盧 小 波

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730000)

土石壩對(duì)壩址基礎(chǔ)條件具有良好的適應(yīng)性，能就地取材、節(jié)省投資，是壩工建設(shè)中最有發(fā)展前景的壩型之一[1]。黏土心墻土石壩出現(xiàn)于20世紀(jì)40—50年代，由于其使用當(dāng)?shù)夭牧?、造價(jià)低、施工技術(shù)較為簡(jiǎn)單、抗震性能好而得到迅猛發(fā)展[2]。目前建成的黏土心墻土石壩數(shù)量眾多，其中：最高的心墻土石壩是1980年前蘇聯(lián)建成的努列克(Hypek)心墻土石壩(壩高300 m)，我國(guó)已經(jīng)建成的最高的心墻土石壩為的糯扎渡水電站大壩(壩高261.5 m)[3]。在心墻土石壩建設(shè)中也出現(xiàn)過(guò)很多垮壩、塌陷及心墻水力劈裂等事故，如：1975年建成的美國(guó)Teton心墻土石壩出現(xiàn)管涌而垮壩；1941年建設(shè)的美國(guó)Mud Mountain壩滲流破壞造成垮壩；北京西齋堂斜心墻土石壩和河南玉馬斜心墻土石壩蓄水后塌坑[4]等，Hyttejuvet心墻堆石壩水力劈裂造成滲漏事故[5]等等，這些事故發(fā)生很多是設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)一些關(guān)鍵問(wèn)題的技術(shù)處理不恰當(dāng)造成的，因此有必要對(duì)心墻土石壩的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)和重視。

本文依托蘭州新區(qū)石門溝2#水庫(kù)工程，從壩型選擇、心墻和反濾層設(shè)計(jì)、壩基處理和壩體變形和穩(wěn)定分析等幾個(gè)方面，論述了心墻土石壩設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)把握的技術(shù)要點(diǎn)，供類似工程參考。

1 工程概況

蘭州新區(qū)石門溝2#水庫(kù)為注入式水庫(kù)，水源為由引大入秦工程引來(lái)的大通河水。工程位于蘭州新區(qū)秦川鎮(zhèn)石門溝村以北約3 km的大麥灣溝，距蘭州104 km。主要由引水工程、水庫(kù)樞紐工程及供水工程三部分組成。工程主要任務(wù)是通過(guò)與已建的石門溝1#水庫(kù)和擬建的石門溝2#、3#兩座水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)向蘭州新區(qū)生產(chǎn)及生活供水。

水庫(kù)總庫(kù)容525萬(wàn)m3，興利庫(kù)容470萬(wàn)m3，死庫(kù)容18.7萬(wàn)m3。大壩為黏土心墻堆石壩，壩頂高程2 161.00 m，最大壩高55 m，壩頂長(zhǎng)324.58 m。工程為Ⅳ等小(1)型工程，大壩為3級(jí)建筑物，其他主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，次要建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，1 000年一遇洪水校核[6]。工程區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s?？拐鹪O(shè)防烈度采用7度[7]。

壩址處溝道寬度120 m～200 m，溝谷呈略寬的“U”字型，溝底堆積較厚的風(fēng)洪積及洪積層，最大厚度27 m，壩址兩岸基巖巖性為變質(zhì)砂巖夾板巖及板巖夾變質(zhì)砂巖，巖體表層風(fēng)化強(qiáng)烈、破碎，表層風(fēng)化后呈片板狀，強(qiáng)風(fēng)化層一般厚4 m～6 m，壩肩頂部巖體強(qiáng)風(fēng)化層厚約10 m。

2 壩體設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析

受工程區(qū)地形地質(zhì)條件、氣象因素條件、工程區(qū)料場(chǎng)分布情況等因素影響，工程設(shè)計(jì)主要研究的技術(shù)要點(diǎn)為壩型選擇、壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壩料分區(qū)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)處理等[8-9]。

2.1 壩型選擇

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建和在建的高土心墻堆石壩設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，心墻型式和坡比將影響大壩應(yīng)力變形、滲透穩(wěn)定、工程投資等各個(gè)方面。針對(duì)黏土心墻壩和黏土斜墻壩，從抗震性能、施工難易程度、壩體防滲系統(tǒng)等方面[10]進(jìn)行綜合比較，比較過(guò)程見表1。

