新疆某沥青混凝土心墙坝结构设计与有限元分析

刘玉杰

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒841000）

新疆阿仁萨很托亥水利枢纽是开都河中游河段水电规划“一库四级”的龙头水库，向下依次规划为哈尔嘎廷郭勒水电站、霍尔古图水电站和滚哈布奇勒水电站，其具有发电、防洪和灌溉作用，为开都河下游群众生产生活存在重要意义。 鉴于沥青混凝土受气候条件影响较少，对坝基和坝体变形适应性强，防渗性能优越、结构简单、施工方便、抗震能力强、 柔韧性好且安全可靠等诸多优点， 在水利工程中，沥青混凝土作为大坝的防渗材料被全世界大坝工程广泛应用［5］。沥青混凝土心墙在施工方法上分为碾压式和浇筑式两种［6］。由于浇筑式沥青心墙含油量高，因此成本较碾压式沥青心墙高许多，本文结合工程实际特点，采用碾压式沥青混凝土作为大坝的防渗体，按照规范要求对坝体结构进行设计，再复核渗流、抗滑、应力应变特性是否能够满足规范要求［7］。

1 工程概况

新疆阿仁萨很托亥水利枢纽工程位于新疆和静县开都河中游段， 坝址位于萨很托亥沟口以下6km，距骆驼脖子51.4km处， 坝址断面区域的多年平均年径流量30.44亿m3，多年平均流量68.671m3/s。

工程由大坝、开敞式溢洪道、发电引水系统及电站厂房、尾水渠等主要建筑物组成，最大坝高62.6m，总库容0.113亿m3，装机容量75MW。 该工程规模属中型， 工程等别为III等。 沥青混凝土心墙坝坝顶宽度8.0m，坝长214m。 坝顶上游侧设置L型钢筋混凝土防浪墙。 上游坝坡坡比1∶2.0，采用混凝土板护坡。 下游坝坡比1∶1.8，采用混凝土网格梁+30cm厚干砌块石护坡。坝体填筑分区从上游至下游为砂砾料区，过渡料区，沥青混凝土心墙，过渡料区，砂砾料区。根据当地气象站多年的气象资料统计，多年平均气温11 ℃；极端最高气温37.5 ℃；极端最低气温-23.5 ℃；最大积雪深14cm；水电站工程所在地，冬季寒冷，极端最低气温-23.5 ℃， 坝址所在地最大冻土深取高限值67cm，场址多年平均冻融次数79次。坝址区50年超越概率10%地震动峰值加速度173gal，厂房区50年超越概率10%地震动峰值加速度168 gal。

2 沥青混凝土心墙设计

2.1 沥青混凝土心墙结构设计

沥青混凝土心墙变形适应能力强、抗震性能好、受气候影响小、施工运行管理简单，因此多被当地材料坝选做防渗材料，心墙在坝体分布上来说，采用垂直式面积最小、变形反应不像倾斜式那样敏感，这种类型的心墙最节省投资。 为了使心墙与坝顶防浪墙连接更顺畅一般墙体靠坝体轴线上游侧布置。 根据工程任务、规划提供需水位初步验算坝高，最终确定本工程最大坝高取62.6m。 同时，类比国内、外心墙坝工程［8-10］，多采用垂直式沥青心墙，这类心墙不但可减少沥青混凝土使用量，最重要的是便于后期维修，因此，本工程沥青混凝土心墙采用垂直布置，为了心墙与防浪墙更好衔接形成完整的防渗系统， 墙体中心轴线偏向上游侧，心墙轴线距坝轴线2.75m。 心墙顶高程1776.60m，墙底最低高程1716.60。采用三级突变厚度设计，顶部心墙宽0.4m，至高程1756.00m处突变为0.5m，至高程1736.00m处突变为0.6m，在底部进行放大脚渐变为1.8m。 本工程位于高地震烈度区（8度设防）。

2.2 坝基及坝肩基础处理

左岸段1825m高程以上岸坡较陡，岩层片理倾向坡内，受风化及构造影响，岸坡岩体局部形成1～3m卸荷带， 对建筑物布置有一定影响， 坝体北侧岸坡上、 下游各30m范围内进行削坡处理， 并进行喷护。1780～1728m高程沿拟选坝线上下游180m范围内临现代河床分布1#古河槽，深度40～50m。古河槽内冲积崩积漂卵砾石层、块石、碎石层，弱胶结，结构密实，可作为土石坝基础。 覆盖层下伏基岩为斜长二云母石英片岩、黑云母石英片岩。

