大石门水利枢纽沥青混凝土心墙砂砾石坝设计

焦 阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)



大石门水利枢纽沥青混凝土心墙砂砾石坝设计

焦 阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

大石门水利枢纽沥青混凝土心墙砂砾石坝,最大坝高130 m。该工程坝址区地震烈度高(基岩动峰值加速度为0.52g，抗震设计烈度为Ⅸ度)，河谷狭窄，岸坡陡峭，地质条件复杂。结合工程地形及场地地震特点，对坝料分区、防渗结构、坝体结构形式、大坝抗震措施等进行设计研究，在保证设计方案可行、安全的同时，做到投资最优。

地震烈度；高陡岸坡；沥青混凝土心墙；抗震措施

1 工程概况

大石门水利枢纽工程位于新疆巴州且末县境内的车尔臣河干流上，坝址位于车尔臣河出山口与支流托其里萨依交汇口下游约300 m处，是一项以灌溉、防洪为主，兼有发电等综合利用的水利工程，属Ⅱ等大(2)型工程，大坝属1级挡水建筑物，总库容1.27亿m3，调节库容0.99亿m3。

2 坝址区地形地质条件

2.1 枢纽区地形、地质条件

枢纽区位于阿尔金山与冲积洪积扇和冲洪积平原地貌单元交汇部位。此处呈V形峡谷，河流纵坡约12.5‰。坝址出露岩性为下元古界蚀变辉绿岩，右岸基岩出露，坝轴线上下游有少量残留阶地。左岸为Ⅷ～Ⅸ级基座阶地，基岩基座的顶面在阶地前缘陡坎上出露位置呈山包状。坝址区附近现代河床宽10～20 m，坝址区附近两岸岸坡陡峻，岸坡坡度多在50°～80°，局部近直立。岸坡段发育一断层f17，断层产状300°～340°SW∠40°～45°，破碎带宽度一般1～3 m，以角砾岩、碎裂岩为主，是岩性分界线，其下为侏罗系泥岩、砂岩夹煤层，断层倾向上游。

库区左岸为车尔臣河与托奇米萨依河古河道，古河道较宽，宽2.6 km，两岸基岩出露，河道内沉积了深厚层的砂卵砾石，上部岩性为第四系上更新统Q3砂卵砾石层，厚34～40 m，分布高程为2 364.00～2 342.00 m，且全部位于正常高水位以上；下部岩性为巨厚层的Q2砂卵砾石层，泥质半胶结，根据钻探资料，该层厚度达295 m。库区古河道底部低于正常高水位最深205 m。

本工程坝址区50 a超越概率2%的场地基岩动峰值加速度为0.52g；场地地震基本烈度为Ⅷ度，大坝抗震设计烈度为Ⅸ度。

2.2 天然建筑材料

坝址区勘查有C2和C4两个砂砾石料场。C2料场位于坝址下游0.3～0.9 km，车尔臣河左岸Ⅸ级阶地上。料场有用层储量85.0万m3。C4料场位于坝址上游托齐里萨依河左岸Ⅷ～Ⅸ级阶地上，距离坝址0.4～2.3 km。料场有用层储量700万m3。以上2个料场岩性均为第四系上更新统冲积含漂石砂卵砾石层，作为坝壳填筑料使用，各项试验指标均满足规范技术要求。

沥青骨料场P1石料场(灰岩)位于坝址区西侧山前冲洪积倾斜平原上部，距离坝址区运输距离15 km，直线距离8.4 km，料场岩性为微晶-细晶灰岩，主要由粒度细小的微晶、细晶方解石所构成，岩体完整性好，强风化层3 m左右，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 坝体轮廓设计

大石门水利枢纽工程大坝为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高130 m，坝顶高程2 304.50 m，坝顶宽12 m，坝顶长205 m，防浪墙顶高程2 305.70 m，上游坝坡高程2 265.00 m以上采用1∶2.75、高程2 265.00 m以下上游坝坡采用1∶2.5，变坡处设2 m宽马道，上游围堰与坝体结合，上游围堰坝坡(高程2 229.00以下)采用1∶2.25，下游坝坡1∶(1.6～1.8)，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∶2.32。

