玉滩水库沥青混凝土心墙石渣坝设计.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 1期 D WR H E 水 利 水 电 工 程 设 计 2 5 玉滩水库沥青混凝土心墙石渣坝设计 陆永 学 时铁城 李 娅 李浩瑾 摘 要 玉滩水库扩建工程 主坝 经过 精心设计，采用 了适合软岩地 区的沥青混凝土心墙 石渣坝。通过相关试验和 计 算，合理确定 了坝体结构和分 区，大坝 2 0 0 8年底开工建 设 ，2 O l 1年基本 完工 ，2 o 1 2年 汛期水位 达到正 常蓄水位 ， 经受 了蓄水考验。 关键词 玉滩水库 沥青混凝土心墙 软岩石渣坝 中图分类号T V 6 4 1 文献标识码B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 2 5 0 4 1 工 程 概 况 工程 由枢 纽和灌 区组成 。水库 枢纽 由主坝 、 副坝 、溢洪道及灌溉 引水 隧洞 等组成 水库 正常 蓄水位 3 5 1 6 0 m，相应 库容 1 3 2 1亿 m ，校核 洪 水位 3 5 3 3 2 m，总库容 1 4 9 6亿 m ，为大 ( 2 )型 I I 等工程 。水库设计洪水标准为 1 0 0年一遇洪水 ， 洪峰流量 为 2 2 2 0 m3 s ：校核洪水标准为 2 0 0 0年 一 遇洪水 ，洪峰流量为 4 4 8 0 m3 s 。作为枢纽 主要 建筑物 主坝为 2级建筑物 ，坝址 区基岩为侏罗 系中统上沙溪庙组上段砂岩 、泥岩及砂岩 、泥岩 、 粉砂 岩互层 。地震基本烈度 为 6度 ，建筑物设防 烈度 为 6度 。主坝推荐 坝型为沥青混凝 土心墙石 渣坝 ，最大坝高 4 2 7 0 m，坝长 6 7 8 1 5 m。 2 工程地质条件 坝址位于浅 山丘陵地貌 区，地面高程 3 0 9 3 7 6 m。最高处 为主坝左坝肩香炉石 山顶高程 3 7 6 1 m。最低处为玉滩桥 以下濑溪河河床 ，高程 3 0 9 9 m，相对 高差 约 6 6 m。濑 溪河河 道弯曲 ，河谷开 阔 ，呈 U形 。主 坝 左 岸 地形 坡 度 陡 ，香 炉 石 呈 平 顶丘 ，四周砂岩形成陡崖 ，高度 1 5 2 5 m；右岸地 形坡 度缓 ，轿 顶坡 地 形呈 阶梯 状 ，坡 角 2 0 。 一 3 0 。 。 坝址 区第 四系松散堆积层分布范 围较 大 除 局部厚度较大外 ，一般厚度 不大。基岩 地层为中 生界侏罗系 中统上沙溪庙组上段红色碎 屑岩 ，总 厚度约 2 4 0 m。 坝基 岩体 中发育 软弱夹层 一般延伸长度不 大 ，分布较为分散 厚度较小。 软弱夹层 以原生 为主 ，其 次为次生型 、构造 型 ；在发现的软弱夹层 中，有 6条为地面调查发 现 的 其 余 均为 钻孔 揭 露 ：大 多数发 育 在弱 风 化一微新 岩体 中 ，少数发 育在全 强风化岩 体 中 ； 从分布层位看 ，J s 、J 2 s 泥岩层中较为发育 ，其 次为 J 2 s 之砂岩层 中 ；一般分布较为分散 ，延伸长 度较短 ，厚度较 薄 ，仅玉 Z K1 0与玉 Z K1 1 之 间分 布在 高程 约 2 9 0 m、H K 2 8与 H K 2 9之间分布在高 程约 3 1 5 m的软弱夹层相互连通，延伸较长。 3 坝体料力学特性试验 3 1 料 场 主坝坝体填筑料采用 当地砂岩石渣料和 泥岩 石渣料。砂岩石渣料有斜石坝和牛场寨 2个料场。 