关峡水库沥青心墙砂砾石坝心墙设计

2017-10-18蒋晓云

甘肃农业 2017年20期

关键词：石坝心墙砂砾

■蒋晓云

（甘肃省甘兰水利水电建筑设计院，甘肃兰州 73 03 00）

关峡水库沥青心墙砂砾石坝心墙设计

■蒋晓云

（甘肃省甘兰水利水电建筑设计院，甘肃兰州 73 03 00）

主要介绍坝高31.88m的关峡水库沥青心墙砂砾石坝的沥青心墙设计、对沥青心墙混凝土的组成、指标控制、及本工程采用的设计指标进行了详细分析，说明其沥青心墙设计的合理性，为其他相似工程的设计提供借鉴作用。

沥青心墙砂砾石坝；沥青心墙混凝土；骨料；填料；掺料

一、工程概况

关峡水库位于秦州区大门镇以南低中山区、大山沟下游出山口处，属西汉水南源大门河流域，水库坝址以上控制流域面积11.6km2，主河槽长约4.67km，比降为26.0‰，多年平均径流量174万m3。该河段上游居民村庄较少，水质污染较小，其经过常规工艺的水处理就能满足人饮需要，宜作为供水水源地。

关峡水库是一座以天水镇的天水村、庙坪村、焦李村、杏沟村、蒲后村等5个行政村的生活、牲畜供水为主，兼有全天水镇及秦州区南部农村饮水安全工程涉及范围内的抗旱应急任务的水源工程。工程设计基准年为2014年，设计水平年为2025年。正常供水设计保证率为95%。

本工程大坝左坝肩地处Ⅰ级阶地后缘，天然岸坡坡角44°左右，上部为坡积碎石土覆盖，厚1.0～10.0m。高程1690m以下基岩裸露，基岩岩性主要以中泥盆统（D22S14）灰绿色砂岩或粉砂岩为主，间夹板岩及粉砂质千枚岩。坝基段为河床、漫滩及Ⅰ级阶地，河谷宽82m，坝基段基岩埋深3.9～6.5m，基岩面高程1671.57m，河床漫滩岩性为砂砾石层，厚6.0～7.0m，呈青灰色，结构稍密－中密，岩性主要为砂岩、粉砂岩为主，磨圆度及分选性均较好，呈棱角状－次棱角状，含大漂石，砂砾石底部为基岩，基岩岩性主要以中泥盆统（D22S14）灰绿色砂岩或粉砂岩为主，夹有板岩及粉砂质千枚岩薄层。右坝肩地处大山沟主河道右侧田间小路旁，天然岸坡坡角44°左右，上部为坡积碎石土覆盖，厚1.0～10.0m，高程1730m以下基岩裸露，基岩岩性主要以中泥盆统（D22S14）灰绿色砂岩或粉砂岩为主，间夹板岩及粉砂质千枚岩。工程区地震设防烈度为Ⅷ度。

二、枢纽区布置

本水库工程枢纽由沥青心墙砂砾石坝、导流泄洪排沙洞、溢洪道及输水建筑物等组成。导流泄洪洞布置在右岸山体内，溢洪道布置在左岸坝肩，输水建筑物设计为泄洪洞下埋设φ300mm的钢管进行输水。其总体布置见图1。

图1枢纽布置图

沥青心墙砂砾石坝坝顶高程1700.80m，坝基高程1668.92m，最大坝高31.88m，全长147.97m。坝顶宽度为6.0m，坝顶上游侧设防浪墙高1.4m。坝体上游坝坡为1∶2.5、下游坝坡自上而下分别为1∶2.0、1∶2.5。坝体标准断面见图2。

图2坝体标准断面图

下游坝坡在高程1687.00m处设宽2.0m的马道，上游坝坡不设马道。上游坝坡采用干砌块石护面，厚0.5m，其下分别设0.25m厚砂砾石垫层和粗砂。下游坝坡采用C20钢筋砼网格草皮护坡，厚0.2m。坝体排水型式采用排水棱体，顶宽2.0m，并在与砂砾石坝体和地基之间设反滤层。

坝体填筑料为砂砾石，填筑指标为相对密度不小于0.85。心墙为浇筑式沥青砼结构，厚度0.4m，最大高度31.08m，顶部接C20钢筋砼防浪墙，底部镶嵌在心墙基座内。心墙上下游设置1.5m宽砂砾石过度层。

基础处理方案为：清除坝基范围内残坡积粉质壤土及河床上部疏松层砂砾石。心墙部位除左坝肩清除上部覆盖层和强风化层表层，心墙嵌入不完整基岩岩体中；其余坝段清除覆盖层及强风化层，将心墙嵌入较完整基岩岩体中。

