云南小米田水库碾压式沥青混凝土心墙坝设计.pdf

第 l 0期 杨 涛 ： 云南小米 田水库碾压式沥青混凝土心墙坝设计 第 5 1 卷 2 2坝料 设 计 上游围堰设计与坝体相结合布置 ， 堆石料填筑 ， 堰体采用黏土心墙防渗 。围堰黏土心墙顶宽 2 0 m， 心墙边坡 1 ：0 2 心墙两侧设 4 0 0 g m 无纺布保护 层 ， 纺 布两 侧 各设 1 2 m厚 过渡 料 ， 过 渡 料 外 为堆 石 体。 堆石 I区位于坝体上 、 下游侧 ， 采用块石料场爆 破 弱 风 化 砂 岩料 ， 最 大 粒径 D= 6 0 0 8 0 0 mm， 小 于 5 mm 的质 量 分 数 小 于 5 1 5 ，小 于 0 0 7 5 m m 的 质量 分数小于 5 ， 级配连续 。 填筑孔隙率 n A x l 0 c m s 。 下游堆石 区位于坝体下游水位以上靠近坝坡 的干燥 区 底高程 2 2 8 5 m， 顶高程 2 3 2 0 m， 顶宽 4 m， 上游坡 1 ：0 3 ， 下游坡 1 ： 1 8 ， 采用 P 1块石料场爆 破弱风化砂泥岩混合料 。 泥岩的质量分数小于 1 0 ， 最大粒径 D = 6 0 0 8 0 0 m m， 小于 5 m m的质量分数 小于 5 1 5 。 小于 0 0 7 5 m il l 的质量分数小于 5 ， 级配连续。填筑孑 L 隙率 n Ax l O c m s 。 2 3上下游过渡层 上下游 的过渡层位 于沥青混凝土心墙两侧 ， 压 实后具有变形协调 、 渗透稳定性 。过渡层分 I区和 区 ， 水平 总宽度 3 m， 等宽 布置 ， 采用块石料场新 鲜岩石经破碎制备 。过渡料 I区紧临心墙上 、 下游 两侧布置 ， 宽 1 0 i n ， 控制最大粒径 D m = 6 0 - 5 0 mm， 小 于 5 m m 的质 量分 数 为 2 5 4 O ， 小 于 0 0 7 5 m m 的质量 分数 5 ； 过渡料 区位于 I区两侧 ， 宽 2 O m， 控 制 最 大 粒 径 D = 1 5 0 1 3 0 mm， 小 于 5 m m 的 质量 分 数为 2 5 一 3 0 ， 小 于 0 0 7 5 mm 的质 量分 数 5 ， 级配连续 。过渡层填筑孔 隙率 n 1 9 ， 干密 度大 于 2 1 6 g c m0 。 按照层间关系和应力传递要求确定工程过渡层 厚 1 In左右即可满足过渡要求 ，但实际确定 的过渡 层 总厚度为 3 m， 属于较厚 的过渡层l 1 ， 是 比较利于 现场施工技术和施工条件 的。 适宜于过滤料与心墙 料同步机械摊铺和碾压 ， 以加快施工速度。 2 4贴坡 排 水 区 由于 坝基 下 游 的砂 卵砾 石 覆 盖 层级 配 不 良 为 保护覆盖层不发生渗透破坏 ， 在坝后坡脚处设贴坡 排水体 ， 顶高程 2 2 7 0 0 0 in ， 顶宽 3 0 i n ， 排水体从上 游至下游依次为反滤层 1 、 反滤层 2和卵石抛填 区。 反滤料满足坝基排水 、 滤土要求 ， 反滤层 1区粒径要 求 O 5 2 0 mm 级 配连续 ： 反 滤层 2区粒径要 求 5 5 0 m m， 级配连续 ， 抛填卵石粒径 2 O 3 0 e m， 填筑孔 隙率 n 2 4 。 3大坝 防渗体 设 计 3 1 沥青混凝土心墙轴线的确定 通常情况下， 心墙布置在坝体横断面的中部 使 心墙两侧受力 比较均衡。国内已建成的沥青混凝土 心墙坝资料显示 ， 心墙轴线可与坝轴线重合 ， 亦可位 于坝轴线上游侧 ， 而根据心墙应力状况 ， 大坝运行期 心墙在上游水压力的作用下会产生轴线方向的拉应 力 ， 为减小心墙拉应力 ， 在坝体横断面上可以将心墙 轴线布置在坝轴线上游侧 以增强下游坝壳对心墙 的支撑力 El i 。 同时考虑心墙防渗体 与坝顶防浪墙的 连接 ，沥青混凝土心墙轴线宜选择在坝轴线上游一 侧l2 。 