斜石 坝有用层 为 J 2 s 4弱风化一新 鲜巨厚层砂岩 弱风化砂岩饱和单轴抗压强度 8 O 5 8 5 7 M P a ，软 化系数 0 5 2 厚度 6 9 1 3 8 m：牛场寨有用 层为 J 2 s 弱风化一新鲜 巨厚层砂岩 ，弱风化砂 岩饱和 单 轴抗压强度 7 9 0 9 7 7 MP a ，软化系数 0 5 0 ，厚 度 1 4 9 2 3 1 m。 3 - 2 现 场碾 压试 验 3 _2 _ 1 初次 碾压 试验 为 了确定 坝 体填 筑标 准 和 压实 采用 的参数 ( 碾压设备型号 、振动频率及重量 、行进速度 、铺 筑厚度 、碾压遍数等) ，对筑坝材料进行不 同的铺 土 厚 度 、不 同 碾 压遍 数 和加 水 与不 加 水 等 多 种 不 同工 况 的现 场碾压 试 验 。 现场碾压试验选择 2 5 t 自行式振动平碾 ，分不 加水和加水 2种试验工况。 加水工况分 3种铺土厚度 ( 6 0 、8 0 、1 0 0 e m) ，3种碾压遍数 ( 4 、6 、8遍 ) ， 1 种行车速度( 2 5 k l l ) ：不加水工况分 3种铺土厚 度 ( 6 0、8 0 、1 0 0 c m) ，2种碾压遍数( 4 、6遍 ) ，1 种行车速度 。 砂岩料加水 区域和不加水 区域碾压后 的干密 度分别见表 1和表 2 。 2 6 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 3 年 第 3 2卷 第 1期 铺土厚度 c m 碾压遍数 干密度 ( s C lT I- ：) 1 2 3 最小值 最大值 平均值 平均干密度值随铺 土厚度的变化幅度不完全相 同 但总体的变化规律较为相似 平均干密度值 随铺 土厚 度 的增 加 有较 为 明显 的减 小 铺 土厚 度 从 6 0 c m增加到 8 0 c m时的干密度减小幅度较铺土厚度 从 8 0 c m增加到 1 0 0 e m时要小。平均干密度值随 碾 压遍数 的增加呈规律性的增加 ，碾压遍数从 4 遍增加到 6遍时的干密度增加幅度较碾压遍数从 6 遍 增加 到 8遍时 要大 。 3 2 - 2 补 充碾压 试 验 现场碾压试 验完毕后 根据设计要求对砂岩 料做补充试验 ，补充 碾压试验铺土厚度 8 0 c m 和 1 0 0 c m，碾压遍数 8遍 ，激振力 3 9 0 k N。加水量 为 5 5 ( 按试验料填筑体积计算 ) ，并在上料摊铺 过程中洒水 以使洒水更为均匀。 经 补 充 试 验 ，砂 岩料 复核 试 验 干 密 度 结 果 见 表 3 ，表面累计平均沉降关系曲线见图 1 。 表 3 砂岩补充试验干密度结果 从砂岩料 的补充试验可以看出 ，随着激振力 的提高 ，干密度较 碾压试验都 有 0 0 2 g c m 的提 高 ，说 明碾压激振力对 干密度值 的提高有较为明 显 的影响。 从颗粒级配曲线上也可以看出 ，试验 料破碎情况较碾压试验 更为显著 ，累计平均沉降 量 的变化趋势与碾压试验变化规律相似。 根据现场碾压试验 ，确定坝体施工碾压参数 ： 砂 岩加水 、铺土厚度 8 0 c m、激振力 3 9 0 k N、碾 压 8 遍 ，设计于密度 2 0 3 g , c m 。 4主 坝 设 计 4 - 1 主坝坝体设计 主坝坝型为沥青混凝土心墙石渣坝 ，坝顶高 程 3 5 4 2 0 m，防浪墙 顶高程 3 5 5 6 0 m，最低建基 面高程 3 1 1 5 0 m，最 大坝 高 4 2 7 0 m。