劉玉杰

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000）

新疆阿仁薩很托亥水利樞紐是開都河中游河段水電規(guī)劃“一庫四級”的龍頭水庫，向下依次規(guī)劃為哈爾嘎廷郭勒水電站、霍爾古圖水電站和滾哈布奇勒水電站，其具有發(fā)電、防洪和灌溉作用，為開都河下游群眾生產(chǎn)生活存在重要意義。 鑒于瀝青混凝土受氣候條件影響較少，對壩基和壩體變形適應性強，防滲性能優(yōu)越、結構簡單、施工方便、抗震能力強、 柔韌性好且安全可靠等諸多優(yōu)點， 在水利工程中，瀝青混凝土作為大壩的防滲材料被全世界大壩工程廣泛應用［5］。瀝青混凝土心墻在施工方法上分為碾壓式和澆筑式兩種［6］。由于澆筑式瀝青心墻含油量高，因此成本較碾壓式瀝青心墻高許多，本文結合工程實際特點，采用碾壓式瀝青混凝土作為大壩的防滲體，按照規(guī)范要求對壩體結構進行設計，再復核滲流、抗滑、應力應變特性是否能夠滿足規(guī)范要求［7］。

1 工程概況

新疆阿仁薩很托亥水利樞紐工程位于新疆和靜縣開都河中游段， 壩址位于薩很托亥溝口以下6km，距駱駝脖子51.4km處， 壩址斷面區(qū)域的多年平均年徑流量30.44億m3，多年平均流量68.671m3/s。

工程由大壩、開敞式溢洪道、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房、尾水渠等主要建筑物組成，最大壩高62.6m，總庫容0.113億m3，裝機容量75MW。 該工程規(guī)模屬中型， 工程等別為III等。 瀝青混凝土心墻壩壩頂寬度8.0m，壩長214m。 壩頂上游側設置L型鋼筋混凝土防浪墻。 上游壩坡坡比1∶2.0，采用混凝土板護坡。 下游壩坡比1∶1.8，采用混凝土網(wǎng)格梁+30cm厚干砌塊石護坡。壩體填筑分區(qū)從上游至下游為砂礫料區(qū)，過渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻，過渡料區(qū)，砂礫料區(qū)。根據(jù)當?shù)貧庀笳径嗄甑臍庀筚Y料統(tǒng)計，多年平均氣溫11 ℃；極端最高氣溫37.5 ℃；極端最低氣溫-23.5 ℃；最大積雪深14cm；水電站工程所在地，冬季寒冷，極端最低氣溫-23.5 ℃， 壩址所在地最大凍土深取高限值67cm，場址多年平均凍融次數(shù)79次。壩址區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度173gal，廠房區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度168 gal。

2 瀝青混凝土心墻設計

2.1 瀝青混凝土心墻結構設計

瀝青混凝土心墻變形適應能力強、抗震性能好、受氣候影響小、施工運行管理簡單，因此多被當?shù)夭牧蠅芜x做防滲材料，心墻在壩體分布上來說，采用垂直式面積最小、變形反應不像傾斜式那樣敏感，這種類型的心墻最節(jié)省投資。 為了使心墻與壩頂防浪墻連接更順暢一般墻體靠壩體軸線上游側布置。 根據(jù)工程任務、規(guī)劃提供需水位初步驗算壩高，最終確定本工程最大壩高取62.6m。 同時，類比國內(nèi)、外心墻壩工程［8-10］，多采用垂直式瀝青心墻，這類心墻不但可減少瀝青混凝土使用量，最重要的是便于后期維修，因此，本工程瀝青混凝土心墻采用垂直布置，為了心墻與防浪墻更好銜接形成完整的防滲系統(tǒng)， 墻體中心軸線偏向上游側，心墻軸線距壩軸線2.75m。 心墻頂高程1776.60m，墻底最低高程1716.60。采用三級突變厚度設計，頂部心墻寬0.4m，至高程1756.00m處突變?yōu)?.5m，至高程1736.00m處突變?yōu)?.6m，在底部進行放大腳漸變?yōu)?.8m。 本工程位于高地震烈度區(qū)（8度設防）。

2.2 壩基及壩肩基礎處理

左岸段1825m高程以上岸坡較陡，巖層片理傾向坡內(nèi)，受風化及構造影響，岸坡巖體局部形成1～3m卸荷帶， 對建筑物布置有一定影響， 壩體北側岸坡上、 下游各30m范圍內(nèi)進行削坡處理， 并進行噴護。1780～1728m高程沿擬選壩線上下游180m范圍內(nèi)臨現(xiàn)代河床分布1#古河槽，深度40～50m。古河槽內(nèi)沖積崩積漂卵礫石層、塊石、碎石層，弱膠結，結構密實，可作為土石壩基礎。 覆蓋層下伏基巖為斜長二云母石英片巖、黑云母石英片巖。