由于覆蓋層厚度適中，將心墻和斜墻的基礎(chǔ)全部開挖至基巖基礎(chǔ)進(jìn)行同精度比較。斜心墻和直心墻方案從抗水力劈裂能力、抗震能力、變形協(xié)調(diào)能力、工程施工和投資等方面綜合分析，兩種方案在技術(shù)上均可行，不會(huì)產(chǎn)生水力劈裂破壞，斜心墻方案大主應(yīng)力方向有利于心墻抗水力劈裂，但是其滲透坡降和永久變形相對(duì)較大，抗震能力略差，工程投資比心墻高209.4萬(wàn)元，經(jīng)綜合比較選擇直心墻方案。

表1 直心墻與斜心墻壩型優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.2 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 壩料設(shè)計(jì)

壩料設(shè)計(jì)中，由于防滲料料場(chǎng)及料源限制，為了節(jié)省工程投資，不在外運(yùn)特殊防滲土料作為壩體的防滲結(jié)構(gòu)，工程設(shè)計(jì)采用反設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)滿足層間關(guān)系要求和滲透穩(wěn)定要求，根據(jù)防滲土料的天然粒徑分布，反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)需要的反濾料的級(jí)配曲線，再根據(jù)確定的反濾料的級(jí)配曲線，確定過(guò)渡料的級(jí)配曲線，根據(jù)過(guò)渡料的級(jí)配曲線，從而最終確定壩殼料的級(jí)配曲線，這樣就能更加經(jīng)濟(jì)合理的實(shí)現(xiàn)工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(1) 心墻土料。心墻土料優(yōu)先考慮自1#土料場(chǎng)開采，不足部分自2#土料場(chǎng)開采。土料主要試驗(yàn)指標(biāo)：天然密度1.47 g/cm3～1.62 g/cm3，天然含水率14%～25%。心墻填筑鋪層厚度為40 cm，采用16 t凸塊碾碾壓6遍，碾壓壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)要求不小于98%，壓實(shí)干密度要求不小于1.68 g/cm3，最優(yōu)含水率18%～20%，土的滲透系數(shù)平均2.48×10-7cm/s。

(2) 反濾料。反濾料位于心墻土料與過(guò)渡料之間，主要承擔(dān)傳力結(jié)構(gòu)，并形成對(duì)心墻土料的反濾保護(hù)，滿足層間關(guān)系和滲透穩(wěn)定要求[11-12]，防止心墻土料細(xì)粒的流失。根據(jù)心墻黏土料的級(jí)配保護(hù)要求，過(guò)渡料最大粒徑不大于20 mm，D15=0.1 mm～0.5 mm，D85=10.0 mm～2.4 mm，小于5 mm顆粒含量控制在35%～60%，小于0.075 mm顆粒含量不大于5%。根據(jù)對(duì)周圍料場(chǎng)普查，發(fā)現(xiàn)工程區(qū)附近的振興砂場(chǎng)或蘭州新區(qū)緯三十二路砂場(chǎng)砂礫石料篩分系統(tǒng)的成品料，完全能夠滿足本工程所需過(guò)渡料要求，這樣即減少了重新開辟料場(chǎng)的費(fèi)用，減小對(duì)環(huán)境的破壞，又能夠保證料源的供應(yīng)，確保工程的順利進(jìn)展。反濾料設(shè)計(jì)寬度為2 m，填筑鋪層厚40 cm，采用16 t振動(dòng)碾碾壓6 遍～8 遍，相對(duì)密度不小于0.80。反濾料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見圖1。

圖1反濾料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

(3) 上下游過(guò)渡料。上下游過(guò)渡料位于心墻反濾料與大壩堆石料之間，承擔(dān)部分受力和傳力結(jié)構(gòu)，并形成對(duì)反濾料粒徑的過(guò)渡和反濾作用，滿足層間關(guān)系和滲透穩(wěn)定要求，防止反濾料中細(xì)顆粒的流失。根據(jù)墊層料的級(jí)配保護(hù)要求，過(guò)渡料要求級(jí)配連續(xù)，最大顆粒粒徑不超過(guò)300 mm，小于0.075 mm顆粒含量不大于5%。經(jīng)過(guò)堆石料場(chǎng)的爆破試驗(yàn)，采用合理的爆破能夠完全開采出復(fù)核過(guò)渡料要求的級(jí)配料。故過(guò)渡料采用料場(chǎng)爆破開采，寬度為等寬3 m，填筑鋪層厚40 cm，采用25 t振動(dòng)碾碾壓6 遍～8 遍，最大干密度不小于2.2 g/cm3，孔隙率不小于20%。過(guò)渡料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見圖2。