坝顶 总长 6 7 8 1 5 m，坝顶宽 7 m。大坝上游在高程 3 3 3 5 0 m 陆永 学等 玉 滩 水 库 沥 青 混 凝 土 心 墙 石 渣 坝 设 计 2 7 目 皇 面 逝 蜉 士 磔 O 碾压遍数 图 I 砂岩 加水碾压 8遍工 况下表面累积沉降量关 系曲线 以上边 坡 为 1 ： 2 2 5 ，高 程 3 3 3 5 0 m 以下 至 高 程 3 2 3 0 0 m坡 度 为 1 ： 2 5 ，再 以下 为 1 ： 2 7 5 ，高 程 3 3 3 5 0 m设宽 4 2 7 5 m马道 3 2 3 0 0 m高程设 5 m 宽马道 ；下游 3 2 7 0 0 m高程以上边坡 为 1 ： 1 9 ，以 下为 1 ： 2 。分 别在 高程 3 4 0 m及 3 2 7 m处 设置 马 道 。马道 宽度 均 为 2 m。 沥青混凝土心墙采用直心墙形式 ，厚度在 高 程 3 3 1 0 m以上为 0 5 0 m，以下为 0 7 0 m，墙顶高 程 为 3 5 3 4 0 m高 于校核 洪水 位 3 5 3 3 2 m。心 墙 底部 2 m为渐变段 ，与混凝土齿槽相接处心墙加 厚至 1 m，混凝土齿槽 混凝 土采用 C 2 0 W6 ，二 级 配 沥青混凝土心墙与混凝土齿槽采用止水铜 片 连接 为保证沥青混凝土和混凝土齿槽 良好连接 ， 齿槽顶部设反弧，反弧上铺设 2 0 mm沥青玛蹄脂。 心墙上 、下游侧 分别设 2 m厚 的过渡层 ，作为沥 青混凝土心墙的持力层和保护层 。过渡层至坝基 逐渐加厚与基础相接 。心墙过渡层后布置水平排 水 坝脚设贴坡 排水 ，与水平排水相接 。水平排 水采用排水条带形式 ，梯形布置 ，底宽 5 0 m，两 侧 边坡 1 ： 1 2 ，中间为块石 ，四周包反滤 ，沿坝轴 线 自左向右设有 6条排水带 。贴坡排水顶高程 3 2 7 m，坡 比 1 ： 2 ，贴坡排水厚度 0 5 m，采用干砌石砌 筑 ，排水下设 2层反滤 ，每层厚度 0 3 0 m。坝脚 设纵 向排水沟 ，并在河床坝段设排水 沟将 主坝渗 水导人下游河道 。大坝上游面下部采用 干砌块石 护坡 ，上部采用混凝土预制块 护砌 ；坝体下游 面 采用草皮护坡。 坝体 分为上游 石渣 区 、上游 临时挡水 断面 、 沥青心墙 、心墙过渡层 和下游石渣 区。心墙过渡 层料 、反 滤料 、水平排水 、贴坡排水等均采用强 度较高的灰岩石料 。上游 临时挡水断面采用复合 土工膜 临时防渗 。坝壳料采用强度较高 的砂岩石 渣料填筑。心墙过渡料设计干密度 2 1 0 ge m ，根 据 重庆玉 滩水库扩建工程 现场碾 压试验报 告 确定砂岩石渣料干密度不小于 2 0 3 g e m ，铺土厚 度 8 0 e m，碾压 8遍。为控制施工期沉降 ，满足加 快施工进度要求 ，主坝心墙施工一 、二期填筑高 程统一后 ，主坝下游过渡料设计 干密度 由 2 1 O g c m 调整为 2 1 5 g e m 。 ：石渣料设计 干密度 由 2 0 3 g e m 调整为 2 0 7 g e m 。 。下游石渣料每层虚铺厚度 为 6 0 c m，最大粒径为 4 5 c m。坝壳石渣料渗透系 数不大于 1 1 0 c n 1 s 。反滤料要求相对密度不小 于 0 7 0 。 4 2 主坝 有 限元分 析 玉滩水库主坝分别进行二维 、三维有限元计 算 。沥青 混凝土心墙 和坝体填筑体采用 邓肯一 张 ( D u c a n C h a n g )E B非线性模 型模拟 ，混凝 土采 用线弹性模 型模拟 ：沥青混凝土心墙与过渡层 的 接触面采用薄层接触面单元模拟。 