托帕水库大坝沥青混凝土心墙设计及渗流特性分析.pdf

78云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期：2023-11-22 基金项目：江西省水利厅科技计划项目（202224ZDKT14）作者简介：成斌（1983），男，新疆乌苏人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计相关工作。托帕水库大坝沥青混凝土心墙设计及渗流特性分析成斌（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000）摘要：沥青混凝土具有防渗性能好和便于施工等特点，常作为水利工程的防渗材料。针对新疆托帕水库特有的坝址地形条件进行沥青混凝土心墙坝设计，详细阐述了沥青混凝土心墙的型式、布置型式、断面尺寸以及心墙与各部位衔接等方面的设计，并对已设计的沥青混凝土心墙坝进行渗流计算分析。结果表明：设计的沥青混凝土心墙坝结构合理，防渗设计满足规范要求。关键词：水库；沥青混凝土心墙；防渗设计；渗流分析中国分类号：TV223.4；TV641.2+5 文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)03-0078-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.021Design and Seepage Characteristics Analysis of Asphalt Concrete Core Wall for Topa Reservoir DamCHEN Bin(Xinjiang Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research Co.,Ltd.,Urumqi 830000,China)Abstract：Asphalt concrete has the characteristics of good anti-seepage performance and easy construction,and is often used as an anti-seepage material in hydraulic engineering.This paper focuses on the design of asphalt concrete core wall dams for the unique terrain conditions of Topa Reservoir in Xinjiang.It elaborates in detail on the design of the type,layout,section size,and connection between asphalt concrete core wall and various parts,and conducts seepage calculation analysis on the designed asphalt concrete core wall dam.The results show that the designed asphalt concrete core wall dam structure is reasonable,and the anti-seepage design meets the requirements of the specifications.Keywords：reservoir;asphalt concrete core wall;anti-seepage design;seepage analysis0引言新疆维吾尔自治区乌恰县内的托帕水库工程，其坝址坐落在恰克玛克河上，距离恰克玛克河拦引水枢纽 45 km。根据流域规划，推荐其作为恰克玛克河上的控制性水利枢纽工程，其主要职责是灌溉和防洪。坝址处河流走向近南北向，河谷呈“U”型谷，河床高程 2 336 2 340 m，河谷宽约 410 m。总库容达到 6 099104 m3，控制灌溉区域面积为14.13104亩。该工程等级为等，规模为中型，工程地震设防烈度为度。通过综合比选确定挡水建筑物为碾压式沥青混凝土心墙坝。而沥青混凝土心墙作为坝体的重要组成部分，对于确保坝体的长久稳定性和抗渗性能具有至关重要的作用1。