关于红岩水库粘土心墙石碴拦河坝设计探讨

陈华俊

（云南省保山市万润水利电力勘测设计有限公司，云南 保山 678000）

1 工程概况

保山市隆阳区红岩水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物大坝、溢洪道、输水隧洞为3级建筑物，次要建筑物为4级建筑物，临时建筑物为5级，工程按Ⅷ度设防。

大坝轴线为直线布置，坝顶高1459.00m，防浪墙顶高1460.00m，心墙顶高1458.06m，最大坝高61.00m，坝顶宽8.00m，坝顶长176.1m。坝址海拔高程为1398m，控制径流面积约62.6 km2，水库库区特征水位、库容及下泄流量等主要参数详见表1［1］。

表1 库区主要水位、库容及下泄流量表

坝基岩体为灰质白云岩和白云岩，层状结构，多呈弱风化状，勘探孔岩心采取情况表明，岩体相对完整，坝基承载力满足设计要求。基岩上覆第四系松散层，堆积疏松，具中～高压缩性，厚度不均匀，存在压缩变形及不均匀沉陷。据试验及工程地质类比法，坝基岩体主要参数指标为：湿抗压强度为54mP a，密度 γ＝2.5 g／cm3，抗剪强度 φ＝38°～41.5°，C＝75～140 k P a，地基承载力f a k＝1.5～2.5mP a。坝址两岸自然边坡稳定性可靠，产生整体滑动导致大坝失稳的可能性不存在。

2 设计要点分析

该拦河坝是建造在灰质白云岩和白云岩等层状结构上的堆石坝，在设计过程中，要根据坝体及心墙填筑料适应坝基不均匀沉降的能力，进行堆石坝心墙类型比较选择；又要考虑水库水位变化频繁、骤降速度快等特点，充分做好坝体排水、粘土心墙及坝基反滤工作；此外，坝基防渗处理是设计中至关重要的环节，与大坝两岸边坡的接头处理也是该工程大坝系统设计的关键问题，现就该粘土心墙堆石坝工程设计过程的要点进行相应的探讨。

3 坝体结构及心墙类型的确定

大坝坝基多为弱风化状的灰质白云岩和白云岩，层状结构，且周边天然石料资源丰富，相比于混凝土重力坝，采用堆石坝的工程造价会显著降低。心墙堆石坝对基础要求相对较低，堆石沉降对心墙影响也相对较小，所以心墙堆石坝比较适合红岩水库大坝的实际情况。心墙堆石坝方案根据防渗心墙材料的不同，可考虑粘土心墙与钢筋混凝土心墙堆石坝两种结构类型，现将其优缺点比较列表如下，见表2。

表2 两种心墙类型方案优缺点比较

从上表可知，从施工工艺，结构可靠性及工程投资等方面综合比较来看，采用粘土心墙堆石坝方案作为红岩水库大坝的结构设计方案。

4 拦河坝设计

4.1 结构设计

坝体结构分为心墙防渗土料区，布置于坝轴线位置，采用大坝上游的粘土防渗料填筑；上、下游坝壳石渣料区，采用坝址右岸红岩头料场的灰质白云岩风化石碴料填筑。

（1）坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高出坝顶1.0m，为混凝土“L”型防浪墙，墙厚0.3m，墙体设置沉陷缝，间距12m，缝宽3 cm，内填沥青砂浆；下游路肩设C 15混凝土预制块路肩石。

（2）心墙防渗体上、下游坡比均为1︰0.25，顶宽3.0m，顶部高程1458.06m，心墙防渗体底最大开挖高程1398.00m，轴线底设有宽6.0m，厚0.8m 的C 15混凝土灌浆盖板。心墙基岩开挖面采用0.3m厚C 15混凝土衬砌。心墙防渗体上游侧与坝壳料之间设有两层水平宽度均为1.5m的反滤层，下游侧与坝壳料间设有两层水平宽度均为2.0m的反滤层。反滤层与底部水平褥垫相接，水平褥垫底部高程为1398.50m，顶部高程为1404.00m，厚5.5m，其中：上、下各两层为碎石及砂过渡层，厚度均为0.5m，中间一层为3.5m厚的中、小粒径块石填筑。坝脚采用堆石棱体排水，棱体顶部高程1404.00m，宽2.0m。棱体底部嵌入基岩，高程1399.0m，棱体后设集水沟和排水沟汇流排水。

（3）大坝上游设三级变坡，从上而下分别为1︰2、1︰2.2、1︰2.4。坡高分为15m、14m 和16.52m，变坡处设2.0m宽戗台，坝下游设四级变坡（含棱体），从上至下分别为1︰1.8、1︰2.0、1︰2.2和1︰1.5（棱体），坡高分别为15m、14m、26m 和6.5m（棱体）。变坡处设2.0m宽马道。