在立面上 ， 目前主要有 3种沥青混凝土心墙类 型 ， 分为直立心墙 、 斜心墙 以及下部直立上部倾斜式 心墙。对于直立心墙 ， 通过应力分析， 在心墙上部靠 近坝顶 1 3 一 l 4范围内，水库蓄水后会出现剪应力 水平增加 ， 主应力 比减小的现象 ； 而斜心墙坝使得施 工难 度加 大 。 本工程位 于高地震烈 度区 ( 8度设防 ) 最大坝高 8 1 3 5 m， 借鉴 已建成工程监测资料 ， 本工程沥青混 凝土心墙轴线选择布置在坝轴线上游侧 ， 直立心墙 ， 与轴线距离 2 0m。 3 2沥青混凝土心墙厚度的确定 心墙 的厚度主要取决于坝体高度和坝壳料可能 的变形情况 沥青混凝土心墙的厚度过厚会影响心 墙的应力应变状态 ， 使得沥青混凝土产生裂缝破坏 ： 过薄会影响心墙 自身的稳定 ，导致沥青混凝土心墙 在坝壳料的挤压作用下产生破坏E引 。国内外已建 的 许多工程采用底部较厚 、 顶部较薄的心墙布置形式 。 沥青混凝土心墙厚度一般 为 0 5 1 2 in 中等高度 的坝心墙厚度为 O 5 0 8 m 百米级大坝心墙厚度一 般为 0 6 1 2 IT I ， 坝顶部心墙厚度不宜小于 0 4 m 底 部 心墙 厚 度 宜为 坝 高 的 1 7 0 1 1 3 0 E2 。通 过 与 已建 工程类 比， 本工程心墙按分段等厚设计 心墙顶高程 2 3 2 9 5 0 in ，高程 2 3 0 3 0 0 2 3 2 9 5 0 In心墙厚度为 0 6 in ， 高程 2 2 7 6 5 0 2 3 0 3 0 0 m心墙厚度 为 0 8 in ， 高程 2 2 5 0 0 0 2 2 7 6 5 0 m心墙厚度为 1 0 m。 3 3沥青混凝土心墙与心墙基座的连接 沥 青混凝 土 心墙 与坝基 和岸 坡 的连接 处需 要设 置混凝土基座 ，使沥青混凝土心墙与坝基防渗体连 接成共同防渗体。基座采用钢筋混凝土结构 ，布置 在心墙底部 ，轴线与心墙轴线相 同，与心墙共 同作 用 ，形成坝基 以上的防渗体 。基座按地基允许渗透 比降确定 宽度 ， 采用设计水头 的 1 0 2 0 ， 本工程 2 2 9 0 m 以下高程基座宽度为 7 IT I ， 2 2 9 0 m 以上高 程基座宽度为 4 5 in ， 基座厚度为 1 5 m， 混凝土强度 4 3 2 0 1 5年第 1 0期 甘肃水利水 电技术 第 5 1 卷 等级为 C 2 5 ，抗渗等级为 W1 2 ，基座设单层双向钢 筋 ， 配筋率为 0 4 。 参照面板坝趾板设计理念 ， 沥青 混 凝 土 心墙 基 座 沿水 流 方 向不 设永 久 分 缝 采 用 后 浇带方式 ， 微膨胀混凝土浇筑 。基座混凝土与河床 基岩连接 ， 其下设帷幕灌浆及固结灌浆 ， 形成坝基以 下 的防渗 体 。 由于沥 青 混凝 土 的黏 弹 塑性 性 质 在 长期 水 压 力作用下 ， 心墙比基岩和混凝土构件更容易变形 ， 因 此 ， 应注意使柔性的沥青混凝土压在刚性构件上 ， 并 尽 可能 增 大接 触 面 积 。另 外 ， 水 库 蓄 水 后 水压 力 引 起水平应力 ， 会使沥青混凝土心墙产生一定的水平 位移。所 以， 沥青混凝土心墙同周边基座 以及建筑 物的连接是防渗系统结构的关键 ， 处理的好坏 ， 将直 接影响大坝的安全运行 ， 必须精心设计 、 精心施工。 已建工程普遍采用适当放大沥青混凝土墙底横断面 的方法来处理 ， 在基座面采用平底或弧底型式连接。 本工 程基 座 顶 面设 宽 2 m、深 0 2 m 的弧 形 凹槽 ， 心 墙与基座连接处设垂直和水平扩大段 ， 线性渐变连 接 沥青混凝土心墙底部度 由 1 0 m( 0 8 m) 渐变至 2 0 m， 渐变段 长 2 0 Il l 。 为增大黏结力并适应心墙水平变形 ， 沥青混凝 土心墙底部与混凝土基座连接之间 ， 使用沥青涂料 和 沥青 玛蹄 脂进 行处 理 。在 干净 的混 凝土 底板 表 面 上 ， 先涂刷一层沥青浆( 即冷底子油) ， 再喷涂一层厚 2 c m的砂质沥青玛蹄脂 。 