任意料在納達水庫瀝青混凝土心墻土石壩中的應用研究

涂曉霞

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 工程概況

納達水庫位于興義市倉更鎮境內，南盤江支流岔河下游河段，壩址以上控制集雨面積為39.4 km2，多年平均流量為0.69 m3/s。水庫正常蓄水位為1 037.0 m，死水位為1 010.0 m，興利庫容為722.2萬m3，校核洪水位為1 040.0 m，總庫容為1 076.8萬m3，是以農田灌溉、鄉鎮供水和農村人畜飲水等綜合利用的中型水庫工程，經多種壩型比較和研究，擋水壩采用瀝青心墻混合土石壩，最大壩高為81.2 m，工程靜態總投資為6.44億元[1]。

壩址河谷為高山峽谷，地形呈“V”型發育，屬侵～蝕剝蝕低中山區，河谷為高山峽谷地形，左岸1 031 m高程以下坡角為35°～50°，1 031 m高程以上岸坡較緩，坡度為25°～30°，右岸山體高程大于1 200 m，坡角為30°～40°。壩址左岸為斜逆向坡，壩址右岸為斜順向坡。

第四系殘坡積層(Q4edl)含碎石粉質粘土，厚約1.60～6.20 m。第四系河流沖積層(Q4al)上部為粉質粘土，下部為含泥砂礫卵石層，厚約5.0～8.0 m。

壩區基巖三疊系中統河口組上段(T2hb)細砂巖與灰質泥巖互層，河床未揭露全風化層，強風化層厚度為0.80 m左右，左岸全風化層厚度為0～22.30 m，強風化厚度為13.80～36.0 m，右岸未揭露全風化層，強風化厚度為2.80～11.20 m。壩區構造節理較發育，主要為背斜褶曲縱、橫張裂隙。細砂巖飽和單軸抗壓強度達Rb=64.8 MPa，屬堅硬巖。灰質泥巖飽和單軸抗壓強度達Rb=14.4 MPa，屬軟巖；壩址弱風化細砂巖屬AⅢ2類巖體，弱風化灰質泥巖屬CⅣ類巖體。壩址區細砂巖夾灰質泥巖或互層，構成了壩址區軟硬相間的巖體結構，灰質泥巖成為相對軟巖夾層，巖體強度受軟巖夾層控制。

左右岸第四系殘坡積層屬于中等透水～弱透水層，河床覆蓋層砂卵礫石為強透水層。按透水率q≤3 Lu作為相對隔水層標準，相對隔水層左岸埋深為21.30～59.85 m，相應高程為974.37～1 023.09 m，河床埋深為24.45～60.0 m，相應高程為912.62～946.09 m，右岸埋深為30.90～56.30 m，相應高程為972.11～1 010.13 m。

工程區地震動峰值加速度為0.05g[2]，相應地震基本烈度為Ⅵ度，總體屬區域構造穩定性好的地區。本工程各建筑物抗震設防烈度為Ⅵ度，可不進行抗震計算[3]。

2 壩體設計

2.1 大壩剖面設計

瀝青混凝土心墻混合土石壩壩體結構分區分為碾壓式瀝青混凝土防滲心墻、上下游過渡層、壩體弱風化料(1A)(1B)區、強風化石渣料區、壩體混合料、排水帶、反濾層等,壩體結構分區遵循變形模量由中間向兩邊逐漸變小的原則。大壩壩頂鋪設瀝青混凝土路面，上游側設L型混凝土防浪墻，大壩防浪墻頂高程為1 042.2 m，壩頂高程為1 041.2 m，河床最低建基高程為960.0 m，大壩最大壩高為81.2 m，壩頂寬度為10 m，壩頂長為250 m。壩體上游壩坡分5級，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程設3 m寬馬道并變坡，在全年圍堰頂高程1 003.0 m設15 m寬馬道并變坡，在枯水圍堰頂高程986.9 m設7 m寬馬道并變坡，自壩頂向下坡比分別為1∶2.75、1∶3、1∶3、1∶3和1∶3。下游壩坡分4級，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程和990.0 m高程處設3 m寬馬道并變坡，自上而下坡比分別為1∶2.5、1∶2.75、1∶2.75和1∶2.75。在高程980.0 m以下設堆石排水棱體，棱體頂寬為3 m，上游面坡度為1∶1，下游面坡度為1∶1.5，在棱體上游面及棱體底層設反濾層。排水棱體與壩內水平排水形成完整的壩內排水系統(見圖1)。