圖2過(guò)渡料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

(4) 上下游堆石料。大壩上下游堆石料區(qū)是水荷載的主要傳遞區(qū)，是大壩的主要承載結(jié)構(gòu)。根據(jù)過(guò)渡料的級(jí)配保護(hù)要求，堆石料要求級(jí)配連續(xù)，具有強(qiáng)度高、壓縮性低、滲透性強(qiáng)等性能。最大粒徑要求不超過(guò)600 mm，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%。根據(jù)過(guò)渡料的級(jí)配曲線要求，經(jīng)過(guò)爆破試驗(yàn)，采用合理的爆破開挖能夠完全開采出滿足堆石料要求的填筑料，故堆石料采用料場(chǎng)爆破開采，填筑鋪層厚80 cm，采用25 t振動(dòng)碾碾壓6 遍～8 遍，最大干密度不小于2.2 g/cm3，孔隙率不小于20%。堆石料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線見圖3。

圖3堆石料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

按照以上的反設(shè)計(jì)思路，合理的確定了各級(jí)料的級(jí)配區(qū)間范圍，根據(jù)級(jí)配區(qū)間的顆粒級(jí)配要求，采用合理的爆破方式，能夠互相有效的滿足壩料之間的層間關(guān)系要求，節(jié)約工程投資，消除工程隱患，使壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全合理。

2.2.2 基礎(chǔ)處理

(1) 基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。帷幕灌漿孔沿心墻軸向方向布置，基礎(chǔ)固結(jié)灌漿孔沿心墻軸線兩側(cè)各布置一排，距心墻軸線距離均為1.0 m。灌漿孔采用梅花形布置，孔距1.5 m，孔深5 m。

(2) 壩基防滲設(shè)計(jì)。工程防滲帷幕按照透水率<5 Lu進(jìn)行控制。結(jié)合壩基溝床地質(zhì)條件及壩基巖體透水性，采用抗硫混凝土漿液對(duì)壩基進(jìn)行防滲帷幕灌漿，帷幕灌漿軸線沿壩基心墻軸線布置，并左右岸壩肩山梁延伸布置，其中向右岸壩肩山梁延伸92 m，向左岸壩肩山梁延伸123 m。帷幕灌漿線按一排布置，灌漿孔深入相對(duì)不透水層(q<5 Lu)以下5 m，灌漿孔間距1.5 m，灌漿壓力1.5 MPa。

3 大壩變形及穩(wěn)定計(jì)算

3.1 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算

壩體應(yīng)力變形計(jì)算分析采用平面非線性有限元計(jì)算方法，本構(gòu)模型采用鄧肯張E-B模型，筑壩材料的鄧肯E-B模型計(jì)算參數(shù)見表2及表3。

表2 心墻土料鄧肯模型參數(shù)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：壩體竣工期、蓄水期位移、應(yīng)力分布合理，量級(jí)處于合理范圍?？⒐て诤驼Ｐ钏谟?jì)算的應(yīng)力、位移特征值列于表4。

表3 筑壩材料鄧肯模型參數(shù)

表4 壩體應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果匯總表

(1) 壩體竣工期的位移、應(yīng)力等值線分布如圖4—圖6所示。

圖4 竣工期水平位移等值線圖(單位：cm)

圖5 竣工期豎向位移等值線圖(單位：cm)

圖6竣工期大主應(yīng)力等值線圖(單位：kPa)

由圖可見，竣工期壩體水平位移相對(duì)于壩軸線基本上呈對(duì)稱分布。在壩體自重的作用下，上游壩體水平位移最大值約2.5 cm。下游壩體水平位移最大值約3.0 cm。壩體頂部的水平位移呈向心墻內(nèi)擠壓的趨勢(shì)，上游壩體上部向下游位移約2 cm，下游壩體上部向上游位移也是2 cm。從壩體豎向位移分布看，壩體填筑完成期的沉降基本上呈相對(duì)于壩軸線對(duì)稱分布，壩體最大沉降發(fā)生在心墻中部，位移最大值為39.0 cm，約為壩高的0.7%。

從大、小主應(yīng)力的等值線分布圖可以看出，心墻的應(yīng)力明顯小于同高程兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)力，拱效應(yīng)比較明顯，同一高程處心墻的應(yīng)力約為兩側(cè)壩殼應(yīng)力的40%。