上游坝坡采用C30素混凝土护坡，护坡厚0.3 m，护坡范围由高程2 240.00 m至坝顶，即自死水位以下5 m护至坝顶，围堰上游面采用厚1.0 m抛石护坡。下游坝坡在高程2 270.00 m以上设200 mm厚钢筋混凝土板，在高程2 270.00 m以下采用厚0.4 m干砌石护坡，剖面见图1。

3.2 坝体分区设计

根据料源和高坝结构功能、坝坡稳定要求，以及对坝料强度、坝体渗透性、压缩性等方面要求，结合施工情况，对坝体进行分区和坝料设计。在保证高坝安全的情况下，尽量利用开挖料，解决狭窄河谷弃渣难问题，节省工程投资。

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、下游利用料区、下游贴坡排水区。

3.2.1 沥青混凝土心墙设计

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4.0 m处。心墙采用上窄下宽布置，顶宽0.6 m，底宽1.4 m，厚度采用台阶式渐变；底部设高2.4 m的放大脚，放大脚厚度由1.4 m渐变至2.6 m。沥青混凝土心墙基座采用混凝土结构，厚1.0 m，宽6～8 m。心墙顶部与坝顶防浪墙紧密结合。沥青采用克拉玛依90号A级沥青，粗骨料采用P1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。心墙与混凝土底座的接触面上设1.2 mm厚止水铜片和20 mm厚砂质沥青玛蹄脂。沥青混凝土心墙、混凝土底座连同基岩防渗帷幕，形成1道整体防渗屏障。

沥青混凝土作为坝体的防渗结构，应具有足够的防渗性能，且力学指标等应满足设计要求。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%，填料质量分数选择为1.8。试验表明，在苛刻的室内试验条件和-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，劈裂变形能力大。夏季沥青含量为6.8% 左右。通过室内试验研究，推荐的沥青混凝土配合比见表1。

图1 大石门沥青混凝土心墙坝标准剖面图 单位：高程，m；其它，mm

表1 沥青混凝土配合比表

3.2.2 过渡层设计

为了确保过渡层为沥青混凝土心墙两边提供均匀的支撑，过渡料区上、下游水平宽度均为4 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，相对紧密度Dr≥0.85。

3.2.3 坝壳料设计

由于坝址区河谷狭窄，岸坡陡峭，堆石料场开挖难度大，取料困难，且堆石料填筑存在二次倒运等问题。通过坝料试验及大坝有限元分析计算论证，大坝采用坝址区储量丰富的天然砂砾料填筑。上游围堰作为坝体的一部分，填筑料及标准与大坝一致。坝体填筑料采用C2、C4砂砾料场粒径小于600 mm的全料填筑。碾压指标Dr≥0.85，压实后渗透系数为10-2～10-3cm/s。

由于C2、C4料场砂砾料渗透系数均在1.6×10-2cm/s左右，坝料渗透性良好；并且在坝料设计分区及在料场开采坝料使用时，尽可能地将渗透系数大的坝料用于心墙下游的局部部位，使其坝体内部起到自然排水作用。根据已建成的沥青混凝土心墙坝的观测资料显示，沥青混凝土心墙坝在坝内下游的浸润线很低。

3.2.4 下游利用料设计

根据坝体分区要求及可利用料方量，下游利用料采用坝基及各建筑物爆破或开挖的石料(砂岩泥岩等除外)。利用料粒径小于600 mm，粒径小于5 mm的含量小于等于20%，小于0.1 mm的含量小于5%，设计孔隙不大于22%。

3.2.5 贴坡排水料设计

贴坡位于坝下游坡脚处，顶部高程为2 195.00 m，底部坐落于河床基岩上，顶宽5 m，坡度与坝坡相同，为1∶1.6。在河床段贴坡排水体后设1层4 m厚水平排水体与之相接，水平排水体以0.5%的纵坡向下游延伸至厂房尾水渠。排水料粒径为5～80 mm。在坝体填筑料与贴坡排水料之间设2 m厚过渡料作为混合反滤，过渡料要求与心墙两侧过渡料相同，设计相对密度Dr≥0.85。贴坡排水料采用C4料场砂砾料筛分加工而成。

