库什塔依水电站工程沥青混凝土心墙坝设计

乔 玲，焦 阳

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

库什塔依水电站工程正常蓄水位1 305.0 m，总库容1.59亿m3。电站装机100 MW，多年平均发电量3.50亿kW·h。该工程为二等大 （2）型工程，由拦河坝、表孔溢洪洞、导流兼泄洪洞、发电引水洞、厂房等建筑物组成。

1 坝址区地形地质条件

库什塔依水电站工程坝址区总地势南高北低，东高西低，河谷走向北东，工程区河谷呈 “U”形，现代河床宽30～50 m，两岸阶地不对称发育。左岸Ⅱ级阶地宽30～50 m；右岸Ⅱ级阶地宽60～120 m，山顶为Ⅵ级基座阶地夷平面，相对高差200～300 m。左岸山体较陡，岸坡坡度50°～70°；右岸山体岸坡坡度多在40°～62°，局部较陡，基岩裸露。两岸山体雄厚，具备建坝的地形、地质条件。坝址区出露的地层岩性为凝灰岩、灰岩，呈厚层状～块状结构。

坝址区左岸坡高约 200～210 m， 坡度 50°～70°，在1 280～1 420 m高程分布有强卸荷带，长约1 000 m。左岸强卸荷带水平宽度为5～37 m；弱卸荷带水平宽度为15～30 m，局部存在较大裂隙，岩体部分松驰。基岩强风化带厚3～5 m，局部可达10 m；弱风化带厚10～15 m。透水率q＜3 Lu界线在基岩面以下 15～25 m。

现代河床宽75 m，河床砂卵砾石厚约2～3 m，下伏基岩为凝灰岩、安山岩、块状结构。强风化带厚2～5 m；弱风化带厚10～15 m。该河床段岩体透水率q＜3 Lu界线在基岩面以下25 m。

右岸坝肩坡高约125 m，岸坡坡度40°～60°，局部近直立，坡脚为Ⅱ级基座阶地，阶地河拔6～10 m，阶地上部为砂卵砾石，厚 1～10 m，下伏为凝灰岩、安山岩。右岸山顶为Ⅴ级基座阶地，河拔120～130 m，该段基岩强风化带厚约2～5 m；弱风化带厚10～15 m。q＜3 Lu界线在基岩面以下6.7～45.6 m。

2 天然建筑材料

坝址区勘查有C2和C4砂砾石料场。C2料场位于坝址右岸的Ⅱ级阶地上，距坝址直线距离0.7～1.4 km，上覆无用层平均厚度约1 m，勘探储量100万m3。C4料场位于坝址左岸下游Ⅵ级阶地上，距坝址直线距离2.9～3.7 km，上覆无用层平均厚度约2.0～2.5 m，下部有用层勘探厚度50 m，勘探储量900万 m3。C2和C4作为坝体填筑料，各项指标满足要求。

P2块石料场为沥青混凝土骨料场，位于坝址的左岸，距坝址直线距离0.7～1.3 km。岩性以中厚层灰岩为主，单层厚度0.5～2.0 m，弱风化岩体饱和抗压强度43 MPa，软化系数0.64；新鲜岩体饱和抗压强度49 MPa，软化系数0.63，属中硬岩。岩层厚度及质量较稳定，强风化层厚度3～5 m；弱风化层厚度10～15 m。新鲜岩石储量丰富，弱风化层岩石和新鲜岩石质量满足沥青混凝土骨料要求。

3 大坝设计

3.1 坝体轮廓

库什塔依水电站大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高91.1 m，坝顶高程1 307.60 m，坝顶宽10.0 m，坝顶长439.0 m，防浪墙顶高程1 308.8 m。上游坝坡1∶2.25，下游坝坡1∶1.8，在下游坡设10 m宽、纵坡为8%的 “之”字形上坝公路，下游坝坡平均为1∶2.14。

上游围堰与坝体结合，上游坝坡采用C20现浇混凝土板护坡，板厚25 cm；下游坝坡采用混凝土网格梁，网格梁内填种植土，种植草皮护坡。

3.2 坝体分区

坝体填筑分区从上游至下游分为上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙、下游过渡料区、下游砂砾料区和下游排水棱体区。

