金峰水库沥青混凝土心墙软岩堆石坝设计

2016-04-18陈惠君廖大勇

水利规划与设计 2016年5期

关键词：石渣软岩心墙

陈惠君，廖大勇

（四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都610000）

金峰水库沥青混凝土心墙软岩堆石坝设计

陈惠君，廖大勇

（四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都610000）

金峰水库为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高为88m，坝壳料采用全断面软岩～极软岩筑坝，属国内近百米级采用全断面软岩～极软岩筑坝的先例。设计通过设置排水带及模增模区解决了心墙与坝壳变形协调问题及渗透问题。针对软岩坝壳料，设计创新性提出了质量控制及评价标准以施工参数控制为主，同时辅以压实度、干密度共同控制的设计理念，解决了采用现行规范设计控制标准不适用本工程的质量控制和评价问题。

沥青混凝土心墙堆石坝；全断面软岩～极软岩；排水带；增模区；施工参数控制

1 概况

金峰水库工程是四川省武都引水二期工程的一座囤蓄水库，坝型为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高为88m。坝体从上游至下游分别为上游石渣料区、上游过渡料区，沥青混凝土心墙料区、下游过渡料区、下游竖向排水带、下游石渣料区及水平排水带。坝壳料采用全断面软岩～极软岩筑坝，岩石软化系数低于0.5，饱和抗压强度小于15MP a，湿化和流变变形显著。虽然目前国内已建成多座百米级的沥青混凝土心墙堆石坝，但尚未有采用全断面软岩～极软岩填筑高坝的先例。设计结合该工程坝体填筑材料的特殊性，针对坝壳料碾压后渗透系数较小的特点，在心墙下游过渡料后设置砂卵石竖向排水带及3m厚水平排水带。同时，根据大坝应力应变计算，在心墙底部0～15m范围水平变位较大，为减少心墙底部的水平变形，保证心墙变形协调，在心墙底部下游侧设置砂砾石增模区。并根据四川红层地区软岩料特点，设计创新性采用了施工参数控制为主，同时辅以压实度、干密度共同控制的设计理念，作为指导后续施工的依据。

2 坝体设计

2.1坝体结构布置

大坝坝顶长454.87m，宽8m，最大坝高88m。水库正常蓄水位475m，设计洪水位475m，校核洪水位475.45m，坝顶高程为477m，坝顶设1.2m高钢筋混凝土防浪墙。防浪墙与坝顶路面相接。为方便坝顶排水，坝顶路面以2%的横向坡度倾向下游，坝顶路面为20c m厚C 25混凝土，下面铺设砂砾石垫层。

大坝上游坝坡坡比为1∶2.20，在高程440.00m处设一级马道宽为3.00m。下游坝坡坡比从上至下为1∶2.00、1∶2.00、1∶2.25，分别在高程为457.00m、437.00m处设置宽为3m的马道。

2.2坝体分区设计

坝体从上至下分别为上游石渣料区、上游过渡料区，沥青混凝土心墙料区、下游过渡料区、下游竖向排水带、下游石渣料区及水平排水带。详见图1。

2.2.1 沥青混凝土心墙设计

为便于沥青混凝土心墙与坝顶防浪墙衔接，减少防浪墙变形影响，大坝沥青混凝土心墙轴线位于坝轴线上游2m，沥青混凝土心墙分三阶设计，心墙厚度从上至下分别为60c m、80c m、100c m，坝高88m，按照近30m梯度变化，厚度变化处高程为420m、450m，厚度变化处采用1m高斜坡渐变连接。

心墙底部采用渐变式扩大基础，心墙底部与基座连接处2m高范围内，心墙厚度由1m渐变至2m，与基座连接，连接处混凝土表面充分凿毛，中间设铜片止水，表面涂刷乳化沥青和沥青砂浆。

图1 大坝横剖面图

为减少基座分缝止水安装缺陷可能带来的工程隐患，设计参照部分已建工程的成功经验，基座不设永久伸缩缝及止水措施，而采用W8C 25常态混凝土和W8C 30微膨胀混凝土跳块浇筑的方式，常态混凝土分块长度10m，微膨胀混凝土分块长度1.5m，要求心墙基座混凝土施工缝的缝面只进行凿毛处理，不设止水措施，同时穿过缝面的钢筋不得断开。

2.2.2 心墙上下游过渡层设计

为协调心墙与坝壳料由于模量差引起的变形应力影响，改善沥青混凝土心墙应力应变条件，在心墙上下游分别设置砂砾石料作为过渡层，过渡层的外侧垂直布置。根据机械化施工需要，结合大坝有限元分析成果，上游过渡料宽度为2m；下游侧过渡料由于坝壳料采用砂泥岩的混合料填筑，坝体渗透性差，渗透系数达10-4～10-5c m/s，故除设置2m宽过渡层外，在过渡料与坝体间还增加了2m宽的砂砾石竖向排水带，与坝体水平排水带相连。

2.2.3 上下游坝壳设计

坝壳石渣区是维持坝体稳定的主要区域，由于料场岩石以砂岩为主，与薄层粉砂质泥岩互层分布，属于软岩～极软岩，为了充分利用开采石料，减少弃渣污染，坝壳料采用砂岩料或砂泥岩混合料上坝填筑。

由于上游死水位以下坝体对排水及渗透要求相对较低，故死水位（440.00m）以下的上游坝壳区采用强风化砂岩料；死水位（440.00m）以上上游坝壳区由于处于水位变幅区，坝体采用新鲜砂岩料填筑，以尽可能获得较大的透水率。其余坝壳区根据施工开采规划随挖上坝，要求砂泥岩混合料中砂岩石渣料比例不得低于50%且混合均匀。

