碾壓式瀝青混凝土心墻壩體型設計與評價

楊 波

(新疆兵團勘測設計院集團股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

土石壩具有復雜地形適應強、施工周期短、建造成本低等顯著優勢，是新疆地區首選的重要壩型[1]。加之新疆石油資源豐富，瀝青品質極高，為發展高瀝青心墻壩奠定了重要基礎[2]。世界已建瀝青心墻壩217座；中國已建119座；新疆已建70余座(占全國的60%)，100m以上高壩占全國73.3%。如已建成的一批“百米”級瀝青心墻壩有：新疆民豐縣尼雅水庫(壩高134.0m)、且末縣大石門水利樞紐工程(壩高128.8m)、哈密市BMD水庫(壩高128.0m)、哈密市八大石水庫(壩高115.7m)、和碩縣伯斯阿木水庫(壩高111.0m)、呼圖壁縣石門水庫(壩高106.0m)、托克遜縣阿拉溝水庫(壩高105.3m)、輪臺縣五一水庫(壩高102.5m)、拜城縣溫泉水庫(壩高102.5m)、烏蘇市吉爾格勒德水庫(壩高101.0m)。然而，國內外已建或在建的高瀝青混凝土心墻壩中，尚有些工程蓄水后，導致壩體不均勻沉降，嚴重時有些工程壩后滲壓計異常漏水嚴重，對下游廠房及壩體安全運行造成重大隱患[4]，因此，壩體的合理變形控制對整個工程的安全運行非常重要[3]。為振興兵團經濟，加快實施新型工業化進程，實現經濟跨越式發展，充分利用國家政策和十三師的資源、交通和區位優勢，轉變經濟發展方式，也為了實現地表水資源的合理配置和高效利用，有效調節年內水量，提高灌溉供水保證率，解決園區供水問題，保障社會穩定，促進民族團結，在新疆哈密修建BMD水庫，該水庫具有灌溉、工業供水等綜合利用功能。然而作為國內已建和在建排名第4高的瀝青心墻壩，大壩設計面臨著“一狹一高兩小”的問題，即庫盤河谷相對窄狹，切割深度大，河谷多呈“V”形地貌形態，最大壩高為128m(心墻高度116.4m)，灌溉供水規模小、洪水標準對應的洪峰流量小的特點。本文結合工程特點提出滿足規范要求的大壩結構及土料設計指標[4-8]，并建立大壩三維模型用于分析計算，依據計算成果評價壩體的設計成果[9-10]。

1 工程概況

BMD水庫工程為下游十三師農業灌溉用水及工業用水起到了調節作用，總庫容為906萬m3，正常蓄水位為1543m，壩高128m，控制灌溉土地面積為5.1萬畝，為Ⅳ等小(1)型工程。工程由攔河壩、左岸的溢洪道、導流兼顧灌溉供水洞組成，壩址區設計地震烈度為Ⅶ度。

1.1 壩體結構設計

大壩與上游圍堰永久結合，圍堰頂寬5.0m，上、下游邊坡1∶2.0。堰頂高程1474.00m以上壩坡取為1∶2.25，采用現澆C30W6F300砼護坡，厚0.20m?；炷敛捎?2.5水泥，二級配，分塊尺寸3m×3m，結構縫寬2cm，采用2cm厚高壓閉孔板嵌縫?？紤]心墻上游堆石區為含水區，在水庫運行過程中，庫內水位下降，為減緩壩體內水無法及時排出而產生揚壓力對護坡的浮托破壞，在護坡上設置排水孔(每塊板上布置4孔，孔徑φ100)，同時在排水孔處砼護坡下設無紡布，以防止把壩體內細顆粒帶出，造成壩體滲透破壞。下游馬道間壩坡為1∶1.8，采用30cm厚混凝土框格干砌卵石護坡，混凝土框格厚0.3m，高0.5m，下游坡設之字形上壩公路，路寬5m，縱坡i=9%，共設4級上壩道路，路面表層瀝青砼厚5cm，其下設20cm厚級配碎石墊層，最大斷面下游綜合坡度約1∶2.01。