右岸段該段岸坡走向70～80°，地形起伏，邊坡高度約80m， 巖層走向與壩線交角為74°， 巖層傾向坡外。 局部發(fā)育兩組節(jié)理，心墻開挖中，兩組裂隙于片理面組合，局部易形成不穩(wěn)定體，對開挖邊坡穩(wěn)定有一定影響。

左、右岸基巖強風化層厚1～3m，弱風化層厚度5～10m，該段巖體透水率q＜5Lu界線在基巖面以下埋深為3～10m。

瀝青心墻基礎建在弱風化基巖面上， 心墻和岸坡巖石基礎的連接的混凝土蓋板厚0.8m。

河床壩基段現(xiàn)代河床寬20m，出露全新統(tǒng)沖積漂卵礫石層，覆蓋層厚度3～7m，以下是較完整的巖體，5Lu的界線在基巖面以下3～5m，3Lu界線在基巖面以下15～20m。

上述瀝青混凝土心墻底部與混凝土底板連接之間涂刷厚1cm瀝青瑪蹄脂，以增大黏結力并適應心墻水平變形，接縫設置止水片。

河床段作為大壩壩殼基礎， 清除表層1m松散的漂卵礫石層，壩體基礎漂卵礫石層表面清理碾壓后，相對密度Dr≥0.85。

基礎灌漿處理：瀝青混凝土心墻混凝土蓋板下進行鋪蓋式固結灌漿，孔距3m，3排，孔深鉛直入巖5.0m。 帷幕灌漿深度以進入基巖透水率小于5Lu線及1/3壩高作為控制標準， 最大帷幕深度38m， 共1排，河床基礎段帷幕灌漿孔距1.5m，兩側岸坡段孔距2m。

2.3 壩殼料設計

由于砂礫料篩分過后級配能夠滿足上、下游過渡料使用要求，儲量也滿足要求，最終考慮節(jié)省投資及簡化施工等因素， 采用C3-4天然砂礫料篩分來取得過渡料。采用C3-2、C3-3、C3-4砂礫料場的全料填筑壩體。

根據(jù)抗震規(guī)范［11］要求，對于無黏性土要求浸潤線以上材料的相對密度Dr≥0.75， 浸潤線以下材料的相對密度則根據(jù)設計烈度大小選用0.75～0.85，綜合考慮水上水下相對密度均采用0.85，dmax=600mm。

2.4 上、下游過渡料土料分析

上、下游過渡料粒料級配良好、質地堅硬是確保心墻受力均勻的保障，根據(jù)規(guī)范要求，過渡料中骨料最大粒徑不得大于瀝青混凝土骨料最大粒徑的8倍。本工程取用：過渡料骨料最大粒徑Dmax為80mm，且小于5mm粒徑含量不超過30%，滲透系數(shù)不應小于10-3cm/s，相對緊密度D≥0.85。 采用C3-4料場的料篩分，特征參數(shù)如表1。

表1 C3-4料場特征參數(shù)

2.4.1 過渡料與砂礫料層間關系復核

被保護土為過渡料屬于無黏性土，根據(jù)規(guī)范［11］過渡料不均勻系數(shù)Cu＞8，過渡料曲率系數(shù)Cc不等于1～3時說明其級配不連續(xù)， 應取小于5mm以下的粒徑作為細粒進行計算。 過渡料級配線：d85＝1.2mm，d15＝0.09mm。 砂礫料配線：D15＝0.43mm。 根據(jù)規(guī)范［11］D15/d85≤4～5，滿足保土性準則；D15/d15≤5，不滿足排水性準則。 根據(jù)計算結果，砂礫料對于過渡料可滿足保土性準則，但不滿足排水性準則。 但砂礫料是天然砂礫料全料，滲透系數(shù)較大，具有良好的透水性，能夠通暢地將滲水排出，所以認為所選過渡料合適。

2.5 壩體滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)以往工程經(jīng)驗， 可采用壩體最大典型斷面單寬滲流特性評價壩體滲透穩(wěn)定性，因此，本工程壩體滲流計算以壩最大斷面為計算剖面［12］，采用二維有限元計算正常蓄水位1776.0m， 設計洪水位1776.00m，校核洪水位1777.74m，上述三個工況下壩體浸潤線、等勢線、壩體和壩基滲流量和各部位的滲透比降，確定庫水位降落時浸潤線位置；根據(jù)地質資料及試驗報告可知：砂礫料滲透系數(shù)0.001cm/s，過渡料0.004cm/s，覆蓋層0.052cm/s，瀝青心墻1.0×10-7cm/s，混凝土防滲墻、基座1.0×10-7cm/s，基巖5.0×10-5cm/s，帷幕灌漿基巖5.0×10-5cm/s。 計算結果如表2，壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線如圖1。