并在沥青心墙与基座混凝 土 间设铜 片 止水 连接 。 4坝 基 处理 4 1 坝 基覆 盖层 处 理 根据地质报告 坝基漂卵砾石层局部存在架空 现象 ， 中细砂透镜体和少量泥质软弱夹层 。岩性成 分不均匀 ， 中一 高压 缩性 ， 渗透系数 大 ， 不 宜作 为天 然坝基 ， 建议清除。经查 阅相关资料 ， 对于类似覆盖 层 上筑 坝条 件 ， 坝基 采用 强 夯技 术在 加快 施工 进度 、 节 省 投 资 的 同时 ， 能 够较 好 的满 足堆 石 坝 地 基 处 理 的要求 ， 具有压实密度加 固尝试施工安全等优点 ， 因此 ， 本工程分部位采取 了不同的坝基处理方式 ， 心 墙上下游侧 5 0 m范围内所有砂卵砾石层全部清除 ， 基 座 岩 石 开 挖边 坡 为 l ：O 5 ，覆 盖 层 开 挖 边 坡 为 1 ： 1 5 ， 心墙基础位于强一 弱风化层 ； 坝基其余部位覆盖 层清 除 表层 2 in之 后作 强 夯处 理 ，处理 后 的覆 盖层 相对密度提高 。 沉降变形减小 ， 作为坝高较小的后坝 坡坝基 可以满足沉降变形要求。 4 2坝 基岩体 灌 浆处 理 坝基内存在 l 1 条断层 ， 均属压性断层。与坝轴 线接近正交 ， 对坝基稳定和渗漏有影响， 对不同的断 层应做不同的处理。对规模较小的节理 、 裂隙， 清除 节理 和裂隙中的充填物后冲洗干净 。在缝隙灌入水 泥浆封堵 ： 而对于坝址 区规模较大的断层 、 破碎带 ， 采用混凝土塞回填处理 ：同时对沥青心墙坝基座基 础 岩石 进行 固结灌 浆 处理 ，在 高 程 2 2 9 0 m 以下 基 座范围内设 4排灌浆孔 ，在高程 2 2 9 0 m以上设 2 排灌浆孔 ， 排距 2 0 m， 孑 L 距 3 0 m， 灌浆深度为 5 m。 根据坝轴线水文地质情况 为减少坝基和两岸的渗 流量 ， 减小下游坝基渗流逸出比降， 防止发生渗透变 形破坏 ，需对坝基及两岸进行垂直防渗处理。基础 垂直防渗与心墙紧密结合 ，形成完整防渗体系。防 渗轴线为心墙轴线 ， 在坝轴线上游 2m处 ， 以透水率 5 L u为基础防渗标准。帷幕灌浆在河谷段范围 内采用两排 ( 主副帷幕) 布置 ， 主帷幕位 于基座底 中 心位置 ， 副帷幕位于主帷幕上游 ， 主副帷幕 2排 ， 孔 距 1 2m， 排距 1 0m。 5坝体 结构 三 维静 力分 析【0 5 1 计算模型及参数选择 采用三维有限元方法研究大坝在竣工和蓄水运 行 期 的应力 变 形特 性 ，重点 研究 沥 青混凝 土 防渗 心 墙 的应 力 变形 特性 。 本工程对沥青 混凝土采用 D u n c a n E B模型 ， 其核心是双曲线型应力应变关系。计算参数结合本 工 程 坝料 特性 选取 ， 如 表 1中所 列 。 筑坝 堆石 料采 用沈 珠 江 院士提 出的“ 南 水 ” 双屈 表 1 沥青混凝土 E B模型参数 服面弹塑性模型 ， 该模型与非线性弹性模型相比， 可 以考虑堆石体的剪胀和剪缩特性 ， 从而更 真实地反 映坝体 的应力应变性状 。 计算参数见表 2所列。 本工程料场中砂岩泥岩互层结构 ， 且岩体强度 属 中硬岩 ， 软化系数为 0 6 7 0 8 7 ， 对坝料遇水湿化 4 4 变形采用沈珠江院士的推导公式计算。由于坝体下 游浸 润线 的位 置 一般 较低 ，遇水湿 化 的堆 石体 体 积 较小 ， 对坝体的变形影响不大 ， 故仅考虑上游堆石区 的湿 化 变形 。表 3中列 出 了主堆石 和过渡 料 的湿 化 计算参数。 第 1 O期 杨涛 ： 云南 小米田水库碾压式沥青混凝土心墙坝设计 第 5 1 卷 表 3坝料的湿化计算参数 5 2计 算 结果 竣工期 和蓄水期坝体最大沉降分别为 3 7 7 c m 和 4 0 4 c m， 坝体指向上游最大水平位移分别为 3 8 e m 和 3 3 c m， 指 向下游最大水平位移分别为 5 8 c m和 1 6 2 c m。