左坝肩心墙基座基础位于强风化层段进行固结灌浆，固结灌浆深度为基岩强风化层以下3.0m，双排布置，孔距2.0m，灌浆长度约330m。

三、沥青心墙砂砾石坝心墙设计

（一）沥青混凝土的组成及特性

沥青混凝土是用沥青将天然或人工矿物骨料、填充料及各种掺加料等胶结在一起所形成的一种人工合成材料。它具有良好的柔性，能较好的适应结构的变形；其次它具有优越的耐久性和防渗性；在严寒地区、高山或潮湿多雨地带都可迅速施工；另外当温度达到一定范围时，它又近于熔融状态，很便于修补。因此，非常适应做水工结构的防渗体。

沥青混凝土主要组成材料包括沥青、骨料、填充料。

沥青是沥青混凝土中的有机胶结材料，由碳氢化合物及非金属衍生物组成。在常温条件下呈固体、半固体或黏稠液体，不导电。

骨料和填充料骨料是沥青混凝土结构的骨架，占沥青混凝土质量的80%左右。骨料可以分为粗骨料、细骨料以及填充料。在水工沥青混凝土中，粗骨料通常被定义为粒径大于2.5mm的粒料，细骨料通常是指粒径位于0.074～2.5mm之间的粒料，填充料则是粒径小于0.074mm的粒料。骨料宜采用性质稳定、质地坚硬的岩石加工而成；骨料中针片状颗粒的含量应该较少；骨料表面应清洁干净；选择骨料应尽量选择碱性骨料，当需用酸性或中性岩石时，必须经过充分的论证。

沥青混凝土的性能主要有渗透性、感温性、力学变形特性和耐久性，掌握好沥青混凝土的特性，才能对工程进行针对性的设计。

（二）沥青心墙设计

本工程左右岸岸坡较对称，对坝体的整体布置有利，且河床较为开阔，坝体应力分布较好。但由于河床较宽，坝体在河床中间向下游方向变位挠度较大，对坝体防渗体适应变形的要求较高，本工程经过对砼面板堆石坝和沥青心墙砂砾石坝进行同精度比选后，推荐采用沥青心墙砂砾石坝进行设计。工程中主要设计难点为沥青心墙的设计，直接关系到工程成败。故对沥青心墙的设计分别从总体控制指标、沥青、骨料、填料、掺料四个环节分别进行控制设计，已达到工程安全设计和运行的目的。

1.沥青心墙总体控制指标。本工程浇筑式沥青砼心墙控制指标为：孔隙率应不大于2%；渗透系数应不大于1×10-8cm/s；水稳定系数应不小于0.9；分离度应不大于1.05；抗流变性能好，浇筑时应有足够的施工流动性和抗分层性；沥青含量可为9%～13%；粗骨料的最大粒径宜不大于26.5mm。施工时采用碾压式施工方法。其具体技术性能指标见表1。

表1碾压式沥青混凝土技术性能指标

2.沥青性能控制指标。根据工程区类别、结构性能要求、当地气温、运用条件和施工要求，本工程选用70号b沥青，采用克拉玛依丙脱沥青。

3.骨料。沥青混凝土骨料采用关子料场灰岩为原料加工，该料岩性主要以青灰色中—厚层灰岩为主，单层厚一般20～40cm，局部夹有2～10cm的砂质页岩、粉砂岩，灰岩为块状构造，致密坚硬，岩体较为完整，强风化层厚1.0～2.0m，岩石比重2.79，吸水率0.20%，饱和抗压强度为40～60Mpa，软化系数0.85，冻融25次损失率仅0.07%，灰岩为碱性岩石，人工破碎后可达到沥青混凝土骨料技术要求。

细骨料采用人工砂或可掺入超过50%比例的天然砂。为改善沥青混凝土的性能，其配制比例应通过试验优选，质量应符合表3的规定。

表2沥青性能指标

表3粗细骨料技术要求

4.填料。本工程填料采用碱性石粉（石灰岩粉）。填料的储存必须防雨、防潮、防止杂物混入。散装填料应采用筒仓储存，袋装填料应存入库房，堆高不应超过1.5m，最下层距地面至少300m m。拌和机回收的粉尘可作为矿粉的一部分使用，但每盘用量不得超过填料用量的25%。填料质量要求见表4及5。

5.掺料。根据工程需求，并按照监理工程师指示选用利于改善沥青混凝土物理力学性能的掺料，掺料的品种有石棉、消石灰、水泥、橡胶和塑料，其掺量应通过试验确定。

根据以上设计原则，并经过计算和工程类比，本工程心墙采用等厚0.4m的浇筑式沥青混凝土结构，最大高度31.08m，顶部接C20钢筋砼防浪墙，底部镶嵌在心墙基座内。心墙上下游和坝壳料接触区分别设置1.5m厚的砂砾石过度保护层，以满足坝壳料和心墙之间的层间稳定，在心墙发生裂缝或局部漏水的情况下保证整个坝体的渗透稳定安全。