3.2.1 沥青混凝土心墙

沥青混凝土防渗体采用直立的碾压式沥青混凝土结构，墙体轴线在坝轴线上游3.0 m处。心墙采用上窄下宽布置，顶宽0.4 m，底宽0.8 m，厚度采用台阶式渐变，与基座连接处心墙厚度由0.8 m台阶式渐变至2 m。沥青混凝土心墙基座采用混凝土结构，厚0.8 m，宽4～8 m，心墙顶部与坝顶防浪墙紧密结合。沥青采用克拉玛依水工沥青；粗骨料采用P2料场灰岩加工制备；细骨料采用混凝土细骨料；填料从附近水泥厂购买。沥青混凝土心墙与混凝土底座之间的接触面上设止水铜片和砂质沥青玛蹄脂，砂质沥青玛蹄脂层厚10.0 mm，止水铜片厚1.0 mm。沥青混凝土心墙、混凝土底座连同基岩防渗帷幕形成一道整体防渗屏障。

为了满足冬季碾压式沥青混凝土心墙施工要求，确定沥青混凝土配合比为：骨料最大粒径19 mm，矿料级配指数为0.4，初选油石比为8%，填料浓度为2.0。试验表明，在苛刻的室内试验条件下和-25℃气温下，沥青混凝土试块的结合面上、下层结合良好，结合面和非结合面的密度 （孔隙率）均匀，防渗性满足要求，抗劈裂变形能力大。夏季沥青含量为7.0%左右。

3.2.2 过渡层

过渡层设在沥青混凝土心墙两侧，水平宽度上、下游均为3 m。过渡层从底部弱风化基岩建基面填筑至心墙顶部，过渡料采用C4砂砾料场粒径小于80 mm的全料，最大粒径为80 mm，小于5 mm粒径含量为25%～40%，小于0.075 mm粒径含量小于5%，渗透系数不应小于10-3cm/s，相对密度Dr≥0.85。

3.2.3 坝壳料

坝址区砂砾料储量丰富，坝壳料采用天然砂砾料填筑，上游围堰作为坝体的一部分，也采用天然砂砾料填筑。坝体填筑料采用C4砂砾料场粒径小于600 mm的全料填筑。相对密度Dr≥0.85，压实后渗透系数为 10-2～10-3cm/s。

3.3 坝基处理

3.3.1 设计原则

坝基处理设计原则为：①心墙部位基岩强风化层岩石破碎，透水性强，将强风化层全部挖除，防渗心墙和过渡层建基于弱风化岩面上。②对沥青混凝土心墙基座下的基岩进行灌浆，以提高基岩的抗冲蚀能力。③坝基防渗处理深度按透水率小于3 Lu控制。

3.3.2 设计方案

标准混凝土基座段布置2排孔深8 m、孔距3 m的固结灌浆孔。左岸卸荷带处心墙基座加宽至8 m，设2排孔距2 m的深孔固浆灌浆孔，孔深约15～34 m，深孔固结灌浆伸入卸荷带弱滑裂面以下。对断层处理带，心墙基座加宽至8 m，布置2排孔深15 m、孔距2 m的固结灌浆孔，灌浆孔与断层倾向一致。

标准混凝土基座段布置2排孔距2 m、排距1.5 m的帷幕灌浆孔。左岸卸荷带及断层处理段心墙基座加宽至8 m，设4排孔距2 m、排距1.5 m的帷幕灌浆。帷幕灌浆深度需伸入基岩q≤3 Lu的界线以下3 m，还要满足坝基最大水头1/2～1/3的要求。断层处理带灌浆孔与断层倾向一致；其他灌浆孔均铅垂设置。

4 结语

库什塔依水电站工程大坝采用抗震性能较好的碾压式沥青混凝土心墙坝。西安理工大学针对本工程所做的沥青混凝土心墙冬季施工可行性专题论证研究表明，碾压式沥青混凝土心墙可在-25.0℃气温下施工，沥青混凝土上、下层结合良好，结合面和非结合面的密度（孔隙率）均匀，防渗性能满足规范要求，抗劈裂变形能力大。库什塔依水电站工程采取冬季施工，发电工期提前了8个半月，总工期提前了6个月，提前发电产生的经济效益十分显著。

库什塔依水电站工程碾压式沥青混凝土心墙坝冬季施工的成功，为西北寒冷地区碾压式沥青混凝土心墙坝的推广应用创造了条件。