右岸段该段岸坡走向70～80°，地形起伏，边坡高度约80m， 岩层走向与坝线交角为74°， 岩层倾向坡外。 局部发育两组节理，心墙开挖中，两组裂隙于片理面组合，局部易形成不稳定体，对开挖边坡稳定有一定影响。

左、右岸基岩强风化层厚1～3m，弱风化层厚度5～10m，该段岩体透水率q＜5Lu界线在基岩面以下埋深为3～10m。

沥青心墙基础建在弱风化基岩面上， 心墙和岸坡岩石基础的连接的混凝土盖板厚0.8m。

河床坝基段现代河床宽20m，出露全新统冲积漂卵砾石层，覆盖层厚度3～7m，以下是较完整的岩体，5Lu的界线在基岩面以下3～5m，3Lu界线在基岩面以下15～20m。

上述沥青混凝土心墙底部与混凝土底板连接之间涂刷厚1cm沥青玛蹄脂，以增大黏结力并适应心墙水平变形，接缝设置止水片。

河床段作为大坝坝壳基础， 清除表层1m松散的漂卵砾石层，坝体基础漂卵砾石层表面清理碾压后，相对密度Dr≥0.85。

基础灌浆处理：沥青混凝土心墙混凝土盖板下进行铺盖式固结灌浆，孔距3m，3排，孔深铅直入岩5.0m。 帷幕灌浆深度以进入基岩透水率小于5Lu线及1/3坝高作为控制标准， 最大帷幕深度38m， 共1排，河床基础段帷幕灌浆孔距1.5m，两侧岸坡段孔距2m。

2.3 坝壳料设计

由于砂砾料筛分过后级配能够满足上、下游过渡料使用要求，储量也满足要求，最终考虑节省投资及简化施工等因素， 采用C3-4天然砂砾料筛分来取得过渡料。采用C3-2、C3-3、C3-4砂砾料场的全料填筑坝体。

根据抗震规范［11］要求，对于无黏性土要求浸润线以上材料的相对密度Dr≥0.75， 浸润线以下材料的相对密度则根据设计烈度大小选用0.75～0.85，综合考虑水上水下相对密度均采用0.85，dmax=600mm。

2.4 上、下游过渡料土料分析

上、下游过渡料粒料级配良好、质地坚硬是确保心墙受力均匀的保障，根据规范要求，过渡料中骨料最大粒径不得大于沥青混凝土骨料最大粒径的8倍。本工程取用：过渡料骨料最大粒径Dmax为80mm，且小于5mm粒径含量不超过30%，渗透系数不应小于10-3cm/s，相对紧密度D≥0.85。 采用C3-4料场的料筛分，特征参数如表1。

表1 C3-4料场特征参数

2.4.1 过渡料与砂砾料层间关系复核

被保护土为过渡料属于无黏性土，根据规范［11］过渡料不均匀系数Cu＞8，过渡料曲率系数Cc不等于1～3时说明其级配不连续， 应取小于5mm以下的粒径作为细粒进行计算。 过渡料级配线：d85＝1.2mm，d15＝0.09mm。 砂砾料配线：D15＝0.43mm。 根据规范［11］D15/d85≤4～5，满足保土性准则；D15/d15≤5，不满足排水性准则。 根据计算结果，砂砾料对于过渡料可满足保土性准则，但不满足排水性准则。 但砂砾料是天然砂砾料全料，渗透系数较大，具有良好的透水性，能够通畅地将渗水排出，所以认为所选过渡料合适。

2.5 坝体渗流稳定计算

根据以往工程经验， 可采用坝体最大典型断面单宽渗流特性评价坝体渗透稳定性，因此，本工程坝体渗流计算以坝最大断面为计算剖面［12］，采用二维有限元计算正常蓄水位1776.0m， 设计洪水位1776.00m，校核洪水位1777.74m，上述三个工况下坝体浸润线、等势线、坝体和坝基渗流量和各部位的渗透比降，确定库水位降落时浸润线位置；根据地质资料及试验报告可知：砂砾料渗透系数0.001cm/s，过渡料0.004cm/s，覆盖层0.052cm/s，沥青心墙1.0×10-7cm/s，混凝土防渗墙、基座1.0×10-7cm/s，基岩5.0×10-5cm/s，帷幕灌浆基岩5.0×10-5cm/s。 计算结果如表2，坝内浸润线及流速矢量线如图1。

