度均為1:0.25。心墻上下游分別設有1.5m 厚的中粗砂和1.5m 厚的級配碎石反濾層，心墻底部設C25 混凝土壓漿板，厚1.0m。

圖1 壩體剖面示意圖

3.1 心墻材料設計與質量控制

大壩壩體采用粘土心墻防滲。根據試驗資料表明：土料場的土料天然狀態下的粘粒含量為35.5%，天然狀態下的塑性指數為Ip=23.90，滲透系數為1.6×10-6cm/s，天然含水率平均值18.70%，擊實后的最優含水率平均值17.10%，各項指標均滿足防滲土料質量要求。

粘土心墻與反濾料、壩殼填筑應盡量平起平壓，均衡施工，以保證壓實質量。防滲土料滲流系數小于1×10-5cm/s，壓實度為96%-98%。在心墻防滲體上、下游均設有反濾層，由級配碎石和中粗砂組成，厚度均為1.5m。最優含水量，取有一定代表性的壩上全風化土的平均值17.1%，施工按-2%至+3%控制。

3.2 壩殼料填筑設計

（1）壩體上、下游壩殼料主要采用石料場的強、中風化混合料和部分溢洪道、隧洞開挖料。石料場的大理巖全-強風化混合料，實驗結果顯示全-強風化混合料其主要指標范圍值為：緊密密度為2.09-2.15g/cm3，內摩擦角（擊實后）31.30°至34.40°，滲透系數（擊實后）2.1×10-4至9.8×10-4cm/s，用于壩上游630m高程以上和壩下游637m 高程以下壩殼料填筑。溢洪道及隧洞的開挖料主要為全、強風化泥質粉砂巖和礫巖，密度為1.98-2.05g/cm3，內摩擦角25°至27°，碾壓后滲透系數＞1×10-4cm/s，用于壩上游630m 高程以下及壩上游637m 高程以上壩殼料填筑。要求料場石碴料填筑指標：相對密度≥0.75。

（2）排水棱體石料主要采用石料場弱風化巖，強度較高，巖石穩定性好，其填筑孔隙率初選24%。

4 壩基開挖及基礎防滲處理

4.1 壩基開挖

大壩河床部位（約95m 范圍）為第四系全新統沖洪積層透水性強，且河床左岸坡度較陡接近1:0.7。主河床左右兩岸下臥3m 左右的第四系全新統殘破積層，透水性較強，滲透系數平均值1×10-3cm/s 至1×10-4cm/s。

鑒于河床砂卵礫石沖洪積層不是很深厚，并且考慮土壩填筑與岸坡結合密實以及防滲需要，清除河床段心墻齒槽部位的砂卵礫石覆蓋層，建于全風化基巖下1-3m，該部位的心墻齒槽開挖垂直深度約6m-14m，齒槽底部寬7m，齒槽上、下游開挖坡度1:1.25。左右兩岸的粘土心墻齒槽基礎建于原地面高程下3m-5m 左右（即第四系全新統殘破積層下挖3m 左右），齒槽兩岸開挖邊坡坡比不陡于1:1.5。心墻齒槽巖面設C25 混凝土壓漿板，厚1.0m，寬7m。上下游壩殼部位清基開挖深度1.0m，剝離表層植被及根植土和河床松散砂卵礫石表層。清基面開挖完成后應對壩基面進行碾壓，碾壓遍數不低于7 遍[2]。

4.2 基礎防滲處理

根據本地質勘察成果，壩基為半成巖全、強風化帶，滲透系數小，但壩基全風化帶顆粒組成極其不均，以砂、砂礫為主，不均勻系數、曲率系數、細顆粒含量均相差懸殊，壩基全風化帶不同部位因顆粒組成不同分別存在流土、管涌以及過渡型滲透變形破壞可能，經計算壩基及繞壩滲漏帶一定深度內運行水力比降超過允許水力比降，存在滲透變形破壞，因此需進行帷幕灌漿防滲處理，處理范圍應封閉滲透變形破壞層，帷幕底界深度應穿過滲透變形破壞層下限5m，以防止壩基、壩肩因滲漏發生滲透變形破壞。

帷幕灌漿中心線總長494m，其中左岸長96m，河床部位355m，右岸43m，采用雙排孔布置，孔距1.5m，排距1.2m。基礎開挖出防滲齒槽后，澆筑1.0m 厚的C25 砼壓漿板，寬7m。帷幕上下游各設1 排固結灌漿孔，固結灌漿孔孔距3m，孔深8m。灌漿材料采用普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5 級或以上。

5 大壩穩定計算及沉降計算結果

5.1 穩定計算

本工程屬中型工程，壩高44.5m，水庫的大壩為3 級建筑物。由于該工程區域設計烈度為7 度，需要進行抗震計算。通過大壩邊坡穩定分析計算，各種工況下，壩坡抗滑穩定安全系數均大于規范規定最小安全系數，壩體設計斷面滿足要求，大壩安全可靠。

5.2 沉降分析

本工程壩基為全風化泥質粉砂巖壩基，選取樁號壩0+215.00、壩0+220.00 兩個典型斷面對壩體和壩基的沉降進行計算。

表1 最終沉降量成果表

6 大壩碾壓質量控制

為保證施工質量，并保證設計所選用的有關土料物理力學指標的合理性，大壩填筑施工前，對土壩不同料源分別進行了試驗。通過試驗和比較確定合適的碾壓施工參數，包括壓實機械類型、機械參數、鋪料厚度、碾壓遍數、灑水量及滲透系數、各種填料施工工藝等[3]。詳見圖2 大壩碾壓質量控制參數。

7 結語

我國水利水電工程碾壓式土石壩技術趨于成熟，并積累了大量寶貴的經驗，為達到工程安全、經濟合理和技術先進的要求，仍需要不斷探索。勐甸水庫工程勘察設計過程中，結合地形、地質條件和填筑材料，對各種壩型進行技術經濟比較后，確定了粘土心墻石碴壩為最佳壩型。本工程壩體填筑材料設計分區充分考慮了溢洪道開挖料以及料場材料的性質和可利用數量，對各區材料的壓實有嚴格要求。在土石壩的設計過程中，在正常和非正常運用條件的荷載組合情況下，必須滿足穩定、滲流、變形等要求，保證它能長期安全運用并充分發揮經濟效益和社會效益。

圖2 大壩碾壓施工質量控制參數