沥青混凝土作为一种优质的防渗材料，被广泛应用于心墙的建设中2。近年来，随着水利工程的规模和复杂度不断提高，设计时对于心墙材料的性能和渗流特性的要求也越来越高3。因此，对于沥青混凝土心墙坝设计及其渗流特性的深入研究显得尤为重要。通过对沥青混凝土心墙坝设计和渗流特性的深入研究，将有助于优化心墙工程设计，并为保障坝体渗透稳定性和安全性提供理论支持和实践经验。79成斌托帕水库大坝沥青混凝土心墙设计及渗流特性分析1坝体结构坝顶高程达到了 2 397.50 m，坝顶宽度达 8 m，最高坝高达到 61.5 m，坝长为 431.42 m。在大坝顶部铺设 1 条沥青混凝土路面，其厚度是 0.2 m，包含基础与表面 2 层。路面向下游方向呈现出单一倾斜趋势，其坡度约为 2%。在大坝顶部设立了1 个 C25 钢筋混凝土构建而成的“L”形防浪墙，它是 1 个稳定、坚固并且防水性能较好的构造物。防浪墙的顶部高度为 2 398.5 m，墙的高度 3 m，而墙的顶部比坝顶高出 1 m。沥青混凝土心墙顶部与防浪墙紧密结合。坝体上游坝坡为 1 2.5，同时，其上游的围堰和坝体紧密相连，围堰顶高程达到了 2 354.5 m，宽度则为 10 m。从坝体到堰顶之间存在着 4 m 的连接部分，在上游设有 0.25 m 厚混凝土保护层，该保护层延伸到了死水位下2.5 m处。而下游坝坡采用 1 2.0 的比例，并设立了 1 条宽达 8 m 且倾斜角度为 7%的“之”字型上坝公路。下游位置设置了 0.3 m 厚网格梁砂砾石护坡。2沥青混凝土心墙设计2.1沥青心墙的型式沥青混凝土心墙分为碾压式和浇筑式 2 种型式。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达 16%，在国内有不少成功先例，如尼尔基坝、库尔宾坝，白河坝4。碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采用的形式。碾压式沥青心墙冬季施工在新疆库什塔伊水电站已成功实施5。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用碾压式沥青混凝土心墙6-7。考虑该工程挡水坝属中坝、地震设防烈度度、碾压式沥青心墙的各项指标优于浇注式沥青心墙等特点，结合目前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定防渗采用碾压式沥青混凝土。2.2心墙的布置型式心墙布置有直心墙、斜心墙和下部直心墙上部斜心墙 3 种型式。斜心墙受力条件较好，但基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，造成基础防渗工程量增加。当工程地震的设防烈度达到 VIII 度时，若坝体在地震过程中发生了永久性剪切变形，心墙可能会出现开裂现象，这就导致心墙的修复和检测变得困难。由于该地区两坝肩岸坡陡峭，斜心墙的斜线与岸边的岩石基础的连接非常困难，加上沥青混凝土使用量很大，因此心墙的剪切变形也比较明显。直心墙在坝基和坝壳下沉严重的情况下表现出较好的适应能力，一旦心墙产生裂缝，能够进行自我修复，同时，其与岸坡以及坝基防渗墙的连接也相对简便。墙体位于坝体中央，其对温度的敏感度极低，这有助于早期的蓄水工作。这样做既方便了基础设施的处理，也方便了工程的布置。第 3 种设计的特点介于第 1 和第 2 种设计之间，即下部直心墙上部斜心墙的设计，其主要目的是为了降低下游坝坡的浸润线，以增强深层滑动稳定性。然而，该项目中对坝坡稳定的决定因素是浅层滑弧，所以采用这个复杂的心墙结构对坝体的稳定意义不大。此外，该设计会使其与岸坡基岩间的连接存在很大困难，并且需要大量的沥青混凝土材料。综上，确定心墙布置型式采用直心墙。2.3心墙的断面尺寸根据 SL 501-2010土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范规定：沥青混凝土心墙顶部厚度不宜小于 40 cm，心墙底部的厚度宜为坝高的1/70 1/1308。参考国内外工程经验，由于坝址区地震烈度较高，心墙底部最大厚度达到了 0.7 m，在选择顶部厚度时，考虑到抗震和机械施工实际需求，确定尺寸为 0.5 m，从上向下逐渐加厚，即心墙顶高程 2 395.5 m 处墙厚 0.5 m，渐变至心墙最底高程 2 338.4 m 处墙厚 0.7 m，该值达到了规范要求。