二维和三维 坝体位移计算结果 的特 征值见 表 4 沥青混凝土心墙计算结果的特征值见表 5 。 表 4 坝体位移计算结果汇总表 c m 分析 主坝二维 、三维有限元计算结果 ，有下 列结论 ： ( 1 )由于坝轴线较长 ，沿坝轴线方 向地形变 化 较 缓 主 坝 的河 谷 三维 效 应 很 小 ，坝 体 应 力 位 移 的最大值发生在 最大断面坝段 ，即桩 号 0 + 1 8 0 至 桩 号 0 + 3 0 0的坝 段 。该 坝 段 范 围 内 的二 维 和 三 维计算结果基本一致。 ( 2 )坝体 在 自重 作用 下 的沉 降量 最大 为 3 0 c m，沉降变形在坝高的 1 以内；蓄水后 ，由于上 表 5 沥青混凝土心墙应力位移计算结果汇总表 二维 2 6 三维4 8 2 9 2 9 l _0 1 1 0 3 0 33 0 37 n3 9 n3 8 1 9 6 2 4 1 9 8 2 4 0 8 7 0 8 8 0 _4 2 0 -4 2 0 I 3 2 0 _ 3 2 O ： 4 m M ： 2 加 如 2 8 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 3年 第 3 2卷 第 1期 游侧坝壳浮力的作用 ，坝体沉 降略有减 小 ，为 2 8 c m。竣工期 坝体 的向下游 的水平位 移最大 为 l 4 c m；蓄水后 ，由于水压力的作用 ，坝体 向下游的 水 平位移增加到 2 1 c m。整 个坝体 的应力分 布较 好 ：竣 工期 坝体 绝 大部分 区域 应力 水平 都较 小 ( 小于 0 5 MP a ) ；蓄水期 ，除心墙上游侧临近区域 应力水平达到 0 9 MP a外 ，坝体其它区域的应力水 平较小( 小于 0 6 MP a ) 。 ( 3 )竣工期沥青混凝土心墙的水平位移很小 ， 沉降较大 沉降最大值约 2 9 c m，发生在最大断面 坝段 的心墙 中部 。蓄水期 ，由于水 压力 的作用 ， 沥青混凝土心墙发生 向下游 的水平变形 ，位移 最 大约为 2 0 e m发生在最大断面坝段的心墙上部 。 竣工期 沥青混凝 土心墙 的应力接近 自重应力 分 布 ，大主应力最大值约 l M P a ，小 主应力最大值 0 3 5 MP a 。蓄水期 ，除墙底部应力略有减小外 ，其 它部位沥青混凝土心墙 的应力混凝土竣工期一样 ， 接近 自重应力分布 ，大主应力最大值约 0 9 M P a ， 小主应力最大值 0 4 2 MP a 。无论竣工期还是蓄水 期 ，沥青混凝 土水平的应力水平都较小 ，均小于 0 4 MP a 。用应力水平来评价沥青混凝土心墙 的安 全性 ，则沥青混凝土心墙有较大的安全裕度 。 5 主坝基 础处理 本工程主坝采用沥青心墙石渣坝 ，大 ( 2 ) 型水 库 ，根据规 范 ，基础透水率应控制在 5 L u以下 。 透水率 q大于 5 L u的底界高程为 ：左坝肩 3 0 4 m； 右坝 肩 3 1 0 n l ；河床 2 7 4 m。 根据地质建议 ，心墙及反滤层 部位基础开挖 至弱风化 中下部岩体 ，其余部位适 当放宽 ，开挖 到弱风化上部 。心墙下布置灌浆帷幕 ，与心墙相 连 ，形成 坝体 、坝基 的防渗体 系 。采用 单排幕 ， 孑 L 距 2 m。坝基相对不透水 层按 透水率小于 5 L u 控制，防渗帷幕伸入相对不透水层 5 m。