鄭光俊，張 偉，劉 磊

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 土工研究所，湖北 武漢 430010)

0 引 言

根據(jù)SL 501-2010 《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》及國(guó)內(nèi)相關(guān)研究[1-2]，瀝青混凝土心墻兩側(cè)與壩殼之間應(yīng)設(shè)置過(guò)渡層；過(guò)渡材料顆粒級(jí)配宜連續(xù)，最大粒徑不宜超過(guò)80 mm，小于5 mm粒徑的含量宜為25%～40%，小于0.075 mm粒徑含量不宜超過(guò)5%；過(guò)渡層應(yīng)滿足心墻與壩殼料之間變形過(guò)渡要求，且具有良好的排水性和滲透穩(wěn)定性。瀝青混凝土心墻的變形模量較小，對(duì)于堆石壩來(lái)說(shuō)，壩殼料的變形模量大，通過(guò)設(shè)置過(guò)渡層使變形模量介于心墻和壩殼之間，使心墻、過(guò)渡層、壩殼料的變形平緩過(guò)渡[3-4]。拉洛水利樞紐工程壩殼采用天然砂礫石，變形過(guò)渡問(wèn)題不如堆石壩突出。合理限制5 mm、0.075 mm顆粒含量，有利于提高過(guò)渡層的排水性。

在拉洛水利樞紐工程大壩心墻兩側(cè)各設(shè)置一層厚3 m的過(guò)渡料，因料場(chǎng)細(xì)粒含量偏高，不能通過(guò)天然砂礫石料簡(jiǎn)單加工得到滿足設(shè)計(jì)[5]及規(guī)范要求(小于5 mm含量為25%～40%)的填料。對(duì)此考慮對(duì)粗粒含量進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法主要有破碎摻配法與P5含量調(diào)整法，但會(huì)大幅增加工程投資，影響工程工期。從壩體滲透穩(wěn)定、反濾過(guò)渡關(guān)系和應(yīng)力變形等方面進(jìn)行研究，考慮對(duì)現(xiàn)場(chǎng)細(xì)粒含量高的天然砂礫石料剔除80 mm的顆粒進(jìn)行優(yōu)化，作為大壩心墻兩側(cè)過(guò)渡料的可行方案。

1 工程概況

西藏拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程是雅魯藏布江右岸一級(jí)支流夏布曲干流上的控制性工程，工程主要任務(wù)為灌溉，兼顧供水、發(fā)電和防洪，以及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。工程包括拉洛水利樞紐工程和配套灌區(qū)工程，為大(2)型水利工程，包括瀝青混凝土心墻壩、泄洪發(fā)電隧洞(兼顧導(dǎo)流)、溢洪道、拉洛水電站、魚(yú)道、德羅引水發(fā)電系統(tǒng)等。拉洛水庫(kù)總庫(kù)容2.965億m3，正常蓄水位4 298.0 m，設(shè)計(jì)灌溉面積30 260 hm2(45.39萬(wàn)畝)。大壩位于海拔高程4 300 m地區(qū)，高寒缺氧，典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型斷面(尺寸單位：cm)Fig.1 Typical cross section of dam

2 壩體填料基本特性

2.1 瀝青混凝土心墻

根據(jù)工程區(qū)的天然氣候條件、室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓試驗(yàn)成果，大壩瀝青混凝土采用克拉瑪依70號(hào)(A級(jí))道路石油瀝青，含量6.6%～6.9%。

2.2 優(yōu)化后的過(guò)渡料

過(guò)渡料采用雪日巴塘或塔曲料場(chǎng)開(kāi)采的砂礫石合格料，剔除最大粒徑80 mm以上顆粒的余料，小于5 mm粒徑含量百分比為25%～55%，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于5%。過(guò)渡料壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.75。過(guò)渡料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見(jiàn)圖2和表1[6]。

表1 過(guò)渡料設(shè)計(jì)級(jí)配Tab.1 Design grading for transition material

圖2 過(guò)渡料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線Fig.2 Design grading curves of transition materials

采用現(xiàn)場(chǎng)高細(xì)粒含量過(guò)渡料上包線和平均線級(jí)配三軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)曲線整理的E-μ(B)模型參數(shù)和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，壩殼料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力值在10～42 kPa，摩擦角值在37.2°～37.9°，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)良好。

2.3 其他主要填料

(1) 壩殼料。壩殼填筑料利用雪日巴唐料場(chǎng)、塔曲料場(chǎng)或壩址砂礫石覆蓋層開(kāi)挖的砂礫石合格料，填筑材料均為天然砂礫石，最大粒徑為600 mm，小于5 mm粒徑含量百分比不超過(guò)60%，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于8%，壓實(shí)后相對(duì)密度為不小于0.75。