为了增加心墙底部与混凝土基座接触面积，在底部 2.4 m 范围内逐渐增加心墙的厚度，当达到接触面时，心墙的厚度增加到 2 m，并与 C25 混凝土基座采用平接式连接。在心墙与 C25 混凝土基座之间，涂抹了沥青玛碲脂胶结层，并设了止水铜片。2.4沥青混凝土心墙周边结构设计2.4.1沥青混凝土心墙与防浪墙衔接坝顶上游侧设置“L”形钢筋混凝土防浪墙，80云南水力发电2024 年第 3 期墙高 3 m，墙底高程 2 395.5 m。沥青混凝土心墙墙顶高程 2 395.5 m，高于水库正常蓄水位 2 394.5 m、设计洪水位 2 394.52 m。沥青混凝土心墙与防浪墙衔接部位，仅经受正常运用或非常运用条件下的涌浪渗水。综合考虑水库运行、坝体竣工后沉降因素，确定心墙与防浪墙衔接部位。采用增加心墙顶部与防浪墙底的结合面面积，延长渗径的型式可达到防渗效果。沥青混凝土心墙墙顶与防浪墙墙底连接的 1 m 范围为心墙顶部扩大段，断面自 0.5 m 采用渐变扩大至 1 m。2.4.2沥青混凝土心墙与基岩衔接沥青混凝土心墙建在弱风化上部基岩建基面上，为增强防渗效果，心墙和基础的连接设置混凝土基座。混凝土基座设置于弱风化层上部基岩上，将基岩与沥青混凝土防渗体分隔开来，以满足灌浆需求、防止接触冲刷。基座为等宽布置，宽 6 m，厚 1 m，C25、W6 混凝土结构。岸坡段基座上部，沿心墙轴线设置止水铜片，宽0.5 m，厚0.8 mm，埋入基座0.25 m。基座每隔8 m设1道伸缩缝，缝内填充闭孔塑料板，缝上游侧设止水铜片，并与心墙轴线处止水铜片焊接。基座底部设置锚筋，将基座锚固在基岩上，锚筋直径25 mm，间距 2 m，伸入基岩 4 m。沥青混凝土心墙与岸坡段混凝土基座连接的 2 m 范围内为心墙扩大段，断面扩大至 1.8 m，以延长结合面的渗径。结合面涂抹 10 mm 厚沥青玛蹄脂，在增大粘结力的同时可以较好的适应心墙的水平变形。河床水平段基座上部高程 2 337.4 m。在该工程中，沥青混凝土心墙防渗体的河床部分是建立在 110 m 深的砂砾石覆盖层之上，而其下方则使用了混凝土防渗墙来进行防渗处理，河床部位的混凝土基座长 320.27 m，宽 3 m，厚 2 m；河床段基座配设钢筋。心墙混凝土基座与防渗墙连接采用铰接型式，防渗墙插入混凝土基座 0.6 m，并设置止水铜片，缝内填闭孔塑料板。2.5沥青混凝土心墙的技术指标根据 SL 501-2010土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范和二维有限元应力应变计算成果和有关试验，并参考国内的一些沥青混凝土心墙坝工程，提出该工程沥青混凝土心墙坝对沥青混凝土的技术要求，见表 1。表 1碾压式沥青混凝土心墙沥青混凝土主要技术要求表项 目指标说明孔隙率/%3芯样 2马歇尔试件渗透系数/（cm/s）110-8水稳定系数 0.90弯曲强度/kPa 400沥青含量/%6.0 7.5粗骨料最大粒径/mm 19粘结力/kPa 3003渗流特性分析3.1计算模型根据坝体最大设计断面图，计算坝体各个工况下的渗流情况。将坝体与基岩二维模型进行网格剖分，共划分单元数 7 602 个，节点数 7 425 个。3.2计算工况及参数根据SL 274-2020 碾压式土石坝设计规范，结合工程实际情况，渗流计算工况见表 2。表 2渗流计算工况表计算工况上游水位/m下游水位/m工况一：正常蓄水位与最低水位2 394.502 333.45工况二：设计洪水位与相应水位2 394.562 335.86工况三：校核洪水位与相应水位2 396.102 336.81工况四：库水位骤降2 396.10 降至 2 3732 335.23根据土工试验及类似工程经验，选取渗透计算参数见表 3。表 3渗流计算参数表材料渗透系数/（cm/s）防浪墙1.010-7坝体砂砾料5.010-3过渡料4.010-3沥青混凝土心墙1.010-9混凝土基座1.010-7覆盖层2.110-2混凝土防渗墙1.010-7帷幕灌浆1.010-6基岩1.010-53.3计算结果分析计算得到坝体不同工况下渗流结果见表4 表 6。