表2 稳定渗流期计算结果

图1 正常蓄水位坝内浸润线及流速矢量线示意图+Ⅷ度地震坝上、下游坝坡稳定计算成果

从图2坝内浸润线可知，心墙的防渗效果明显且渗漏量较小。表2计算结果可知，下游坝脚（坡脚）、坝基等各部位的出逸最大比降均小于各土层的允许渗透比降，不会发生渗透变形破坏。

2.6 坝体边坡稳定计算

评价坝体的边坡稳定性对大坝安全运行至关重要，通常设计人员根据经验初步拟定的坝坡是需要通过计算进行论证是否合理的，因此，根据以往同类型工程经验， 本工程初拟的上游坝坡1∶2.0，下游坝坡1∶1.8，计算主坝的标准剖面在以下三种工况时坝体的稳定性； 正常运用条件对应正常蓄水位（1071.0m）稳定渗流期、非常运用条件Ⅰ对应施工期、非常运用条件Ⅱ对应正常蓄水位稳定渗流期遇Ⅷ度地震的上、下游坝坡稳定性。 库水位降落时上游坝坡稳定性。 静力计算采用简化毕肖普法，动力计算方法采用拟静力法分析坝坡稳定性，选取参数如表3。

表3 坝坡稳定分析计算参数

从表4计算成果表明， 上述3个工况下的坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于规范［11］允许值，图1所列正常蓄水位+遇Ⅷ度地震时上、下游坝坡稳定计算成果，该工况为上述3个工况的控制工况，表明地震时是大坝稳定最不利工况， 通过设计所提抗震措施适当提高上、下游坝坡坡比，使得坝坡满足设计要求，坝坡稳定分析计算成果如表4。

表4 坝坡抗滑稳定计算最小安全系数

2.7 坝体应力应变计算

为能够评价坝体在施工期与运行期变形与应力是否合理， 心墙是否会有产生水力劈裂的可能性，上、下游过渡料与心墙之间的变形协调性等。通过大型商用有限元软件采用外挂子程序Duncan-Zhang E-B非线性线弹性模型［13-21］，对本工程的碾压式沥青混凝土心墙坝进行应力变形分析， 施工期模拟分30步，蓄水期模拟分10步，模型离散后单元总数为2048个，节点总数为2254个，模型参数采用类似工程的试验参数如表5， 最终成果如表6， 成果如图2～图4。

表5 沥青混凝土心墙坝二维有限元计算参数

表6 沥青混凝土心墙坝二维有限元计算成果

从表6计算成果表明：坝体、心墙在施工期与运行期最大沉降率为47.4%与46.3%。 上游坝壳料在满蓄期时孔隙压力升高， 有效应力下降对于坝壳料来说是一个卸载过程，因此，满蓄期沉降、应力要小于竣工期，同时坝体在水压力作用下也向下游变形，增量在厘米级，如图2～图3。从应力与变形来看上、下游过渡料与心墙之间的变形协调性，应力水平不高，从图4可得出心墙在水压力作用下向下游变形，同时心墙竖向应力大于对应高程的水压力且小于理论土压力，以上成果符合心墙坝一般变形规律。

图2 满蓄期坝体水平变形（单位：cm）

图3 满蓄期坝体竖向沉降（单位：cm、负号为竖直向下）

图4 沥青心墙水平变形与竖向应力

3 结语

（1）根据规范及该工程设计特点，提出了碾压式沥青心墙结构形式，对坝基及坝肩基础进行了处理，计算得出符合该工程的坝壳料， 计算初拟大坝体型在施工期、正常运行期、设计洪水期、校核洪水期下的渗透稳定性与抗滑稳定性。

（2）采用非线性有限元软件中的邓肯张EB模型计算坝体、心墙应力应变特性，上述计算成果均能满足规范要求， 表明该工程的碾压式沥青心墙坝体型合理，为今后此类工程设计提供借鉴。