（4）上游护坡采用厚0.12m的C 15混凝土预制块护砌，护坡范围从坝顶至度汛坝体顶部1430.00m；下游坝坡整体采用固土网格植草护坡。在下游每个马道平台内侧设0.3m×0.4m的砌石排水沟。上、下游坝面均设有2.5m宽的砌石上坝阶梯。

坝顶路面为C 15现浇混凝土路面，下垫30 cm厚干砌块石垫层，并按i＝2%倾向下游。

（5）坝体观测设施。渗透观测：平行于坝轴线设4排14孔测压管，孔深合计422.1m。

沉陷水平位移观测：平行于坝轴线分别沿戗台，坝顶布置29个位移标点，岸坡设14工作基点，14个校核基点。

渗流流量观测：将坝体渗水汇至坝脚集水沟，设三角堰观测。

4.2 基础及边坡处理

（1）坝基防渗处理：坝基防渗与水库整体防渗统一沿坝轴采用灌浆帷幕防渗，坝基段灌浆帷幕长166m，两岸坡及河槽均为接地式帷幕灌浆，灌浆深度至相对隔水层灌浆孔沿坝轴线布置，灌浆采用混凝土盖重板，要求先灌浆再填筑，盖重板采用C 15混凝土，宽6m，厚0.8m，灌浆材料采用纯水泥浆。

（2）坝体与坝基、岸坡的连接：心墙河床部位开挖至高程1398.00m，心墙、反滤层基础置于强风化岩体内1～2m，清基深度3～10m。岸坡段心墙清基自下而上，由深至浅，置于强风化顶界岩体内，心墙部位左岸开挖边坡平均坡比1︰1.57；右岸开挖边坡平均坡比1︰0.95。开挖后对心墙部位的开挖边坡进行现浇C 15混凝土衬砌，厚30 cm。固结灌浆孔设置于心墙底部混凝土板上，帷幕灌浆线的上、下游，固结灌浆孔孔距3.5m，排距3.5m，孔深5m，梅花形布置。灌浆压力2～5 k g，以不抬动混凝土板为原则。

上、下游坝壳石渣料区清基开挖，开挖深度0.8～1.5m，主要清除表层植被、残坡积和突出或松动危岩。与坝体连接的岸坡削成斜面，对于岩石岸坡，削坡不陡于1︰0.75，土质岸坡不陡于1︰1.5。

5 拦河坝设计参数复核计算

5.1 坝料设计

（1）心墙防渗粘土料：根据在料场取原状样、扰动样进行土工试验的结果，土料属红粘土，其物理力学指标满足防渗体土料质量指标要求。心墙防渗粘土料的设计值取值详见表3。

表3 心墙防渗粘土料的设计值

（2）坝壳石渣料：根据对各类扰动样进行物理力学试验的结果，坝壳石渣料的设计取用值详见表4。

表4 坝壳料设计取值

5.2 设计计算

（1）坝坡稳定分析计算：采用简化毕肖普法进行分析，中国水利水电科学研究院（S TA B 95）土石坝坝坡稳定分析程序进行计算，坝坡稳定分析采用的物理力学指标见表5；上游坝坡考虑了2种基本组合，3种特殊组合，下游坝坡考虑了2种基本组合，3种特殊组合，不同荷载组合下的坝坡稳定计算成果见表6。

表5 坝坡稳定分析（坝料）物理力学指标

表6 大坝抗滑稳定安全系数计算成果表

分析成果表明，各种荷栽组合下坝体结构满足稳定要求。

（2）沉降计算：坝体沉降量采用分层总和法计算，对心墙和坝壳分别进行计算。

心墙沉降量：按公式（1）计算，采用压缩曲线分层进行，施工期沉降量按最终沉降量的80%考虑［2］，分六层计算，坝体最大断面的沉降量估算见表7。

表7 坝体最大断面的沉降量估算结果

坝壳沉降量：坝壳沉降量量采用e－t o g p曲线进行计算，施工末期沉降量按最终沉降量的80%考虑，计算分5层，坝壳最大断面沉降量估算见表8。

表8 坝壳最大断面沉降量估算结果

通过分别对心墙，坝壳沉降量的估算结果表明，大坝竣工后心墙与坝壳最高处对应的沉降量为21 cm，心墙与坝壳的沉降差仅为16 cm，且心墙与坝壳间尚有2～4m厚反滤料过渡，红岩水库大坝不会因不均匀沉降而导致破坏。

6 结 语

通过对保山市隆阳区红岩水库工程粘土心墙石碴拦河坝的设计与实施建设，对促进当地完善水利设施和发展经济的可持续发展意义重大。根据相关的评价结论，工程建设不在环境敏感区，建设过程中不存在制约性环境因素，根据相应要求采取对策措施后，项目建设的设计合理性、环境友好性、实用经济性获得了统一。

［1］红岩水库工程初步设计报告［R］.2007，5

［2］碾压式土石坝设计规范SL274－2001［S］

［3］水利水电建筑工程验收规程SL223－1999［S］