81成斌托帕水库大坝沥青混凝土心墙设计及渗流特性分析表 4稳定渗流期计算结果表工况坝体与坝基单宽渗流量/（m3/s/m）坝坡出逸段比降坝下游基础表面出逸比降下游坝坡逸出点高程/m允许比降正常蓄水位6.77710-5 0.016 20.069 12 337.2170.1设计水位6.77810-50.016 30.069 32 337.231校核水位7.00910-50.018 50.081 12 338.812表 5非稳定渗流期计算结果表（校核洪水位快速放空）下降时间/h库水位/m 坝坡出逸段比降坝下游基础表面出逸比降允许比降02 396.10.018 50.081 10.17.832 388.50.015 50.069 710.162 381.30.0120.056 320.322 360.350.007 80.040 1562 343.20.003 60.024 2表 6非稳定渗流期计算结果表（校核洪水位降落至死水位）下降时间/h库水位/m 坝坡出逸段比降坝下游基础表面出逸比降允许比降02 396.10.018 50.081 10.17.832 388.50.015 50.069 710.162 381.30.0120.056 316.562 3730.010 30.049 9由表 4 表 6 可知，在计算各个工况下，基座下游和坝体出逸点以及基础渗透比降都低于砂砾石允许的渗透比降，正常运行工况最大渗流量为 6.77710-5 m3/s/m，按坝体最大宽度 431.4 m 估算大坝最大渗流量为 29.24 L/s。计算结果表明正常蓄水位工况、设计水位工况、校核水位工况、水位骤降工况下，坝体和坝基的出逸点渗透比降都低于砂砾石的允许渗透比降 0.1，坝体和基础不会发生渗透，满足规范要求。4结束语通过沥青混凝土心墙的型式、布置型式、断面尺寸以及沥青混凝土心墙与防浪墙和基岩衔接方面对新疆托帕水库大坝防渗体进行设计，并计算分析了坝体最大设计断面下不同工况的渗流情况。渗流分析结果表明：在不同工况下，坝体和坝基均不会发生渗透，沥青混凝土心墙防渗体设计满足规范要求。参考文献：1 谭毅源，李应科.沥青混凝土心墙坝设计综述 J.云南水力发电，2015，31（3）：32-34.2 邹长根，华召，谢严君，等.防渗层水工沥青混凝土低温柔性影响因素分析J.水电能源科学，2021，39（11）：150-153.3 何锡凯，李娅，吴云凤.玉滩水库扩建工程主坝沥青混凝土心墙施工及质量控制J.水利水电工程设计，2013，（1）：51-53.4 鞠连义，赵颖华，刘清利.尼尔基沥青混凝土心墙砂砾石主坝设计J.水力发电，2005，（11）：28-32.5 张庆春.库什塔依水电站冬季施工的碾压式土石坝沥青混凝土心墙配合比试验研究J.水利与建筑工程学报，2014，12（4）：137-138.6 余胜祥，熊焰，陈超敏.三峡工程茅坪溪土石坝防渗设计J.人民长江，2001，32（10）：32-33.7 涂江华.单反弧接头在冶勒水电站防渗墙中的首次应用J.四川水力发电，2003，（4）：21-22.8 SL 501-2010 土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范S.（上接第 69 页）4结束语以深圳市清林径水库坝基防渗工程项目的实施不仅能缓解深圳市供水系统水库调蓄能力不足，还能在特枯年份和在境外水源受到污染时，向市区各水厂供水，提高了深圳市供水保障程度，对深圳市的经济发展起到相当重要的作用。因此在兴建或扩建水库工程时，为确保水库质量满足要求，使其能够正常运行，坝基防渗的研究意义重大，该项目采用的帷幕灌浆结合混凝土墙在水库坝基防渗应用效果好。参考文献：1 李海荣.探究水利工程施工中帷幕灌浆技术应用 J.建筑与预算，2022，（8）：68-70.2 李颖.浅谈混凝土防渗墙+帷幕灌浆处理工程措施在勐卯水库除险加固中的应用J.中国住宅设施，2023，（3）：100-102.3 李树森.新工艺帷幕灌浆的施工管理要点分析J.水利规划与设计，2017，（5）：143-145.4 柯仁.帷幕灌浆技术在水库坝基防渗中的应用及效果J.河南水利与南水北调，2019，（8）：46-47.5 黄少彬.帷幕灌浆技术在某水库坝基防渗处理中的应用J.河南水利与南水北调，2017，（3）：48-49.6 高顺峰.水库坝基防渗帷幕灌浆施工工艺J.河南科技，2018，（16）：77-78.7 王哲.控制性帷幕灌浆对坝基防渗的效果及评价J.科技传播，2011，（15）：123.8 买买提江阿布都艾尼.水库除险加固工程帷幕灌浆施工质量控制J.河南水利与南水北调，2022，51（6）：54-55.9 罗燕秋，庞崇林.心墙风化料坝坝坡稳定计算与分析J.云南水力发电，2021，（11）：67-73.