勐甸水库粘土心墙石碴坝设计与实践

杨海泉

中水珠江规划勘测设计有限公司 广东广州 510610

1 工程等级和标准

勐甸水库总库容1336 万m3，为Ⅲ等中型工程，主要建筑物大坝、导流输水隧洞和溢洪道为3 级，次要建筑物为4 级，输水工程和临时建筑物为5 级。水库设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为1000 年一遇，消能防冲设计洪水标准为30 年一遇。输水工程跨河、跨箐设计洪水标准为10 年一遇。工程区相应的地震基本烈度为Ⅶ度，工程按Ⅶ度地震设防。

2 坝址、坝线选择

根据地形地质条件与坝址下游的河势，并考虑到导流兼引水隧洞的布置等，可研阶段布置了两条坝线进行比较，即上坝址上坝线（简称“上坝线”）和上坝址下坝线（简称“下坝线）”。通过两条坝线方案的拦河坝布置比较发现：水库地形平面上呈漏斗状，上、下坝线正好位于漏斗的瓶颈处，上坝线坝顶长365m，下坝线坝顶长355m，上坝线河床高程615m，下坝线河床高程613.0m，比上坝线低2.0m，但下坝线偏向瓶颈下游，坝顶长度小于上坝线长度10m，坝体填筑量要小于上坝线，因此初步设计阶段确定了上坝址下坝线方案[1]。

3 粘土心墙石碴坝结构设计

大坝坝顶长355m，坝顶宽度8m，坝顶高程651.9m，最大坝高44.5m。坝体分区由上游至下游依次为上游填筑区、反滤层、中心防渗区、反滤层、下游填筑区、排水棱体组成（坝体结构详见图1 坝体剖面示意图）。上、下游填筑区的全、强风化料采用石料场开采的全、强风化混合料，并利用部分溢洪道及隧洞的开挖料。坝体防渗采用粘土心墙，粘土心墙墙顶高程651.0m，顶宽3m，心墙上、下游坡度均为1:0.25。心墙上下游分别设有1.5m 厚的中粗砂和1.5m 厚的级配碎石反滤层，心墙底部设C25 混凝土压浆板，厚1.0m。

图1 坝体剖面示意图

3.1 心墙材料设计与质量控制

大坝坝体采用粘土心墙防渗。根据试验资料表明：土料场的土料天然状态下的粘粒含量为35.5%，天然状态下的塑性指数为Ip=23.90，渗透系数为1.6×10-6cm/s，天然含水率平均值18.70%，击实后的最优含水率平均值17.10%，各项指标均满足防渗土料质量要求。

粘土心墙与反滤料、坝壳填筑应尽量平起平压，均衡施工，以保证压实质量。防渗土料渗流系数小于1×10-5cm/s，压实度为96%-98%。在心墙防渗体上、下游均设有反滤层，由级配碎石和中粗砂组成，厚度均为1.5m。最优含水量，取有一定代表性的坝上全风化土的平均值17.1%，施工按-2%至+3%控制。

3.2 坝壳料填筑设计

（1）坝体上、下游坝壳料主要采用石料场的强、中风化混合料和部分溢洪道、隧洞开挖料。石料场的大理岩全-强风化混合料，实验结果显示全-强风化混合料其主要指标范围值为：紧密密度为2.09-2.15g/cm3，内摩擦角（击实后）31.30°至34.40°，渗透系数（击实后）2.1×10-4至9.8×10-4cm/s，用于坝上游630m高程以上和坝下游637m 高程以下坝壳料填筑。溢洪道及隧洞的开挖料主要为全、强风化泥质粉砂岩和砾岩，密度为1.98-2.05g/cm3，内摩擦角25°至27°，碾压后渗透系数＞1×10-4cm/s，用于坝上游630m 高程以下及坝上游637m 高程以上坝壳料填筑。要求料场石碴料填筑指标：相对密度≥0.75。

