瀝青混凝土心墻土石壩在洞塘水庫中的應(yīng)用

瀝青混凝土心墻土石壩在洞塘水庫中的應(yīng)用

1心墻土石壩壩型設(shè)計洞塘水庫位于重慶乾江區(qū)阿隆江支流的上游，距乾江市7公里，集水區(qū)27.6公里，水庫總面積1210.14米。它是一個以農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水為重點的中型節(jié)水項目，集防洪、旅游等配套功能于一體。設(shè)計洪水防護為3460hm2。經(jīng)多種壩型比較和研究,采用碾壓式瀝青混凝土心墻土石壩,最大壩高48.0m。該工程于1997年7月開工建設(shè),2000年7月完工,2003年12月竣工,是西南地區(qū)建成的第一座碾壓式瀝青混凝土心墻土石壩。2上、微觀巖相特征壩址河谷開闊,呈“U”型,谷底寬43.0m～57.0m。河床左、右側(cè)分布堆積階地,寬15.0m～45.0m,高出河床1.8m～2.2m。兩岸谷坡較對稱,沖溝發(fā)育,切割較深,將岸坡分割成單薄山脊或山嘴。河床覆蓋層厚15.4m～17.1m,上部為厚2.0m的粉質(zhì)粘土,下部由厚13.4m～15.1m的卵礫石夾砂及分布不連續(xù)的粉質(zhì)粘土薄層透鏡體構(gòu)成。卵礫石夾砂層以卵石、礫石為主,結(jié)構(gòu)密實,屬中等壓縮性土,滲透系數(shù)5.86m/d～9.05m/d,屬弱-中等透水層。壩基巖體以頁巖為主,夾薄-中厚層石英砂巖。石英砂巖質(zhì)地堅硬,抗風(fēng)化能力強,屬堅硬巖石,但裂隙發(fā)育,完整性差。頁巖呈薄層狀結(jié)構(gòu),巖質(zhì)軟弱、抗風(fēng)化能力差,屬軟巖石。壩基上部巖體透水率為5Lu～94Lu,屬中等-強透水層,23.0m～25.0m以下巖體透水率小于5Lu,屬弱透水層。兩岸地形較陡,岸坡較高,風(fēng)化、卸荷強烈,強卸荷帶和左岸的卸荷蠕變體厚35.0m～40.0m,巖層平緩,但強風(fēng)化帶和卸荷帶巖體穩(wěn)定性差、透水性強,透水率為5Lu～556Lu,屬中等-強透水層。3壩體防滲土料場壩址附近壩殼石渣料料源豐富,有磕頭堡和馬家梁子料場,距壩址0.5km,除表層1.0m～2.0m厚坡殘積物外,有用層儲量193.9×104m3。巖體以頁巖為主,夾薄層石英砂巖,該石渣料具有抗剪強度高、壓縮變形低、滲透性強[滲透系數(shù)約(0.24～1.90)×102m/d]的特點,滿足壩殼料的質(zhì)量要求。施工時對石渣料場進行了優(yōu)化,將右壩肩667.00m高程以上作為壩殼石渣料主料場。防滲土料分布于壩址上游兩岸,共有12個產(chǎn)地,距壩址0.5km～2.0km,土料為黃褐色粘土夾礫石或粘土,粘粒含量41.75%～44.5%,滲透系數(shù)(1.49～5.79)×10-2m/d,滿足壩體防滲的質(zhì)量要求,但儲量較小,僅1.4×104m3,不能滿足壩體防滲料的用量。壩址附近河流沖積層為卵礫石夾砂,以頁巖為主,巖質(zhì)軟弱,不能作為過渡料。而砂巖夾在頁巖中,施工開采困難,不能作為堆石料。經(jīng)比較,過渡料及堆石料主料場選在距壩址約10.5km的燕子釬,該料場為三疊系灰?guī)r,基巖裸露,巖石堅硬致密,滿足堆石料及反濾過渡料的質(zhì)量要求。4壩型防滲材料選擇可行性研究對混凝土重力壩和當(dāng)?shù)夭牧蠅芜M行了研究,采用當(dāng)?shù)夭牧蠅螢榇韷涡?。初步設(shè)計根據(jù)壩址附近頁巖石渣料豐富、天然防滲料(粘土)缺乏、堆石料運距遠(yuǎn)的特點,結(jié)合筑壩材料和瀝青材料試驗研究,在壩型比較中對壩殼料不再進行研究,而重點研究當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚姆罎B材料和防滲位置,因此壩型的比較,實際上就是防滲材料和防滲部位的比較。