2.2.4 心墙下游砂砾石增模区设计

沥青混凝土心墙的的挠度是衡量心墙位移的一个重要指标，一般应将挠跨比控制在允许范围内，根据大坝应力应变计算，由于坝壳料变形模量比砂砾石过渡带及排水带变形模量小得多，故心墙底部0～15m范围水平变位较大，相应心墙挠跨比也较大，为减少心墙底部的水平变形，保证心墙变形协调，在心墙底部下游侧采用变形模量较大的砂砾石代替模量较小的坝壳石渣料。设置范围为沥青混凝土心墙下游过渡料以外30m宽度，高度为心墙基座向上20m。

2.2.5 心墙下游排水带设计

由于坝壳料采用砂岩料或砂泥岩混合料均为软岩料，碾压后渗透系数较小达10-4～10-5c m/s，为增加下游坝体的透水性，将渗漏水及时排至下游坝体外，避免下游坝体的浸润线升高，故在心墙下游过渡料以后设置2m宽砂卵石竖向排水带，同时在心墙下游坝壳区底部设置有3m厚水平排水带，与竖向排水带相连。

2.2.6 上下游坝坡防护

为防止上游水位降低和风浪对上游坝坡的淘刷，对上游坡面采用0.2m厚预制混凝土块护坡，中部设排水孔，在护坡底部设0.3m厚的砂砾石垫层料。为避免预制混凝土块滑动，采用现浇混凝土框格梁进行固定，框格梁间距为7m×7m。同时，为节约投资，上游坡在死水位以下5m即440m马道处至上游坝脚，不考虑护坡设计。

大坝下游坝坡选择混凝土框格加草皮护坡，既能保护坝坡，也起到绿化的作用。混凝土框格的间隔为4m×4m。

3 沥青混凝土设计

根据大坝应力应变计算成果及技术规范，沥青混凝土心墙技术指标除孔隙率、渗透系数、水稳定性满足规范要求外，根据大坝应力应变计算成果及工程运用条件，结合国内已建工程有关沥青混凝土心墙技术指标，提出了变形及力学指标要求∶内摩擦角≥25°，粘结力≥0.3M P a，心墙挠跨比不小于3%。

施工中根据沥青配合比室内试验及现场碾压试验成果，推荐采用配合比为∶沥青选用70号水工沥青，沥青含量为6.3%，填料占12%，骨料选用武都水库挡家垭料场灰岩料，骨料的最大粒径为19m m，级配指数0.38。

4 坝料参数设计

4.1上下游坝壳料参数

根据土石坝设计规范，堆石的填筑标准宜用孔隙率作为设计控制指标。但四川红层地区砂、泥岩及其混合料属于软岩料，既非粘土，也有别于通常的堆石，设计及施工控制时，无论采用孔隙率还是压实度都存在一定问题。如采用孔隙率，由于软岩岩块天然孔隙率较高，碾压后岩石破碎率也较高，岩块密度与颗粒密度差异很大，导致干密度与孔隙率间换算的完全不能反映实际情况，如采用压实度则依据不足。

对金峰水库坝料，根据料场勘察及试验结果，石渣料随着不同的岩层，不同的风化程度，以及砂岩与泥岩不同的混合比例，都会出现不同的碾压干密度，因此根据不同上坝料，设计提出了施工参数控制为主，同时辅以压实度、干密度评价的设计理念，作为后续施工的指导依据。

由于石渣料为软岩料，岩石碾压破碎率较高，施工碾压时根据现场碾压及室内试验成果取得合适的碾压遍数等施工参数确定控制指标，既要保证坝壳料获取尽可能高的碾压密实度，减少坝体沉降，同时也要避免碾压遍数增加后带来的细颗粒增加，降低抗剪力学指标。

4.2上下游过渡料及排水带指标

上下游过渡料及排水带均采用涪江砂砾石料，由于涪江天然砂砾石料含泥量高，级配不连续，特别是5～2m m级配缺乏，故需进行人工掺配的方式，在级配参数严格控制前提下，根据规范要求、工程经验、室内试验及碾压实验，过渡料及排水带主要设计指标见表1。

表1 砂砾石填筑主要设计指标

5 结论

金峰水库沥青混凝土心墙堆石坝坝壳料采用全断面软岩～极软岩筑坝，坝壳模量偏低，碾压后渗透系数较小，存在心墙底部应力及变形较大，坝体排水不畅问题，虽然设计设置模量区及水平竖向排水带，但由于受施工质量及坝料岩性变化的影响，施工期及运行期应加强监测及监测资料的分析，以便发现问题及时处理，同时为今后类似工程积累经验。

针对软岩筑坝材料，设计提出了施工参数控制为主，同时辅以压实度、干密度共同控制的设计理念，作为后续指导施工的依据，值得软岩料筑坝类工程借鉴。

［1］SL 274-2001.碾压式土石坝设计规范［S］.

［2］D L/T 5395-2007.碾压式土石坝设计规范［S］.

［3］SL 501-2010.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范［S］.

［4］D L/T 5411-2009.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范［S］.

［5］林昭.碾压式土石坝设计［M］.郑州∶黄河水利出版社，2003.

［6］高希章，孙陶.四川“红层”地区筑坝材料和筑坝标准研究［J］.四川水利，2016（01）.

［7］高希章，孙陶.沥青混凝土心墙坝筑坝料与心墙合理模量比研究［J］.四川水利，2016（01）.

［8］百生贵.深覆盖层上修建沥青混凝土心墙坝［J］.水利规划与设计，2014（09）.

［9］黄云.新疆下坂地沥青混凝土心墙坝坝体设计研究［J］.水利规划与设计，2009（05）.

［10］汪洋.寒冷地区冬季施工的碾压式沥青混凝土心墙坝设计［J］.水利规划与设计，2012（05）.

T V 871