沥青混凝土心墙坝工程设计.pdf

第 5 1 卷第 4期 2 0 1 5年 4月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GAN S U W A T ER RE S OUR CE S AN D HY DR OP OWE R T E CH NOL OGY Vo 1 51 No4 Ap r ， 2 01 5 设计与研 究 沥青混凝土心墙坝工程设计 马 峰 ( 甘肃省水利水 电勘测设计研 究院， 甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 沥青混凝土心墙坝以其优越的抗渗性能， 良好的适应变形能力， 可与坝体同步填筑快速施工， 对坝基的广泛适 应性 正发展成为当地材料坝中的重要坝型之一。目前， 世界上虽然建设了-：k L 采用沥青混凝土心墙防渗的砂砾坝 壳与堆石体等土石坝， 但所 占比例不大， 起步较晚， 尚未形成完整的理论体 系。在我国， 随着三峡茅坪溪沥青混凝土 心墙坝等S - 程的兴建，使我国水工大坝沥青混凝土心墙的发展应用前景越来越广阔。本文以小峡水库大坝工程实 例， 对沥青混凝土心墙坝的优缺点、 适应性、 筑坝方法及工程设计等进行分析评述。 关键词 ： 小峡水库 ； 沥青混凝土心墙 ； 大坝； 设计 中图分类号： T V 6 4 1 2 + 5 文献标志码： A 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 2 5 0 3 1 前言 沥青混凝土心墙坝是在坝体 中部设置沥青混凝 土深墙体作 为防渗体的土石坝。当水库工程坝址 区 附近 缺 乏 天然 防 渗 土料 时 ， 可采 用 沥 青 混凝 土作 为 防渗心墙筑修土石坝 ， 两侧坝壳可用各种透水 、 半透 水 的砂砾石料或堆石体等多种材料 。沥青混凝土心 墙具 有 良好 的适 应变 形 能力 、 抗 冲蚀能 力 、 抗老 化能 力 、 强 度 高 、 刚 度大 ， 以及 整 体 心墙 无 须 设 置 结构 缝 与变 形 缝 的技术 特点 ， 因此 ， 沥青 混凝 土心 墙 的施工 不受气候条件和海拔高度等环境条件的限制。 自 1 9 4 9年葡萄牙建成 V a l e d e c a i o沥青混凝土 心墙坝 1 9 6 2年第一座采用机械压实 的沥青混凝土 心 墙 坝在德 国建成 ， 在 之后 的几 十年 工 程技 术人 员 对 沥 青 混凝 土 心 墙 坝不 断 地试 验 研 究 ， 在 世 界 范 围 内建成近 1 0 0座沥青混凝土心墙坝 ， 其中百米高坝 约 1 O座 从而 引起 了坝工 界 的重视 。在 沥青 混凝 土 心 墙 坝 的建设 和 工程 实践 的过 程 中 ， 为设 计 、 施 工及 质量 控 制 等诸 多 方 面均 积 累 了很 多 的经 验 ， 技 术 水 平有 了较 大 的发 展 。 2沥 青 混凝 土心 墙坝 工程 技术 特性 2 1 沥青 混 凝土 心墙 坝优 点 沥青 混凝 土 心墙 坝是 诸 多种类 当地材 料 坝 的一 种特 定 基本 坝型 ， 其设 计 思路 与 土石 坝基本 相 同 ， 仅 在防渗心墙设计与其坝体结构上有其 自身 的特性 ， 其工程技术优点主要有 ： ( 1 ) 沥青混凝土心墙位于坝体 中部 ，不受气候 和海拔 高度等环境条件影响 ， 也不易受到风力的损 伤。沥青混凝土较为密实孑 L 隙率较小 ，水无法渗入 其 中， 因此 ， 也不会受到冰冻 的影响 ， 筑坝施工无须 实 施 防水 渗透 、 防 冰冻处 理 。 ( 2 ) 与其他 防渗材料不 同，沥青混凝土属于非 冲蚀材料 ， 即使沥青混凝土产生裂缝 ， 在渗流作用下 也不会产生危及大坝安全的冲蚀性破坏。其次 ， 由 于沥青具有很好的塑性 ， 因此 ， 即使产生裂缝 ， 也将 有较好的 自愈能力， 在荷载压力作用下 ， 裂缝将能够 短时段闭合 ， 使渗流减少。 ( 3 ) 沥青混凝土具有较好 的柔性和粘滞性 ， 因 此 ， 沥青混凝土心墙具有较好的抗震稳定性 。 当坝体 沉 陷时 对心 墙 的影 响较小 。 ( 4 )沥青混凝土心墙可与坝体 同步填筑施工 ， 也 可与 大 坝施工 导 流 围堰 相互 结合 在下个 汛期 可 采用坝体度汛 ，可能够有效降低 围堰规模与高度 。 如果铺筑层 的厚度适 当，在零度以下低温时段都可 以铺筑沥青混凝土 。 加快施工进度 ， 这就允许在高海 拔 寒冷 地 区有 较 长的施 工工 期 ，提早 实现 水库 下 闸 蓄水 ， 及早发挥效益。 ( 5 ) 沥青混凝土心墙与坝基及岸坡连接较为简 单易行。 ( 6 )沥青 混凝 土 心墙 坝有 利 于 工程 运行 期 大 坝 坝体 加 高扩 建 。 ( 7 ) 沥青 混凝 土 心墙 对 坝基 工 程技 术要 求 相 对 较低 。 对不同工程地质条件适应性强 。 2 2沥 青混 凝 土心墙 坝缺 点 ( 1 ) 沥青混凝土心墙坝一般情况下仅下游坝体 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 9 作者简介 ： 马峰( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 甘肃会宁人， 工程师， 主要从事水利水电工程设计。E - m a i l ： m a f e n g q q 1 2 6 t o m 2 5 2 0 1 5年第 4期 甘肃水利水 电技术 第 5 l 卷 承受水压力 。 下游坝坡相对面板坝等同类大坝较缓 ， 工程 量 相对有 所增 加 。 ( 2 ) 沥青混凝土心墙埋置于坝体 内部 ，防渗面 积大， 若大坝坝体发生较大的漏水问题时， 对坝体漏 水检查较为困难 ， 同时漏水部位也不易进行修复处 理 。 3沥青 混凝土 心墙填 筑 施工方 法 沥青混凝土心墙施工方法主要有浇筑式及碾压 式 两大 类 。 ( 1 ) 浇筑式施工。浇筑式施工沥青混凝土的发 展起步于 2 0世纪 2 0年代 ， 施工工艺较为成熟 。但 浇筑式沥青混凝土防渗结构多用于工程等级较低 、 防渗心墙较低 的土石坝 以及一般高寒等施工环境 条 件恶 劣 地 区 。与碾 压式 沥 青 混凝 土 施 工 相 比 ， 浇 筑式施工沥青含量高( 为 1 0 一 1 6 ) ； 组成材料拟定 要求低 ； 拌制的混合料流动性大 ； 施工简单 。 不需用 专门的摊铺碾压机械施工 而是依靠 自重对下部已 浇筑的沥青混凝土进行压实。 ( 2 ) 碾压式施工。碾压式施工沥青混凝土防渗 技术应用始于 2 0世纪 7 0年代， 目前世界上以德国、 挪威等 国家应用与发展最快 ， 施工理论 、 施工设备 、 施工工艺等方面均处于世界领先水平。我国最先采 用碾压式沥青混凝土心墙 防渗技术 的是香港 ， 采用 了沥青混凝土垂直心墙上接沥青混凝土斜心墙的防 渗结构。我国内陆最先采用碾压式沥青混凝土心墙 防渗技术的工程是三峡茅坪溪水库土石坝 ， 也是世 界 上 最 高 的采 用 沥 青 混凝 土心 墙 防 渗 结 构 的 土 石 坝。与浇筑式施工沥青混凝土相比，碾压式施工沥 青混凝土心墙沥青用量少( 为 6 8 ) ； 组成材料要 求高 ； 受环境气候条件制约较大； 拌 和物松散 ， 必须 借助摊铺压实机械进行施工 ， 以达到技术要求 的渗 透性和强度 这是 目前沥青混凝土心墙较为常用的 施 工方 法 。 表 l 列 出了我国 已建 的高于 5 0 0 m的沥青混 凝 土心 墙坝 的主 要设计 技术 特性 参数 。 4工程 实例 4 1工 程概 况 小峡水库工程位于甘肃省和政县境内的小峡沟 河上 枢纽位于太子山自然保护 区松鸣岩景区上游 约 2 0 k m处， 距和政县城约 2 7 0 k m。水库总库容为 8 6 6 0万 i n ， 。挡水大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝 ， 最大坝高 7 7 9 m。设计水平年 2 0 3 0年小峡水库每年 向和政县和广河县总供水量 1 6 3 9万 m。 ， 其 中： 向和 政县供水 7 2 5 0万 IT I 。 ； 向广河县供水 9 1 4 0万 m ， 工 程项 目总投资 5 7 8亿元 。 