圖1 納達大壩瀝青混凝土心墻混合土石壩典型橫剖面示意(單位：m)

瀝青混凝土垂直心墻[4]頂高程為1040.2 m，最低墻底高程為966.0 m。瀝青混凝土心墻厚度呈階梯型布置，從上至下分別為0.6 m、0.9 m、1.2 m，厚度變化處高程分別為991.0 m、1 016.5 m，厚度變化處采用1.5 m高斜坡漸變連接。混凝土基座頂以上3 m高度內為瀝青混凝土加厚段，基座頂部心墻寬度為 3 m。瀝青混凝土心墻的基座采用梯形斷面，基座厚度為3 m，底部寬度為6 m。

2.2 壩基處理

在壩基填筑前，對基座開挖槽至上下游坡腳線(包括圍堰坡腳線)外5 m范圍內的樹木、草皮、樹根等全部清除整平后，采用20 t以上碾壓設備振動碾壓10遍以上，方可填筑上層筑壩料。

河床壩段混凝土基座開挖至弱風化層上部，開挖寬度為6 m。左岸的帷幕灌漿上、下游側各布置1排，排距為4 m，孔間距為3.0 m，灌漿長度為6 m或10 m。

大壩及溢洪道沿壩軸線布置1排帷幕灌漿孔，帷幕深入相對隔水層(q≤3 Lu)5 m，左、右壩肩帷幕伸入正常蓄水位與相對不透水層(q≤3 Lu)相交處，壩肩帷幕采用灌漿平洞灌漿，帷幕中心線總長約為 460 m，孔距為2 m，防滲面積為1.49萬m2。

2.3 筑壩材料

壩體材料分區主要是在保證大壩安全運行的前提條件下，根據壩體各部位工作和受力條件、填料來源及其強度、滲透性、壓縮性等特性，分別提出不同的要求，以充分利用建筑物開挖料，力爭降低工程造價，簡化施工，縮短施工工期。

壩體材料主要由混合料、強風化石渣料、弱風化料、堆石排水棱體、過渡料、排水反濾料、墊層料等土石料填筑而成，分層碾壓密實，總填筑量為190.37萬m3[5]。

1) 土石混合料和強風化石渣料

土石混合料和強風化石渣料填筑總量約為142.67萬m3，優先充分利用大壩、溢洪道開挖的土石料填筑壩體，開挖利用料80.56萬m3，其中直接上壩12.59萬m3，二次轉運67.97萬m3；不足部分就近開挖庫內料場的土料和強風化料，庫內土石混合料場料62.11萬m3，距離壩址約500 m，可直接上壩。

2) 弱風化料

弱風化填筑料約為32.23萬m3，為就近開采庫內混合料場的弱風化料直接上壩。運距約為500 m。

3) 過渡層、排水反濾料、堆石排水棱體

過渡料、排水反濾料和堆石棱體料填筑總量約為15.47萬m3，均采用質密、堅硬、抗風化、耐侵蝕的灰巖料，料源從仁家灣石料場開采，運距約為14 km。

3 壩體計算

3.1 壩體滲流分析

根據壩體斷面，建立了大壩典型橫剖面(河床最大壩高剖面)的二維滲流模型，分析各工況下滲流場特性。壩體材料滲透參數依據地質及試驗建議取值，滲透系數見表1所示，滲流計算成果見表2和圖2。

表1 滲流計算主要參數

表2 各滲流工況下的上、下游水位

圖2 正常蓄水位穩定滲流流網示意

根據計算可知,大壩典型橫剖面(河床最大壩高剖面)浸潤線在壩體內部已經下落到水平排水體內，不會從壩體下游坡逸出；壩體心墻、砼帷幕、壩基砂卵礫石滲透比降均小于其允許滲透比降，滿足滲透穩定要求，壩體滲流出逸點較低，對壩體穩定較有利。設計采取的滲控措施合理，庫水入滲流量較小，處于可接受水平。