表2 穩(wěn)定滲流期計算結果

圖1 正常蓄水位壩內(nèi)浸潤線及流速矢量線示意圖+Ⅷ度地震壩上、下游壩坡穩(wěn)定計算成果

從圖2壩內(nèi)浸潤線可知，心墻的防滲效果明顯且滲漏量較小。表2計算結果可知，下游壩腳（坡腳）、壩基等各部位的出逸最大比降均小于各土層的允許滲透比降，不會發(fā)生滲透變形破壞。

2.6 壩體邊坡穩(wěn)定計算

評價壩體的邊坡穩(wěn)定性對大壩安全運行至關重要，通常設計人員根據(jù)經(jīng)驗初步擬定的壩坡是需要通過計算進行論證是否合理的，因此，根據(jù)以往同類型工程經(jīng)驗， 本工程初擬的上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8，計算主壩的標準剖面在以下三種工況時壩體的穩(wěn)定性； 正常運用條件對應正常蓄水位（1071.0m）穩(wěn)定滲流期、非常運用條件Ⅰ對應施工期、非常運用條件Ⅱ對應正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇Ⅷ度地震的上、下游壩坡穩(wěn)定性。 庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定性。 靜力計算采用簡化畢肖普法，動力計算方法采用擬靜力法分析壩坡穩(wěn)定性，選取參數(shù)如表3。

表3 壩坡穩(wěn)定分析計算參數(shù)

從表4計算成果表明， 上述3個工況下的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范［11］允許值，圖1所列正常蓄水位+遇Ⅷ度地震時上、下游壩坡穩(wěn)定計算成果，該工況為上述3個工況的控制工況，表明地震時是大壩穩(wěn)定最不利工況， 通過設計所提抗震措施適當提高上、下游壩坡坡比，使得壩坡滿足設計要求，壩坡穩(wěn)定分析計算成果如表4。

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定計算最小安全系數(shù)

2.7 壩體應力應變計算

為能夠評價壩體在施工期與運行期變形與應力是否合理， 心墻是否會有產(chǎn)生水力劈裂的可能性，上、下游過渡料與心墻之間的變形協(xié)調(diào)性等。通過大型商用有限元軟件采用外掛子程序Duncan-Zhang E-B非線性線彈性模型［13-21］，對本工程的碾壓式瀝青混凝土心墻壩進行應力變形分析， 施工期模擬分30步，蓄水期模擬分10步，模型離散后單元總數(shù)為2048個，節(jié)點總數(shù)為2254個，模型參數(shù)采用類似工程的試驗參數(shù)如表5， 最終成果如表6， 成果如圖2～圖4。

表5 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算參數(shù)

表6 瀝青混凝土心墻壩二維有限元計算成果

從表6計算成果表明：壩體、心墻在施工期與運行期最大沉降率為47.4%與46.3%。 上游壩殼料在滿蓄期時孔隙壓力升高， 有效應力下降對于壩殼料來說是一個卸載過程，因此，滿蓄期沉降、應力要小于竣工期，同時壩體在水壓力作用下也向下游變形，增量在厘米級，如圖2～圖3。從應力與變形來看上、下游過渡料與心墻之間的變形協(xié)調(diào)性，應力水平不高，從圖4可得出心墻在水壓力作用下向下游變形，同時心墻豎向應力大于對應高程的水壓力且小于理論土壓力，以上成果符合心墻壩一般變形規(guī)律。

圖2 滿蓄期壩體水平變形（單位：cm）

圖3 滿蓄期壩體豎向沉降（單位：cm、負號為豎直向下）

圖4 瀝青心墻水平變形與豎向應力

3 結語

（1）根據(jù)規(guī)范及該工程設計特點，提出了碾壓式瀝青心墻結構形式，對壩基及壩肩基礎進行了處理，計算得出符合該工程的壩殼料， 計算初擬大壩體型在施工期、正常運行期、設計洪水期、校核洪水期下的滲透穩(wěn)定性與抗滑穩(wěn)定性。

（2）采用非線性有限元軟件中的鄧肯張EB模型計算壩體、心墻應力應變特性，上述計算成果均能滿足規(guī)范要求， 表明該工程的碾壓式瀝青心墻壩體型合理，為今后此類工程設計提供借鑒。