26 表 1 我国高于 5 0 0 m沥青混凝土心墙坝技术统计 4 2工程 地质 小峡 水库 工 程选定 坝址 左 岸坡 面坡 度 3 5 。 4 0 。 ， 坡 面为 坡 积 物 覆 盖 ， 厚 1 0 3 0 i n ， 局部 厚 5 0 6 0 m。下伏基岩为板岩夹结晶灰岩 ， 板岩属较软岩 ， 结晶灰岩以条带状夹于板岩中， 一般条带宽 4 0 1 0 0 i n ， 属较软一 中硬岩。坝址河谷底宽 1 4 0 0 1 6 0 0 m， 谷底右侧为现代河床及漫滩 ，覆盖层厚 5 0 7 0 m， 表层砂壤土厚 0 5 1 0 m。下部含孤石砂卵砾石厚 4 0 6 0 m： 谷底左侧及坡脚为洪积物呈扇形覆盖 厚 6 2 2 0 8 1 1 1 ， 下 伏基 岩 面 平缓 ， 岩性 为板 岩 夹结 晶灰 岩 ， 板岩 属较 软岩 。右 岸坡 面走 向近南 北 ， 坡度 陡缓 相间，坡度陡缓相间，较陡处 3 5 。 4 5 。 ，缓处 l 5 。 一 2 0 。 ， 坡面为崩坡积物覆盖 ， 厚 1 5 2 3 5 5 m。下伏基 岩为板岩夹结 晶灰岩 ， 板岩属较软岩。 根 据坝址 处 河道相 对较 为宽 阔 。两岸 覆盖 层较 厚 ， 河床覆盖层较浅的特点 ， 结合地形 、 地质条件 ， 构 成坝址区基底岩石主要为板岩 ，单轴饱和抗压强度 2 3 4 2 9 2 MP a ， 平均 2 6 5 MP a ， 属较软岩 ， 表部岩体 风化强烈 风化厚度大 。 岩体质量分级主要为级岩 体 并且 当地混凝土骨料较为匮乏 不宜修建高混凝 土重力 坝 。因此 ，小 峡水 库工程 坝 型只能 采用 当地 材料坝 。 工 程 区可筑 坝 的土料 和砂石 料极 为 匮乏 ，仅堆 石料 丰富 。块石料主要为变质粉砂岩 ，软化 系数 0 7 6 0 8 2 ， 平均 0 7 9 ； 单轴饱 和抗压强度 2 6 8 4 4 2 MP a ， 平均 3 6 4 MP a 。 属较软一 中硬岩石 ， 块石质量及 储量均可满足筑坝要求 ，经过多种坝型技术经济比 选 ，初步选 定 沥青混 凝 土心墙 堆石 坝做 为小 峡水库 工程的推荐坝型。 第 4期 闰学奎 ： 红古 区大通河湟水河水 电站管理探索 第 5 1卷 脱水 ， 最大限度减轻对水环境和水生态的影响， 任何 情 况 下 不 得 造 成河 流 断 流 。 当上 游 来 水 量 小 于 2 5 m 3 s 流量时 不得下闸蓄水 ， 来多少流量下泄多少流 量 ： 当 上游 来 水 量 大 于 2 5 m3 s流量 时 ， 下 泄 流 量 不 得 少 于 2 5 m3 s 。经 过 严 格管 理 与 协 调 ， 很 大程 度 上 改变了上游电站无序蓄泄水的现状 。二是对红古区 境 内的 水 电站 ， 按 照河 道 管理 范 围 内建设 项 目的有 关要求 严把项 目申报 、 论证和审批 ， 凡是在红古 区 申报的水电站项 目的手续基本齐全 。凡不在红古区 申报的 我们都积极向省市业务部门及时汇报 ， 协调 解决 。三是按照河水不同季节流量 ， 督促各电站制 定出年度水量分配方案 。 尤其是汛期和冬季凌汛期 间 ， 严格控制各水电站泄蓄水发电 避免对红古 区工 农业 生 产造 成影 响 。 维护 正 常 的生产 生活 用水 秩序 。 四是建 立 日常巡 查 管 理 制度 对 各水 电站 的安 全 生 产 、 库 区大坝运行 、 违规蓄泄水 、 第 三人水事权益保 障等进行经常性 的监督检查 ，发现问题及 时整改 。 五是 狠 抓汛 期管 理 ， 加强 执法 力度 ， 对 主汛 期 个别 电 站随意蓄泄水 、 人为制造洪 峰的情况 ， 坚决予 以查 处。六是对青海相界的 5座 电站 ，根据地处红古区 上游且管理难度大的实际 ， 我们提出初步管理意见 ， 上报省水利厅协调解决 。 3管理 建议 为进 一步 加 强河 道管 理 ， 保 证 防洪 安全 ， 充 分发 挥 大 通 河 、 湟 水河 的综 合 效益 ， 从保 证 红 古 区 灌溉 、 供水 、 防洪安全 的需要出发 ， 提出以下管理建议。 ( 1 ) 办理完善相关手续。 