3.2 穩定計算

1) 由于壩體填殼料采用任意料，主要來源于建筑物開挖料中的殘破積土料、全風化土料和強風化細砂巖與灰質泥巖，強度較低，大壩壩坡宜采用相對較緩的坡比以保證壩坡穩定。

2) 根據壩體填筑料物理力學試驗確定的抗剪強度參數，通過抗滑穩定計算，確定滿足抗滑穩定需要的壩體斷面和壩坡。

壩坡穩定計算采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，壩體浸潤線均采用滲流計算成果。根據壩體填料的室內物理力學試驗，并參考類似工程經驗，確定大壩穩定計算的物理力學參數見表3。

表3 穩定計算主要參數

各工況的計算結果匯總見表4，計算結果表明，上游壩坡穩定由驟降工況控制，下游壩坡穩定由地震工況控制，上、下游壩坡的穩定安全系數均大于允許值，大壩壩坡是穩定的。

表4 大壩壩坡穩定計算結果匯總

3.3 應力應變分析

為了進一步驗證壩體結構斷面的合理性，建立了“河谷—大壩”三維有限模型，考慮了滲流與壩體的耦合，對大壩填筑過程及主要控制工況進行了數值仿真，分析大壩主要分區的應力和變形、瀝青心墻的工作狀態和檢驗水力劈裂。

1) 計算參數

河谷地基和混凝土采用彈性本構，瀝青心墻及其他壩體分區采用鄧肯—張本構[6-9],主要參數取值見表5和表6。

表5 帷幕灌漿蓋重力和河谷主要參數取值

表6 壩體主要分區材料參數取值

2) 壩體應力、變形計算成果與分析

三維靜力計算成果見表7 和圖3～圖5，大壩上下游區位移關于壩軸線大致呈對稱分布，且均指向壩外，其中上游壩坡向上游方向最大水平位移為12.6 cm；下游坡向下游移動的最大水平位移為14.5 cm，均發生在2/3壩高的壩坡附近處；上游壩坡最大豎向沉降40.5 cm，下游壩坡最大豎向沉降40.2 cm，約為壩高的0.675%，均發生在1/2～2/3壩高壩殼料附近，符合一般土石壩沉降規律，說明壩體的分區和填筑設計是合理的。蓄水期的壩體相對于完建情況上抬，且上游壩坡抬升較下游壩坡大。這是因為擋水情況下，壩體存在滲流場，孔隙水壓力和超孔隙水壓力作用下產生向上、向下游的浮托力，且上游浮托力大于下游浮托力，所以壩體的有效應力相對于完建期減少了，且上游壩體有效應力減少量大于下游壩體。

表7 壩體變形、應力極值成果

蓄水期，在水壓力的作用下，壩體水平變形整體向下游位移。由于過渡層和弱風化料與壩殼料模量相差比較大，壩體內部變形較小，而壩殼混合料的變形則相對較大，會引起壩體的應力重分配，過渡層的應力明顯比混合料提高。

3) 心墻變形、應力和應變分析

各工況瀝青心墻的變形見表8和圖6～圖7。

表8 瀝青心墻變形、應力極值成果

心墻沿順河向水平位移最大值完建期為向上游4.4 cm，蓄水期為向下游3.0 cm，其最大撓跨比約為0.05%，心墻不會發生撓曲破壞。心墻應力極值均出現在完建期，第一主應力最大值為拉應力為15.18 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗拉強度480 kPa；最大壓應力1 110 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗壓強度2 580 kPa。蓄水期最大拉應力為12.40 kPa，小于瀝青混凝土心墻的抗拉強度660 kPa[10-11]，心墻不會發生水力劈裂[12-14]。

4 結語

興義市納達水庫工程為Ⅲ等中型工程，在擋水壩設計上應用了瀝青混凝土防滲和全斷面土、石混合任意料筑壩兩項新技術，是貴州省第一座利用棄渣任意料填筑的瀝青心墻壩、也是截至目前貴州省最高的瀝青心墻混合土石壩。根據開挖料的物理力學特性和壩體各部位對壩料的不同要求，為充分合理利用建筑物開挖料，通過計算各種可能工況下大壩上、下游壩坡的抗滑穩定，深入分析大壩在施工期、運行期的應力和變形，以及大壩的滲流場特性，科學合理地確定了大壩的斷面、壩體材料分區和設計指標。2018年3月20日大壩開始施工，2019年12月18日大壩封頂，2022年6月1日水庫正式下閘蓄水，目前水庫已蓄至死水位1 010.0 m左右，大壩運行正常。納達水庫瀝青混凝土心墻土石壩的建成，可為類似工程提供經驗和借鑒。