新疆某水库碾压式沥青混凝土心墙坝设计

【摘要】以新疆某水库碾压式沥青混凝土心墙建设为例，分析了心墙设计中轴线、厚度、过渡层的确定及其与周边结构的连接设计，并通过有限元计算对坝体结构三维静力进行分析。

【关键词】碾压式沥青混凝土； 防渗心墙； 结构布置

引言

新疆某水库工程等别为Ⅰ等，工程规模是大（1）型，主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪兼导流隧洞及放水灌溉洞。坝顶高程为1989.20m，坝顶宽度为10.0m，最大坝高98.0m，坝长427.00m。

1、坝体结构布置

1.1 心墙防渗体结构布置

沥青混凝土心墙的布置一般采用墙体轴线略偏向上游侧，竖向布置一般有垂直式、倾斜式或下部垂直上部倾斜等三种方式。对于高坝，更多的采用后一种结构形式。本工程坝高98.0m，设计采用垂直式沥青混凝土心墙，其具有面积较小、工程量小、施工简单的优点。同时，为改善大坝受力条件并能很好的和坝顶防浪墙连接，墙体轴线偏向上游侧布置，防渗体轴线距坝轴线3.75m。

1.2坝体结构分区与过渡层的确定

坝体填筑分区从上游至下游分为砂砾料区、过渡料区、沥青混凝土区、过渡料区及排水料区。坝壳填筑砂砾料采用C2、C3、C4料场的砂砾料，砂砾料的含泥量小于5%，相对密度不低于0.85。过渡层位于心墙的两侧，水平宽度上下游均为3m。过渡层厚度一般应超过沥青混凝心墙墙厚的2倍，工程设计中应综合考虑坝体结构稳定性以及过渡料的制备成本。理论计算过渡层厚度为1m，而实际确定厚度为3m。对于沥青混凝土心墙结构而言，过渡层厚度越大，心墙施工控制难度越小。

1.3 沥青混凝土心墙厚度设计

沥青混凝土心墙厚度的确定主要考虑两个方面的因素：一是建设坝体的高度；二是大坝坝壳料可能出现的应力变形情况，因为心墙厚度的大小会影响墙体的受力状态，墙体过薄其自身的稳定性将会下降，而过厚又容易出现破坏裂缝，墙体厚度需保持在一个合理的范围内。目前，大坝沥青混凝土心墙布置多选择底部厚、顶部薄的形式，大坝坝体高度越高，心墙厚度越小，一般情况下心墙厚度控制在0.5～1.2m，中等高度大坝沥青混凝土心墙厚度控制在0.5～0.8m。而对于百米级大坝，心墙厚度需控制在0.6～1.2m，坝体顶部位置心墙厚度需在0.4m以上，底部心墙厚度控制在坝体高度的1/70～1/130。本工程设计烈度为7度，坝高98.0m，沥青混凝土心墙顶高程1987.40m，墙底高程1891.20m。根据规范要求，设计心墙底部厚度为坝高的1/60～1/100，顶部不小于30cm，高坝不小于50cm。考虑到大坝位于7°地震区，所以设计心墙顶宽0.5m，高程1894.80m处墙厚1.2m，高程1892.40m处墙厚2.4m。

1.4心墙周边结构设计

（1）心墙与坝基连接

沥青混凝土心墙同周边的连接是防渗系统结构的关键，为增强工程防渗效果，设计心墙浇注在混凝土盖板上，并将沥青混凝土心墙的厚度增加1～2倍。沥青混凝土心墙防渗体建在弱风化基岩建基面上，在建基面上浇筑厚1.2m、宽6m的C20混凝土盖板，将基岩与沥青混凝土防渗体连为一体，以满足坝基坝肩灌浆处理和防止接触冲刷的需求。为增大粘结力并适应心墙水平变形，沥青混凝土放大脚与混凝土底板之间做1cm沥青玛蹄脂，不需另设止水。

（2）心墙与溢洪道連接

根据沥青混凝土心墙坝枢纽布置，溢洪道进口位于坝体桩号0+427m处，此处坝体高度为10.36m，工程设计与心墙连接部位的溢洪道边墙的坡度为1：0.5，宽度为6.0m。心墙与混凝土结构之间设沥青玛蹄脂，扩大心墙端部，接触面设计成浅弧连接

2、坝体结构三维静力分析

为进一步掌握坝体结构布局状况，对其进行三维有限元应力应变静力分析。坝体结构本构模型选择-B，心墙应力应变模型选用-μ模型，模型力学参数通过动态反演得到，见下表。

2.1 坝体结构应力应变分析

分析可知，坝体结构最大沉降变形量为32.0cm，仅为大坝高度的0.56%。水库蓄水运行后，心墙水平位移量最大值为13.8，挠跨比不超过5%。心墙在竣工期第一和第三主应力分别为1.35MPa、0.49MPa，运行期为1.28MPa、0.52MPa。心墙与混凝土基座在不同时期的错动量不同，蓄水运行期错动量沿水流方向和河床方向的最大值分别为6.2mm、9.8mm。综合分析得到，沥青混凝土心墙具有较好的协调变形能力，应力分布较为合理，不会出现应力变形破坏，坝体结构布局基本合理。

2.2参数敏感性分析

敏感性分析参数为心墙模型参数Kb，按照数值的不同设计了四种模拟方案，各方案参数Kb从小到大依次为、、和。分析可知，随着b的增加，沥青混凝土心墙在水平和竖直方面的位移基本保持不变，而心墙结构受力确出现明显的变化。心墙第一主应力与b成正相关关系，当b超出或低于一定数值时，心墙第一主应力均不再允许范围之内。

3、结语

相较于其他坝型心墙结构，碾压式混凝土心墙大坝在设计中应过渡层厚度进行严格控制，过渡层厚度宜较厚，心墙厚度要综合考虑大坝高度与大坝坝壳料可能的变形情况。有限元三维静力计算结果显示，设计坝体结构具有较好的协调变形能力，坝体受力情况良好，不会出现不良变形破坏现象，结构布局合理。

参考文献：

[1]张宏军. 碾压式沥青混凝土防渗技术应用与探讨[J]. 水利水电技术，2012，04：86-90.

[2]陆彦强. 寒冷地区碾压式沥青混凝土心墙坝设计[J]. 中国水运（下半月），2016，03：320-321.

作者简介：李佳纶，男，（1983.12—），新疆石河子人，毕业于新疆农业大学，本科，工程师，研究方向：水利水电.