坝体沉降量分别为坝高的 0 4 7 和 0 5 0 ， 与类似工程相 比处于 中等水平。表明采用的坝料及 其设计分区是合适 的。竣工期和蓄水期沥青心墙 内 应 力 水 平 为 0 4 3 MP a和 0 5 4 MP a都 小 于 1且 无 拉 应 力 出现 ， 也 没有 出现 塑性 破 坏 区域 。 因而水 沥青 混 凝土心墙是安全的 ： 沥青混凝 土心墙 的垂直 向压应 变和坝轴向拉应变最大值分别为 1 8 5 和 0 6 4 ， 拉 压应变均小 于允许应 变 ， 沥青心墙是安全 的。经综 合评判 ， 沥青混凝土心墙坝变形协调 良好 。 应力分布 基本合理 ， 心墙不会发生水利劈裂和拉裂破坏 ， 坝体 结构布局较为合理 。 6 结论 小米 田水库大坝设计采用抗震性能 、 适应变形 能力 、 抗冲蚀能力 、 抗老化能力 、 不透水性 、 伸缩性 、 可塑性和稳定性均较好的沥青混凝土心墙坝南京 水科院针对本工程所做的动静力分析以及坝料及覆 盖层试验论证证明， 小米田水库大坝坝体结构设计 、 坝体分区及坝料设计 、 坝基处理等均较为合理 沥青 混凝土塑性好 ， 对陡岸坡的适应性好 ， 并具有造价低 的优点。 小米 田水库沥青混凝土心墙坝的施工完成， 将为云南高地震区中小型水库工程沥青混凝土心墙 坝的推广应用创造 良好 的条件。 参 考文 献 ： 1 张宏军 新疆某碾压式沥青混凝土心墙坝设计 J 人民 黄河 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 3 ) ： 1 0 1 1 0 3 2 S L 5 0 1 - 2 0 1 0 ， 土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范 s 3 赵元弘洞塘水库碾压式沥青混凝土心墙土石坝设计与 实践 J 水利规划与设计 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 5 8 6 1 4 岳跃真 郝 巨涛 、 志恒 等 水工沥青混凝土防渗技术 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 5 5 段爱萍 强夯法在察汗乌苏大坝地基处理中的应用 J J 葛洲坝集团科技， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ：4 0 4 1 6 李国英云南省永胜县小米 田水库沥青混凝土心墙堆石 坝三维有限元分析报告 R 南京 ： 南京水利科学研究 院。 2 0 1 3 ( 上接第 3 6页 ) 3结语 甘肃 自 2 0 0 9年开始落实高效节水规划至今 。 始 终坚持 以科技为先导 ， 以水资源高效利用为 目标 。 以 农业特色优势产业 为基础 ， 大力发展高效节水 灌溉 工程建设 ， 并将高效节水灌溉工程与水权划分 、 节水 量 、 土地集 中流转 、 农业产业 布局 、 农 田节水措施 、 新 型农村合作组织建立 、 水价和小型水利工程产权改 革相结合 ， 坚持工程 、 农艺 、 管理节水并举 ， 科学合理 确定不 同区域农业节水灌溉模式 ， 显著地促进 全省 水资源的合理利用和用水效率的提高 ，同时生态环 境得到有效改善 ， 经济效益和环境效益显著， 对保 障 甘肃粮食安全 、加快水利现代化建设和促进农业现 代化发展具有不可估量的作用 。 参考文献 ： 1 曾晓春， 吴明艳 甘肃省大型灌区续建配套与节水改造项 目实施情况探讨 J 甘肃水利水电技术， 2 0 1 5 ， 5 1 ( 7 ) ： 5 9 - 6 0 2 袁学勇， 杜毅志 ， 李红斌 话说传统水利与现代水利 J _ 水利天地， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 9 ) ： 2 6 2 7 4 5