壩址處可布置瀝青混凝土心墻、土工膜心墻土石壩和瀝青混凝土面板、土工膜面板、混凝土面板土石壩等五種當(dāng)?shù)夭牧蠅?。五種壩型都采用軟基建壩,覆蓋層防滲采用混凝土防滲墻,基巖防滲采用帷幕灌漿,壩殼料采用就近開采的頁巖石渣料;壩體斷面設(shè)計也大致相同,只是面板壩的石渣料處于干區(qū),上游壩坡比心墻壩略陡些。面板石渣壩建在覆蓋層上,基礎(chǔ)沉陷和壩體變形對面板的影響難以定性確定,而防滲系統(tǒng)能否正常工作,直接決定著面板壩的成敗,在深厚覆蓋層上選擇面板石渣壩目前尚無把握,不宜作為推薦壩型。土工膜作為大壩防滲材料,在我國起步較晚,在理論研究、計算方法、參數(shù)選擇、材料生產(chǎn)、試驗手段、施工方法等方面還不成熟,其防滲可靠性和安全性尚無絕對把握,目前也不宜推薦。瀝青混凝土具有防滲性能高、變形性能好、抗震能力強等優(yōu)點,瀝青混凝土心墻土石壩能很好地解決軟基建壩、壩體防滲和筑壩材料問題,這種壩型在國內(nèi)外已有不少成功的的經(jīng)驗,因此采用瀝青混凝土心墻土石壩。5壩體防滲系統(tǒng)瀝青混凝土心墻土石壩布置在炭廠溝至唐家溝順直河段,軸線距炭廠溝口約110.0m,最大壩高48.0m,壩頂寬7.0m。上游壩坡1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75,在628.50m高程處設(shè)有寬22.75m、高7.50m、外邊坡1∶2.75的石渣平臺;下游壩坡1∶2.00、1∶2.25、1∶2.50,在647.00m高程處設(shè)有寬2.0m的馬道,在627.00m高程處設(shè)有寬10.0m、高6.0m、外邊坡1∶2.50的石渣平臺。瀝青混凝土心墻厚50cm,采用等厚布置,在心墻和壩殼石渣料之間設(shè)有寬2.0m的過渡層。為降低下游壩體浸潤線并排水通暢,在壩殼石渣料和基礎(chǔ)覆蓋層之間,沿621.00m高程鋪設(shè)一層厚1.5m的過渡帶與下游貼坡排水相接。壩基覆蓋層由卵礫石夾砂及薄層粘土透鏡體組成,經(jīng)穩(wěn)定分析計算,只須清除表層土,將大壩置于黃色砂礫石層上,即能滿足大壩抗滑穩(wěn)定及變形要求。大壩防滲系統(tǒng)由瀝青混凝土心墻、基礎(chǔ)現(xiàn)澆混凝土防滲墻與基巖灌漿帷幕組成。河床覆蓋層防滲采用開挖基坑澆筑混凝土防滲墻,結(jié)合瀝青混凝土心墻基座布置,防滲墻厚2.0m,最大深度17.0m,混凝土強度等級為C15,抗?jié)B標(biāo)號W6。兩岸基巖及混凝土防滲墻以下基巖防滲采用帷幕灌漿。防滲軸線位于瀝青混凝土心墻軸線下游0.45m處,布置兩排帷幕孔,孔距2.0m,排距0.9m,深入基巖相對不透水層以下1.5m,兩岸延伸至與正常蓄水位665.00m相接,帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)為檢查孔壓水試驗透水率不大于5Lu。瀝青混凝土心墻土石壩設(shè)計剖面見圖1。6水庫材料設(shè)計6.1壩上地區(qū)馬家梁子料市場開發(fā)建議大壩填筑石渣料主要采用右壩肩667.00m高程以上料場開采料及壩肩和溢洪道開挖料,不足部分再從緊靠溢洪道右側(cè)的馬家梁子料場開采。上游壩殼料位于水下,采用新鮮、弱風(fēng)化頁巖石渣料;下游壩殼料位于干燥區(qū),強、弱風(fēng)化頁巖石渣料均可上壩;河床混凝土防滲墻兩側(cè)填筑料,采用強、弱風(fēng)化頁巖石渣料。6.2強力、硬化過渡料位于瀝青混凝土心墻上、下游側(cè),要求質(zhì)地堅硬,具有較高的抗水性和抗壓強度(大于50MPa),軟化系數(shù)大于0.85。經(jīng)試驗論證,采用燕子釬灰?guī)r人工料,最大粒徑60mm～80mm。