1.2 壩體瀝青心墻設計

壩體填筑分區從上游至下游分為砂礫料區、過渡料區、瀝青混凝土區、過渡料區及排水料區[5-7]。砂礫料區位于過渡層外側，底部位于壩基，采用C1料場料填筑，平均運距1.5km。河床砂礫石填筑層厚0.8m，相對密度Dr≥0.85。過濾料位于心墻的兩側，頂高程1545.00m，由C1砂礫石料場篩除80mm以上粒徑的砂礫料獲得，水平寬度3m，等寬布置，相對密度不低于0.85。防滲體采用垂直布置的瀝青心墻，墻體軸線與壩軸線間隔3.0m偏向上游，心墻頂寬為0.8m，底寬為1.2m，在底部做放大腳與基礎相連。高程1545.00～1505.00m段心墻厚度80cm，高程1505.00～1465.00m段心墻厚度100cm，高程1465.00～1418.90m段心墻厚度120cm[2]。

1.3 瀝青砼心墻與岸坡及其他建筑物的連接方式

(1)瀝青混凝土心墻與底部基礎、兩側岸坡采用混凝土基座連接，坡度開挖面不陡于1∶0.5，混凝土基座基礎底部位于弱風化層內，固結灌漿深度5m。

(2)瀝青砼心墻與左岸溢洪道邊墻連接，對心墻基座寬度范圍內的溢洪道邊墻邊坡加厚放緩至1∶0.3，并在放緩后的溢洪道邊墻上設置1.8m寬凹槽，心墻局部加厚與凹槽連接，溢洪道邊墻與心墻連接段采用1∶0.3的斜坡，以保持心墻與邊墻為壓力接縫，縫內設止水，接觸面涂刷厚度為1～2cm的瀝青瑪蹄酯。

1.4 壩基防滲設計

左、右壩肩瀝青砼心墻防滲體建基于弱風化層上部，開挖深度最大約20m，基巖上設1.0m厚5.5m寬強度等級為C30砼基座與瀝青混凝土心墻防滲體相接。壩肩基礎進行固結灌漿，排距1.5m，孔距2m，梅花形布置，孔深5m?；A下部設2道灌漿帷幕，孔深度以深入q≤3Lu線以下5m控制，即左壩肩帷幕灌漿深度為50m，右壩肩帷幕灌漿深度45m。左壩肩卸荷體做加強防滲處理，設4排帷幕，帷幕深度需達到卸荷體底部以下5m并同時按深入q≤3Lu線以下5m控制。

河床部分心墻基礎位于弱風化上限，在心墻底部澆筑5.5m寬1.0m厚混凝土蓋板，并采用雙排帷幕灌漿，控制標準以小于3lu線以下5m為準。

左岸壩肩灌漿平硐長20m，右岸壩肩灌漿平硐長25m，單排帷幕、灌漿控制標準按小于3Lu孔距2m。

對壩殼基礎內的節理裂隙與出漏的斷層，采用混凝土塞進行回填處理，并對塞下不良部位加強固結灌漿。

2 有限元計算分析

2.1 筑壩料靜力模型本構

新疆天然礫石分布范圍廣，利用天然砂礫石填筑壩體，是新疆心墻壩區別于一般心墻壩的主要特征。對BMD瀝青混凝土心墻壩開展了三維非線性分析計算壩體和瀝青心墻的變形與應力規律。建立碾壓式瀝青混凝土砂礫石壩三維有限元模型，其中，順河向位移以向下游為正，應力以壓為正。填筑料采用Duncan-E-B模型，對應的彈性矩陣如公式(1)[11-16]，模型中的混凝土均為彈性模型。

(1)