严格维护 2 0 0 1 年 3月 国务 院勘 界成 果 的严肃 性 。 重 申“ 界 线 以大通 河 主流 中心 线 为界 界 线 长度 为 3 5 k m” 的 行政 区域 界线 走 向划分 。为此 。 对建设地点均在甘肃境 内的享堂峡 一 级水电站 。 已由青海省办理的各相关手续 均应移 交甘肃一方 ： 对只在青海一方办理 了手续 ， 建设地点 跨甘 、 青 两省 的水 电站 ， 包 括 享堂 峡二 级水 电站 要尽 快在 甘 肃 一 方补 办 相关 手 续 ， 对 建 设 中改 变 建设 地 点 、 扩大装机容量和规模的电站 要 由甘肃一方重新 论证 审 查 ， 对 以上 电站应 办理 的水 资源许 可 、 竣工 验 收等后期手续 均应按界河建设项 目要求 ， 在甘肃一 方 办理 相 关手续 ( 2 ) 排除安全隐患 。对电站建设及运行 中涉及 到甘肃一方的铁路 、 公路 、 灌溉渠道等重要的基础设 施建设 ， 凡存在安全隐患的， 要作 出安全论证 ， 提出 相应 的处 理 意见 。对 电站 建成 后 的竣工验 收 ，以电 站大坝 、 库区堤防安全为重点 ， 甘肃一方须参加竣工 验 收的各 个环 节 。 ( 3 )落实防汛属地管理的原则。地处大通河的 水 电站 均在 大通 河 红古 区 防汛 上游 河段 ， 既 是 民和 县 的 防汛 重 点 更是 下 游 红古 区 、 临夏 州 永靖 县 、 兰 州 市西 固 区的 防汛重 点 。因此 要 通过 制定 防汛 安 全责任 、 水量调度、 信息预警 、 责任追究等制度 使各 水电站必须服从防汛属地管理的原则。 ( 4 ) 明确 管理 主体 。 应 根 据 防汛管 理 、 电站建 设 主体位置和“ 谁审批 、 谁负责” 等管理原则 尽快协商 解决电站的管理主体和管理模式等问题 ，在明确管 理主体的基础上， 落实好管理责任制和安全责任制 ， 解决好税收和水资源费征收等问题 ( 5 ) 实 行水 量 科学 调 度 。在大 通 河上 目前 密集 分布 着 3 O多 座水 电站 ， 电站之 间 紧密关 联 互相 影 响 ，其中任何一级 电站一旦 出现问题将会引发一系 列严 重后 果 。 因此 ， 要制 定 电站 蓄泄水 、 最 高蓄水 位 、 最小下泄流量等水量科学调度计划和制度 ，以确保 电站 自身安全和电站之间的良性互动 维护正常的 生产生活用水秩序 。 ( 6 ) 建立管理约束制度。 对违反管理制度 、 无序 经营 、 随意截蓄水 、 泄水 ， 对下游造成一定经济损失 或引发安全问题的 ， 要采取经济 、 法律等措施 ， 加大 管理力度 ， 进行综合整治 ， 让 电站方及法人在追求经 济利益的同时承担相应的经济 、 社会和法律责任 ， 确 保河 道 的正 常管理 。 ( 上接 第 2 7页) 快速施工 ， 对坝基的广泛适应性 ， 发 展 成 为 当地 材 料 坝 中 的 重 要 坝 型之 一 ，具 有很 大 的发展前景 。 沥青混凝 土防渗心墙在水工筑坝技术 中的应用也有上百年 的历 史 ， 而在我 国 ， 其应用仅 有 4 0多 年 的历 史 ， 还 处 于发 展 阶段 如何 发 展 和 完 善水工沥青混凝土应用理论 ， 是摆在水 电建设工程 界的重要课题。 相信采用沥青混凝土心墙 防渗的当 地材料土石坝将是未来超高坝建设 的合适坝 型。 水 工 大 坝 沥 青 混 凝 土 心墙 的 发 展 应 用 前 景 越 来 越 广 阔 。 驴驴 参 考文 献 ： 1 覃新闻， 黄小宁 沥青混凝土心墙设计与施工 M 北京 ： 中国水利水电出版社， 2 0 1 1 2 杜雷功， 王永生 沥青混凝土心墙全断面软岩筑坝技术研 究与实践 M 北京： 中国电力出版社， 2 0 1 2 3 张怀生 水工沥青混凝土 M 北京 ： 中国水利水电出版 社 ， 2 0 0 5 4 岳跃真 水工沥青混凝土防渗技术 M 北京： 化学工业出 版社 ， 2 0 0 7 5 王德库，金正浩 土石坝沥青混凝土防渗心墙施工技术 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 5