主坝帷幕 长 7 2 4 4 0 m下 限高程 左岸 为 2 9 5 m，河 床 2 7 0 一 一+一+- 十 一 一 。 + 一 一 一- m，右岸 3 0 5 m。根据 帷幕灌浆试验报告确定 帷幕灌浆孔距 2 0 m，灌浆压力是根据地质情况 、 孔序情况控制 0 5 1 2 MP a 。坝基防渗帷幕在左岸 与溢洪道控制段 防渗帷幕连成一体 ，右岸 与单薄 分水岭防渗幕体相接。 为加强坝基基岩 的整体性及心墙 基座与基础 的紧密连接 。在心墙下设 2排 固结灌浆孑 L 进行 固 结灌浆 ，灌浆孔距 3 0 m，孔深 6 0 m。 6 结语 ( 1 )玉滩水库 2 0 0 8年开工建设 ，2 0 1 0年底主 坝填筑到坝顶 ，2 0 1 2年水库正常蓄水 ，目前 大坝 运行良好，经受了洪水考验。 ( 2 )玉滩枢纽主坝采用沥青混凝土心墙 软岩 石渣 坝 。软岩作 为介 于土 、石之 间的一种材 料 ， 其性状有别 于土 、石 ，理论基础相 对较为 薄弱 ， 但对 于缺少理想筑坝料 源的地 区来讲 其利用和 推广有着广阔的空间。随着土工试验技术 、大型 土工试验仪器的发展以及大功率震动平碾 的使用 ， 对筑坝 材料 的限制也在逐步的突破 和放宽 并尝 试采用任意石渣料筑坝 。软岩筑坝技术在 国内外 坝工界也在逐渐起步 ，一些大坝将 软岩 开挖料布 置在下游坝体干燥 区。达到了一定的节 省投资 目 的。玉滩水库 主坝采用 了坝壳全断面软岩填筑技 术 ，对其他此类坝均有借鉴意义。 作者简介 陆永学 男 高级工程 师 黄河勘测规 划设 计有 限公 司天 津设 计 院 天 津3 0 01 91 时铁城 男 高级工程 师 中水北方勘测设 计研 究有 限责 任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 李 娅 女 工程师 中水北 方勘测设计研 究有 限责 任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 李浩瑾 男 工程 师 中水 北方勘测设计研 究有 限责任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 ( 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 0 6) -十 r - 十 一 - 卜 一 + 一 + - 一 卜 - 卜 - 卜 - 卜 一 卜 书 讯 欢迎订阅 黄河龙口水利枢纽工程技术研究 本书系统全面地介绍了黄河 龙口水利枢纽工程有关勘察设计及工程技术经验成果 ，全 书分两大部分 内容 第 1 部分为 l l ： 程勘测设计 ，主要包括工程设计基本情况 、水 文及 工程 规划 、工程地质 、工程布置及建筑物 、水利机械与 电气 、金属结构 、 主要设计变更及设计优化等勘测设计成果 ；第 2部分为工程技术论文 ，内容涵盖本工程有关工程规划 、工程地质 、工程布置 及建筑物 、建筑与消防、机电设备与金属结构 、施工组织 与概算以及有关科研试验等相关专业技术成果。 本书 内容全面 ，专业性强 ，可供水利水电工程勘查 、设计施工 、科研等部 门技术人员和管理人员使用 ，同时也 町供水利 水 电院校师生参考使用 。本书 7 2万字 ，定价 8 8元。预购者 ，直接汇至 水利水电工程设计 编辑部 ，地址 ：天津市河西区洞 庭路 6 0号，邮编 ：3 0 0 2 2 2 ，联系 电话 ：2 8 7 0 2 8 5 4 。