（2）排水棱体石料主要采用石料场弱风化岩，强度较高，岩石稳定性好，其填筑孔隙率初选24%。

4 坝基开挖及基础防渗处理

4.1 坝基开挖

大坝河床部位（约95m 范围）为第四系全新统冲洪积层透水性强，且河床左岸坡度较陡接近1:0.7。主河床左右两岸下卧3m 左右的第四系全新统残破积层，透水性较强，渗透系数平均值1×10-3cm/s 至1×10-4cm/s。

鉴于河床砂卵砾石冲洪积层不是很深厚，并且考虑土坝填筑与岸坡结合密实以及防渗需要，清除河床段心墙齿槽部位的砂卵砾石覆盖层，建于全风化基岩下1-3m，该部位的心墙齿槽开挖垂直深度约6m-14m，齿槽底部宽7m，齿槽上、下游开挖坡度1:1.25。左右两岸的粘土心墙齿槽基础建于原地面高程下3m-5m 左右（即第四系全新统残破积层下挖3m 左右），齿槽两岸开挖边坡坡比不陡于1:1.5。心墙齿槽岩面设C25 混凝土压浆板，厚1.0m，宽7m。上下游坝壳部位清基开挖深度1.0m，剥离表层植被及根植土和河床松散砂卵砾石表层。清基面开挖完成后应对坝基面进行碾压，碾压遍数不低于7 遍[2]。

4.2 基础防渗处理

根据本地质勘察成果，坝基为半成岩全、强风化带，渗透系数小，但坝基全风化带颗粒组成极其不均，以砂、砂砾为主，不均匀系数、曲率系数、细颗粒含量均相差悬殊，坝基全风化带不同部位因颗粒组成不同分别存在流土、管涌以及过渡型渗透变形破坏可能，经计算坝基及绕坝渗漏带一定深度内运行水力比降超过允许水力比降，存在渗透变形破坏，因此需进行帷幕灌浆防渗处理，处理范围应封闭渗透变形破坏层，帷幕底界深度应穿过渗透变形破坏层下限5m，以防止坝基、坝肩因渗漏发生渗透变形破坏。

帷幕灌浆中心线总长494m，其中左岸长96m，河床部位355m，右岸43m，采用双排孔布置，孔距1.5m，排距1.2m。基础开挖出防渗齿槽后，浇筑1.0m 厚的C25 砼压浆板，宽7m。帷幕上下游各设1 排固结灌浆孔，固结灌浆孔孔距3m，孔深8m。灌浆材料采用普通硅酸盐水泥，强度等级42.5 级或以上。

5 大坝稳定计算及沉降计算结果

5.1 稳定计算

本工程属中型工程，坝高44.5m，水库的大坝为3 级建筑物。由于该工程区域设计烈度为7 度，需要进行抗震计算。通过大坝边坡稳定分析计算，各种工况下，坝坡抗滑稳定安全系数均大于规范规定最小安全系数，坝体设计断面满足要求，大坝安全可靠。

5.2 沉降分析

本工程坝基为全风化泥质粉砂岩坝基，选取桩号坝0+215.00、坝0+220.00 两个典型断面对坝体和坝基的沉降进行计算。

表1 最终沉降量成果表

6 大坝碾压质量控制

为保证施工质量，并保证设计所选用的有关土料物理力学指标的合理性，大坝填筑施工前，对土坝不同料源分别进行了试验。通过试验和比较确定合适的碾压施工参数，包括压实机械类型、机械参数、铺料厚度、碾压遍数、洒水量及渗透系数、各种填料施工工艺等[3]。详见图2 大坝碾压质量控制参数。

7 结语

我国水利水电工程碾压式土石坝技术趋于成熟，并积累了大量宝贵的经验，为达到工程安全、经济合理和技术先进的要求，仍需要不断探索。勐甸水库工程勘察设计过程中，结合地形、地质条件和填筑材料，对各种坝型进行技术经济比较后，确定了粘土心墙石碴坝为最佳坝型。本工程坝体填筑材料设计分区充分考虑了溢洪道开挖料以及料场材料的性质和可利用数量，对各区材料的压实有严格要求。在土石坝的设计过程中，在正常和非正常运用条件的荷载组合情况下，必须满足稳定、渗流、变形等要求，保证它能长期安全运用并充分发挥经济效益和社会效益。

图2 大坝碾压施工质量控制参数