7水庫分析計算7.1來水單量和年滲漏量采用有限元法對壩體進行滲流分析計算。經(jīng)計算,壩體單寬滲漏量約0.1m3/d·m,平均滲漏量約為10.38m3/d,僅為多年平均日來水量的0.04%,年滲漏量約為0.39×104m3,占水庫總庫容的0.03%。計算結(jié)果表明,瀝青混凝土心墻、基礎(chǔ)混凝土防滲墻和壩基帷幕灌漿構(gòu)成了大壩完整的防滲系統(tǒng),起到了良好的防滲作用,壩體滲漏量極小,浸潤線的位置較低,大壩不存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題。7.2壩體沉降量的確定壩體材料為頁巖石渣料,壩基為卵礫石夾砂覆蓋層,壩體、壩基均為粗粒料,采用變形模量按分層總和法計算壩體最終沉降量。經(jīng)計算,壩體最終沉降量0.35m,壩基最大沉降量0.27m。7.3壩坡穩(wěn)定計算工況壩體填筑料為頁巖石渣料,在強度指標(biāo)選擇上,分別采用線性強度指標(biāo)和非線性強度指標(biāo)。穩(wěn)定計算方法分別采用瑞典圓弧法、簡化畢肖普法和摩根斯頓法。壩坡穩(wěn)定計算工況為施工期(竣工)的上、下游壩坡、穩(wěn)定滲流期下游壩坡、水位降落期上游壩坡。以河床最大斷面作為計算典型斷面進行壩坡穩(wěn)定分析計算,用單形法自動搜索最小安全系數(shù)和最危險滑裂面。各種工況壩坡穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)見表1,臨界滑裂面見圖2、圖3。計算結(jié)果表明,在各種工況下,瀝青混凝土心墻土石壩滿足大壩抗滑穩(wěn)定要求,大壩能安全運行。7.4壩體應(yīng)力應(yīng)變計算瀝青混凝土是粘彈性材料,在長期荷載作用下強度有不同程度的調(diào)整,其應(yīng)力應(yīng)變并不完全符合雙曲線模型?？紤]心墻瀝青混凝土受溫度和荷載共同作用時對粘性及塑性的影響,采用了粘彈性四元流體模型分析瀝青混凝土心墻土石壩的應(yīng)力應(yīng)變狀況。水庫蓄水到正常蓄水位665.00m時,壩體應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果見表2,圖4～5。由圖、表可知,壩殼最大沉陷-24.9cm,蓄水后向下游的最大水平位移25.9cm,最大剪應(yīng)力0.646MPa,最大剪應(yīng)變6.81%,有6個單元的應(yīng)力水平大于1。瀝青混凝土心墻最大沉降-12.8cm,蓄水后向下游的最大水平位移25.9cm,最大主應(yīng)力0.917MPa,最大應(yīng)變3.74%,拉應(yīng)變-1.39%,應(yīng)力水平小于1?；炷练罎B墻最大沉降-2.6cm,蓄水后向下游的最大水平位移21.7cm,最大主應(yīng)力14.359MPa,最大應(yīng)變0.33%,拉應(yīng)變-0.08%,應(yīng)力水平小于1。分析計算表明,瀝青混凝土心墻土石壩滿足壩體應(yīng)力應(yīng)變要求,大壩能安全運行。8庫水位變化的影響從2002年4月3日起,對大壩進行了5次觀測,壩體沉陷為0.0～6.0mm,平均沉陷2.8mm,壩體位移較小。從2001年2月10日起,對大壩測壓管進行了120次觀測,管內(nèi)水位穩(wěn)定,受庫水位變化的影響較小,其中在庫水位662.82m時,3個測壓管水位為621.86m、621.82m、621.52m,最大水頭差41.3m;在庫水位655.00m時,3個測壓管水位分別為621.69m、621.66m、621.17m,最大水頭差33.8m,下游壩體浸潤線位置較低。從2001年12月11起,對大壩下游量水堰進行了56次觀測,滲流量為0.011m3/s～0.029m3/s,壩體滲漏量穩(wěn)定,受庫水位變化的影響較小。觀測資料