(2) 排水料。采用塔曲料場(chǎng)開(kāi)采的砂礫石合格料，最大粒徑為500 mm，小于5 mm粒徑含量百分比為5%～15%，要求級(jí)配連續(xù)，小于0.075 mm粒徑含量百分比(含泥量)低于5 %。壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.75，滲透系數(shù)大于10-2cm/s數(shù)量級(jí)。

3 滲透穩(wěn)定及反濾試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)SL 237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，現(xiàn)場(chǎng)取樣開(kāi)展大壩滲透穩(wěn)定及反濾試驗(yàn)，掌握大壩砂礫石填筑料的滲透特性，為滲流計(jì)算分析提供參數(shù)。

3.1 滲透變形試驗(yàn)

通過(guò)滲透變形試驗(yàn)獲得填筑料的滲透系數(shù)、臨界或破壞比降、滲透破壞形式等成果。開(kāi)展了壩殼料、過(guò)渡料、排水料、反濾料等上包線、下包線級(jí)配料的滲透變形試驗(yàn)。滲透變形試驗(yàn)均采用垂直試驗(yàn)方法，水流由下至上，對(duì)出口不進(jìn)行保護(hù)。試驗(yàn)獲得的填筑料滲透變形成果參見(jiàn)表2[6]。成果表明：因細(xì)粒含量偏高，壩殼料及過(guò)渡料上包線試樣滲透破壞以流土破壞類(lèi)型為主，下包線一般為過(guò)渡型。

表2 填筑料滲透變形試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of seepage deformation of filling materials

3.2 反濾試驗(yàn)

根據(jù)工程實(shí)際情況，開(kāi)展了壩殼料/排水料、過(guò)渡料/排水料、反濾料/排水料的組合反濾試驗(yàn)。反濾試驗(yàn)中水流方向自下向上，下游面排水料為臨空面。試驗(yàn)過(guò)程中，分別測(cè)量不同位置的水頭，分析各層承擔(dān)的比降，監(jiān)測(cè)細(xì)顆粒的遷移和局部滲透比降的變化過(guò)程，同時(shí)還可觀察下游面排水料樣面狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：除個(gè)別組合供水不足、難以繼續(xù)升壓外，壩殼料、過(guò)渡料、反濾料在排水料保護(hù)條件下，能承擔(dān)的水力比降超過(guò)15.0，且在排水料的濾土保護(hù)下，小于5 mm顆粒含量的下包線級(jí)配試樣出現(xiàn)內(nèi)部淤堵自愈，滲透性降低。被保護(hù)料即使發(fā)生滲透變形，細(xì)粒遷移對(duì)排水料的淤堵仍然有限。排水料均滿足壩殼料、過(guò)渡料、反濾料的保土性、排水性要求，符合反濾準(zhǔn)則。

4 大壩應(yīng)力及變形計(jì)算

4.1 計(jì)算方法及模型

建立平面有限元模型進(jìn)行大壩靜力計(jì)算，壩體與覆蓋層及下臥砂礫巖材料采用鄧肯E-B雙曲線模型，并模擬分層填筑與蓄水過(guò)程。有限元網(wǎng)格如圖3所示。順河向?yàn)閄坐標(biāo)，豎向?yàn)閆坐標(biāo)，垂直于壩軸線從上游到下游規(guī)定為X坐標(biāo)正向；沿壩體高程方向規(guī)定為Z坐標(biāo)(Z為高程)正向。

圖3 大壩應(yīng)力及變形計(jì)算有限元網(wǎng)格Fig.3 Finite element mesh of dam stress and deformation calculation

考慮在瀝青混凝土心墻與混凝土基座、筑壩材料之間存在接觸相互作用，防滲墻與混凝土基座、過(guò)渡料之間設(shè)置了接觸單元。

4.2 計(jì)算分級(jí)及工況

為模擬壩體填筑和蓄水過(guò)程，計(jì)算采用分級(jí)進(jìn)行，共包括27級(jí)，第1級(jí)模擬地基(包括覆蓋層及基巖)初始應(yīng)力場(chǎng)，第2～6級(jí)模擬上游圍堰填筑過(guò)程，第7級(jí)模擬廊道施工，第8～23級(jí)模擬壩體填筑過(guò)程，第24～27級(jí)模擬蓄水過(guò)程。考慮非線性效應(yīng)，每級(jí)填筑步又分5個(gè)增量步加載。初始地應(yīng)力場(chǎng)采用自重作用下的地應(yīng)力場(chǎng)。壩體與心墻采用同步平層填筑，約4 m左右填筑一級(jí)。4級(jí)蓄水水位高程分別為4 268，4 279，4 288 m和4 298 m。