3.3 坝基处理设计

3.3.1 坝基处理设计原则

坝基处理设计原则: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；④ 特殊基础坝基防渗特殊处理。

3.3.2 坝基处理设计

在心墙基座混凝土盖板范围内进行固结、帷幕灌浆。固结灌浆孔深8 m，孔距3 m，排距2 m，高程2 240.00 m以下设4排，高程2 240.00 m以上设2～3排。帷幕灌浆采用2排，孔距2 m，帷幕灌浆深度需伸入q<3 Lu的相对不透水层以下5 m，灌浆孔均铅垂设置。

3.3.3 断层处理

坝基桩号0+075.00 m、0+155.00 m处有发育大石门断层f17，断层产状300°～340°SW∠40°～45°，破碎带宽度一般1～3 m，以角砾岩、碎裂岩、断层泥为主，是岩性分界线。断层倾向上游，沿断层带在开挖过程中易形成不稳定块体及少量的崩塌体，需对断层进行相应的工程处理。断层下部为侏罗系泥岩、砂岩夹煤层，灰黑色，中厚层状，岩体破碎，岩层产状50°SE∠70°。

心墙基座基础范围内根据其产状、规模和影响程度分别采取混凝土塞置换、加盖混凝土板或挂网喷混凝土、反滤保护等综合措施进行处理。为防止断层渗漏，在坝基桩0+045.00 m～桩0+080.00 m、桩0+148.00 m～桩0+166.00 m处混凝土基座宽度加宽至8 m，设4排深孔固结灌浆，灌浆深度15 m，孔距3 m，排距2 m；设3排帷幕灌浆，上下游2排为水泥灌浆，中间设1排环氧灌浆，孔、排距均为2 m；在心墙下游侧坝体范围的坡面进行反滤保护，设3 m厚混合反滤层，反滤料要求与心墙两侧过渡料相同，并与心墙下游侧过渡料连成整体。

4 坝体应力变形计算及分析

大石门水利枢纽沥青混凝土心墙砂砾石坝结合坝料进行三轴试验，对坝体应力变形采用三维有限元法、邓肯E-B模型进行计算，通过对大坝各种工况的模拟、静力和动力计算分析，对坝体进行了系统的研究。

4.1 沥青混凝土心墙坝三维静力有限元分析

为了精细考虑本工程复杂的河谷地形条件、大坝材料分区以及分层填筑对大坝应力和变形的影响，本次有限元网格采用了大规模的网格剖分技术。此外，为了考虑两岸和地基岩体的变形特性、大坝和岩体的动力相互作用，还将两岸山体和地基岩体进行了整体的网格剖分，这些处理方法将有效提高应力和变形的计算精度。心墙与过渡料之间设置接触面单元，参数见表2。筑坝材料和沥青心墙料采用邓肯E-B模型，材料参数见表3。

表2 接触面模型参数表

表3 筑坝材料和沥青混凝土模型参数表(4 ℃)

4.1.1 坝体位移

竣工期：坝体沉降最大值为0.494 m；顺河向位移最大值为0.11 m(向上游)和0.12 m(向下游)。满蓄期：坝体沉降最大值为0.456 m；由于水压力作用，向上游变形区域和数值减小，向下游变形区域和数值增大，最大值为0.10 m(向上游)和0.18 m(向下游)。

4.1.2 坝体应力

竣工期：坝体最大主应力和最小主应力分别为2.00 MPa和0.85 MPa；满蓄期：坝体最大主应力和最小主应力最大值分别为1.90 MPa和0.85 MPa。

4.1.3 心墙位移

(1) 竣工期：沥青混凝土心墙的最大沉降为0.494 m；沥青混凝土心墙的坝轴向最大位移为0.079 m(向左岸)和0.064 m(向右岸)。满蓄期：最大沉降为0.431 m。最大值均位于河谷中央1/2坝高处。坝轴向最大位移为0.083 m(向左岸)和0.071 m(向右岸)。

4.1.4 心墙应力

沥青混凝土心墙最大压应力为2.66 MPa(竣工期)和2.40 MPa(满蓄期)，主要位于心墙右岸底部；满蓄期在心墙中间顶部较小范围内出现了0.20 MPa左右的拉应力。