式中，Et—切線彈性模量；B—體積模量。

壩體填筑料鄧肯E-B模型參數見表1。表中ρd為干密度，K為粗粒土的初始模量，n為切線彈性模量指數，Rf為破壞比，C為粘聚力，φ為摩擦角，Kb初始模量基數，m為反映初始模量隨圍壓變化的速率。

表1 壩體填筑料鄧肯E-B模型參數表

2.2 壩體填筑和蓄水過程模擬

壩體最大壩高128m，實際每層填筑后高度為0.8m，根據同類型工程計算經驗，在蓄水前的施工期模型每3m填筑1層，最后2部采用4m填筑1層，共計42個分析步，蓄水分31個分析步蓄水。

2.3 網格剖分及邊界條件

工程的三維有限元網格模型如圖1所示，維有限元模型共有單元307055個，節點327，338個。其中，瀝青心墻料，高程1510m為分區線，上、下采用不同的瀝青心墻材料。由于壩體底部及兩岸岸坡均位于灰色黑云母花崗巖基礎之上，該巖性為堅硬巖。因此將模型底部所有節點進行全部約束。

圖1 壩體三維網格剖分圖

3 成果分析

通過建立心墻壩三維有限元模型，計算大壩在上述工況下的變形特性分析結果表明：

(1)當填筑至第42部時即大壩填筑完畢后，上游壩體順河向最大變形量值為9.0cm，下游壩體順河向最大變形量值為13.7cm；當蓄水至正常蓄水位時即模型在第73步時，在分層蓄水壓力的作用下，壩體整體向下游變形，上游側的變形減小至7.8cm，下游側變形量增大至17.8cm。最大沉降量為35.1cm占整個壩高0.27%，滿足規范壩體變形量占壩高小于1%的要求。由于本工程位于狹窄河谷壩體受拱效應作用大、小主應力最大值分別為-2.08、-0.75MPa。

(2)當水庫蓄水后模型到第71步時在上游水壓力作用下瀝青心墻順河向變形逐漸增大，順河向向下游的最大位移達到12.0cm，位于心墻頂部；壩體水平向最大值分別為18.4cm(向下游)和8.1cm(向上游)。最大沉降量為31.7cm(沒考慮壩殼料濕陷，僅考慮上游壩殼料浮容重)占整個壩高0.25%，壩體在地形作用下拱效應影響到心墻，心墻底部大、小主應力最大值分別為2.44、0.94MPa，心墻豎向沉降最大值為30.0cm，位于河谷中間壩體1/2處，由于對壩體蓄水后瀝青混凝土心墻的豎向、水平向應力均大于相同高程的水壓力產出的應力，即按照黏土心墻壩水力劈裂的判別方法，滿蓄期時將任一點的計算豎向應力減去水產生的應力后的值作為判斷標準，由此原理繪制心墻等值線圖如圖2—4所示，可知心墻最小值為0.1位于兩岸起坡點，圖中所有值均大于0，表明發生水力劈裂的可能性很小。

圖2 滿蓄期水平位移等值線圖(單位：cm)

圖3 滿蓄期豎向沉降等值線圖(單位：cm)

圖4 滿蓄期豎向應力與水壓力差值(單位：MPa)

4 結論

工程大壩面臨著“一狹一高兩小”的設計難題，通過地形地質及外部邊界條件提出滿足要求設計方案，本次研究采用了先進的精細化三維非線性應力與變形有限元分析方法對BMD瀝青混凝土心墻大壩的壩體、心墻及基座的應力與變形規律進行了系統的分析，竣工期與滿蓄期壩體變形均符合瀝青心墻壩一般變形規律，滿蓄期壩體的最大豎向沉降占壩高的0.25%，統計以上變形成果與同級別壩體沉降相比算較小的，滿足設計要求的壩體的填筑標準，可有效的控制壩體的變形。瀝青混凝土心墻在施工期、蓄水期變形不大、豎向應力與水壓力差值大于0，滿足工程運行要求。采用有限元法驗證設計合理性，為工程正常運行提供可靠依據。