重點(diǎn)研究采用原設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的過(guò)渡料與采用現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化為高細(xì)粒含量過(guò)渡料對(duì)壩體的影響。分完建期和蓄水期分別進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的工況如下。

(1) 完建期。大壩上下游無(wú)水荷載，模擬上游圍堰施工過(guò)程，然后分級(jí)模擬大壩施工過(guò)程，大壩從建基面最低高程均勻填筑，到設(shè)計(jì)壩高4 305 m。

(2) 蓄水期。大壩填筑完成后，分級(jí)模擬大壩上游蓄水至正常水位4 298.0 m高程，下游設(shè)計(jì)水位 4 260.51 m。

4.3 計(jì)算參數(shù)

瀝青混凝土心墻與過(guò)渡料、混凝土基座之間的接觸采用罰函數(shù)接觸算法模擬。參考類(lèi)似工程試驗(yàn)成果[7]，砂礫石料與瀝青混凝土心墻之間摩擦系數(shù)取0.6。壩體各材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)確定，見(jiàn)表3。

表3 壩體填料的計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of dam fillings

4.4 結(jié)果分析

(1) 壩體應(yīng)力及變形。不同計(jì)算工況下壩體變形及應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)參見(jiàn)表4。結(jié)果表明，過(guò)渡料優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，除壩體沉降減小1.3 cm，壩體、瀝青混凝土心墻、廊道結(jié)構(gòu)的其余應(yīng)力變形差異均較小，優(yōu)化后過(guò)渡料的參數(shù)降低并不明顯，且過(guò)渡料的填筑區(qū)域不大，對(duì)整個(gè)壩體的應(yīng)力變形影響較小。

表4 壩體應(yīng)力及變形最大值Tab.4 Maximum stress and deformation of dam body

(2) 瀝青混凝土心墻應(yīng)力及變形。表5為不同工況下心墻應(yīng)力及變形最大值。過(guò)渡料優(yōu)化后，心墻應(yīng)力水平最大值為0.45，受力狀態(tài)良好，不會(huì)發(fā)生剪切破壞；心墻沿順河向位移最大值為6.0 cm，其撓跨比約為0.10%，不會(huì)發(fā)生撓曲破壞。

表5 心墻應(yīng)力及變形最大值Tab.5 Maximum stress and deformation of core wall

(3) 抗水力劈裂。水力劈裂是指由于水壓力的抬高，在巖體或土體中引起裂縫的一種物理現(xiàn)象。高心墻堆石壩的水力劈裂問(wèn)題，是目前工程界普遍關(guān)注又亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。心墻在蓄水條件下是否發(fā)生水力劈裂，將直接關(guān)系到大壩安全與穩(wěn)定。定義心墻上游面一排單元的墻前水壓力與豎向應(yīng)力的比值T，以判斷水力劈裂發(fā)生的可能性：

(1)

式中：σz為單元豎向應(yīng)力；γw為水的重度，kN/m3；H為單元離水面高度，m。T值越大，發(fā)生水力劈裂的可能性越大。圖4為過(guò)渡料優(yōu)化后蓄水期瀝青混凝土心墻上游面水壓力與豎向應(yīng)力的比值。由圖4可知，心墻上游面水壓力與豎向應(yīng)力的比值最大值為0.54，小于1，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

圖4 優(yōu)化后蓄水期心墻上游面水壓力與豎向應(yīng)力的比值Fig.4 Ratio of upstream water pressure to vertical stress of the core wall during water storage period after optimization

綜上所述，瀝青混凝土心墻砂礫石壩處于較安全的狀態(tài)。

5 結(jié) 論

(1) 拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩采用高細(xì)粒含量的過(guò)渡料優(yōu)化后，壩體滲透穩(wěn)定安全，各填料分區(qū)的保土性、排水性均滿足反濾準(zhǔn)則。

(2) 高細(xì)粒含量過(guò)渡料起到了很好的協(xié)調(diào)壩體應(yīng)力及變形的作用，大壩應(yīng)力及變形符合一般變形規(guī)律，壩體應(yīng)力狀態(tài)良好。

(3) 大壩采用高細(xì)粒含量過(guò)渡料后，瀝青混凝土心墻的應(yīng)力水平合理，不會(huì)發(fā)生剪切或撓曲破壞，心墻上游面水壓力與豎向應(yīng)力的比值小于1，不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

西藏拉洛水利樞紐工程瀝青混凝土心墻砂礫石壩采用高細(xì)粒含量過(guò)渡料，節(jié)省了工程投資和工期，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前，工程已經(jīng)成功下閘蓄水，監(jiān)測(cè)資料表明，大壩應(yīng)力狀態(tài)良好，工作性態(tài)正常。