4.1.5 心墙与基座滑移变形

竣工期和满蓄期心墙与基座相对位移最大值见表4。沿基座走向最大位移为5.4 cm，发生在左岸。

表4 沥青混凝土心墙与基座连接部位的位移表

4.2 关于沥青心墙水力劈裂的研究分析

相对于黏土心墙而言，沥青混凝土心墙发生水力劈裂的可能性较小，黏土心墙常用的水力劈裂评判标准(水压力小于竖向应力或坝轴向应力)用来评价沥青心墙偏于保守。

图2、3分别给出了满蓄期心墙上游侧竖向应力和坝轴向应力与水压力差值等值线图。从图中可以看出，整个心墙大部分区域内竖向应力和坝轴向应力均大于水压力。根据沥青混凝土的拉伸试验结果，心墙抗拉强度平均值为0.62 MPa，综合计算结果，可以认为大石门沥青混凝土心墙不会发生水力劈裂。但两岸岸坡陡峭，属于可能发生水力劈裂的薄弱环节，应对该部位心墙采取加厚等工程措施。

图2 满蓄期心墙竖向应力与水压力差值等值线图

4.3 沥青混凝土心墙坝三维有限元动力反应分析

动力计算采用了等效线性模型，永久变形计算采用了残余应变势变形模型。筑坝材料动剪切模量系数K和指数n采用试验研究成果。筑坝材料和沥青心墙料材料等效线性模型参数见表5，筑坝材料永久变形模型参数见表6。

图3 满蓄期心墙坝轴向应力与水压力差值等值线图

材料Kn心墙料38240.35主砂砾料26460.426

表6 筑坝材料和沥青心墙料永久变形参数表

地震动输入采用坝址场地谱人工波，顺河向、竖向和坝轴向的地震加速度时程曲线。基岩地震波水平向峰值加速度为0.52g，竖向峰值加速度为水平向的2/3。

4.3.1 堆石体地震反应

(1) 动位移:坝体顺河向最大动位移为0.12 m，竖向最大动位移为0.033 m，最大值均出现在坝顶附近，符合有限元动力计算的一般规律。

(2) 加速度:坝体最大顺河向加速度为11.24 m/s2，最大竖向加速度为6.02 m/s2，最大值均位于坝顶部附近。

4.3.2 心墙地震应力

沥青混凝土心墙静动叠加最大压应力为2.78 MPa，最大拉应力为0.33 MPa。根据沥青混凝土心墙的拉伸试验结果，心墙在4 ℃的抗拉强度平均值为0.62 MPa，心墙应力没有超过其抗拉强度。由于沥青心墙采用了4 ℃时的动剪切模量，其在低围压(坝顶附近)模量值大于坝壳料模量值，导致心墙地震时拉应力范围较大。

4.3.3 堆石体永久变形

根据有限元静、动力分析的应力计算结果，对心墙坝进行了三维永久变形计算。永久变形有限元网格与静力有限元一致。永久变形计算模型采用大连理工大学的改进沈珠江残余变形模型，试验参数采用本次试验研究成果。

大坝顺河向最大永久位移为0.125 m(向上游)和0.25 m(向下游)，顺河向最大永久位移发生在大坝坝顶附近；竖向最大永久位移为0.53 m，约占坝高的0.36%。

4.3.4 心墙震后应力

地震后，由于地震变形引起的附加应力，心墙应力有所变化。沥青混凝土心墙最大压应力为2.74 MPa，位于两岸局部位置；最大拉应力为0.34 MPa，位于河床部位的心墙顶部，拉应力最大值小于心墙的抗拉强度平均值。

表7 大坝三维有限元动力计算极值计算表

4.4 大坝安全性综合评价

综合大坝各工况的计算结果，可以认为，大石门水利枢纽沥青混凝土心墙坝的设计方案在技术上是可行的。但坝址区地震强度大且场地谱频带较宽，对大坝的影响较大，主要表现在：沥青混凝土心墙坝的上游坝坡安全系数较小。因此，需要采取抗震加固措施，保证大坝的地震安全性。

5 大坝抗震设计

根据新疆防御自然灾害研究所做的地震危险性分析，本工程坝址区50 a超越概率2%的场地基岩动峰值加速度为0.52g；为此，采用常规抗震处理措施外，还采取了一些特殊的安全措施。

5.1 坝顶安全超高

经计算，本工程坝顶高程主要受地震工况控制，其重点在于合理确定地震安全超高(包括地震坝顶沉陷和地震涌浪高度)。其中地震涌浪高度按照规范规定并参考有关经验公式计算值采用1.5 m；地震坝顶沉陷根据工程统计和规范规定采用2.0 m。

5.2 上、下游坝坡及下游护坡

坝体上游坝坡为1∶2.25～1∶2.75，特别是上游坝坡高程2 265.00 m以上坝坡放缓至1∶2.75；下游马道间边坡为1∶1.6～1∶1.8，下游坝坡设12 m宽的 “之”字形上坝道路，平均坝坡1∶2.32，其作用除了构成下游上坝道路外，还可起到坝坡压重和放缓下游坝坡的作用，以减小地震情况下的堆石体水平向变形，防止坝体出现较深层的滑动。

5.3 大坝坝顶及上部结构

由于坝体的动力放大作用，坝体上部的地震加速度较大，坝顶附近地震加速度最大。为提高地震时坝顶的整体性和稳定性，减少地震引起的永久变形，类比国内外强震区高坝工程实例，坝顶宽度采用12 m。并在坝内上、下游2 262.50 m高程以上至坝顶区域内铺设土工格栅。土工格栅坝高方向上游、下游层间距分别为1.6、2.4 m；并在2 270.00 m高程以上，下游坝坡设200 mm厚钢筋混凝土板，以增强坝体顶部的抗震能力。

5.4 提高施工质量及坝体填筑指标

施工中严格控制填筑层厚、碾压遍数、加水量等施工参数，做好过程控制，确保坝体碾压密实，减少地震沉陷。并适当提高坝体砂砾石料的压实标准，要求砂砾料的相对密度Dr≥0.85，堆石料填筑孔隙率n≤22%。

5.5 加强连接部位设计

加强心墙与基座、基座及坝体各分区与坝基和岸坡的连接；防止坝体，特别是两岸边坡部分因地震而出现裂缝。心墙与基座连接部位采用心墙厚度逐渐扩大的形式连接，接触面设沥青玛蹄脂和铜片止水，以提高地震时的防渗性能。

5.6 设置下游压重平台

为防止坝体下游坡脚部位地震时产生过大的侧胀而导致坝体中上部失稳或产生过大的变形，利用坝基清理及各建筑物的开挖弃料，堆放在坝坡脚与电站尾水渠导墙之间，既可提高坝体抗震性能，又解决了弃料堆放问题。

5.7 加强地震监测

在近库区布设4个地震监测子台，组成近库区台网；在坝顶、坝中部及坝脚处，各设1台强震仪，加强地震监测。

6 结 语

大石门水利枢纽沥青混凝土心墙砂砾石坝最大坝高130 m，在大坝设计中遇到了高地震烈度、高陡岸坡、堆石料场开挖难度大等极为不利的地质、地形条件组合，通过大石门沥青混凝土心墙砂砾石坝的设计、研究和计算分析，充分吸取国内外先进技术和经验，对坝料分区、防渗体结构、坝体结构形式、大坝抗震措施进行设计，在保证大坝方案可行、安全的同时，从经济投资上做到了最优，为在高震区修建高沥青混凝土心墙坝积累工作经验，从而进一步推动沥青混凝土心墙坝的发展。

[1] 大石门水利枢纽工程项目组.新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程坝型比选论证专题报告 [R].乌鲁木齐：新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院,2015.

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Design of Sand-gravel Dam with Asphalt Concrete Core Wall, Dashimen Project

JIAO Yang

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000,China)

The sand-gravel dam with asphalt concrete core wall of Dashimen project is 130 m high at maximum. The dam zone of the project is with high earthquake intensity ( PGA of the bedrock is 0.52gand the design aseismic intensity is IX degrees). Here the river valley is narrow, the bank slope is steep and the geological conditions are complicated. In combination with the engineering topography and the earthquake characteristics, design of dam material zoning, impermeable structure, dam structural type and the dam aseismic measures, etc are studied. Cost is minimized while the feasible and safety design scheme is secured .Key words: earthquake intensity; high and steep bank slope; asphalt concrete core wall; aseismic measure

1006—2610(2016)05—0047—06

2016-03-11

焦阳(1985- )，男，陕西省延川县人,工程师，主要从事水工规划设计工作.

TV641.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.012