(2) 正常蓄水期壩體的位移、應(yīng)力等值線分布如圖7—圖9所示。

圖7 蓄水期水平位移等值線圖(單位：cm)

圖8 蓄水期豎向位移等值線圖(單位：cm)

圖9蓄水期大主應(yīng)力等值線圖(單位：kPa)

從圖中可以看出，正常蓄水期壩體大部分區(qū)域的水平位移最大值約12 cm，位于壩體中上部的下游壩殼堆石體中。正常蓄水期壩體最大沉降仍發(fā)生在心墻中部，偏于心墻下游側(cè)，沉降最大值37 cm，約為壩高的0.7%。

從大、小主應(yīng)力的等值線分布圖可以看出，心墻的應(yīng)力明顯小于同高程兩側(cè)區(qū)域的應(yīng)力，拱效應(yīng)比較明顯，同一高程處心墻的應(yīng)力約為兩側(cè)壩殼應(yīng)力的40%。蓄水期，由于浮力和水壓力的作用，心墻上游側(cè)壩殼的大主應(yīng)力低于下游側(cè)的大主應(yīng)力。同時(shí)由于心墻在水壓力作用下向下游變形，上游側(cè)壩殼和心墻上游側(cè)的小主應(yīng)力減小，下游壩殼和心墻下游側(cè)的小主應(yīng)力增加。心墻上游側(cè)壩殼中下部的應(yīng)力水平較高，這是由于水壓力作用使心墻向下游變形致使該區(qū)為主動(dòng)土壓力區(qū)，它不影響壩體穩(wěn)定。

3.2 壩坡穩(wěn)定計(jì)算

壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用剛體極限平衡計(jì)算方法，穩(wěn)定分析采用中國(guó)水科院自主開發(fā)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2009，分析方法采用Bishop法[13]，計(jì)算中采用擬靜力法模擬地震荷載，堆石料計(jì)算參數(shù)采用線性強(qiáng)度與非線性強(qiáng)度指標(biāo)分別對(duì)壩坡穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，在計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí)各材料參數(shù)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均應(yīng)采用小值平均值。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中假定各材料強(qiáng)度指標(biāo)折減[14-15]20%作為其小值平均值，在此基礎(chǔ)上的穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見表6。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出：

(1) 竣工期、穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位驟降期及正常運(yùn)用期遭遇地震工況，采用線性強(qiáng)度指標(biāo)及非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表6 修正后壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

(2) 采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的安全系數(shù)小于線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的安全系數(shù)。采用材料強(qiáng)度指標(biāo)小值平均值計(jì)算的安全系數(shù)比采用均值計(jì)算的安全系數(shù)減小約25%左右。

蘭州新區(qū)石門溝2#水庫(kù)工程于2015年4月正式開工建設(shè)，壩體自2015年9月開始填筑，2016年7月壩體填筑至壩頂高程，2016年11月1日開始下閘試蓄水，水庫(kù)最高蓄水位2 155.00 m(較正常蓄水位低3.4 m)，截止目前水庫(kù)已蓄水運(yùn)行一年多時(shí)間。根據(jù)大壩監(jiān)測(cè)資料分析，壩體最大沉降量為53 cm，截止目前大壩變形速率明顯減緩，時(shí)效變形逐漸趨于收斂，大壩處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。本工程壩基覆蓋層深厚，無(wú)壩后截水設(shè)施，因此未在壩后設(shè)置量水堰。根據(jù)布置于壩體的三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)壓管水位監(jiān)測(cè)成果，自測(cè)壓管埋設(shè)后取得監(jiān)測(cè)初始值，水庫(kù)蓄水運(yùn)行期間測(cè)壓管水位基本未發(fā)生變化，說(shuō)明壩基及壩體的防滲效果較好。由于水庫(kù)蓄水還沒有真正達(dá)到設(shè)計(jì)水位的長(zhǎng)期運(yùn)行工況，所以目前的安全監(jiān)測(cè)資料存在一定的局限性，不能代表壩體后期長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的狀況。

4 結(jié) 論

(1) 工程壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì)思路，能夠更加充分合理的利用當(dāng)?shù)亓显?，減小工程耗能，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程投資，值得相似類型的工程借鑒設(shè)計(jì)思路。

(2) 根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，壩體的各項(xiàng)指標(biāo)均在壩體變形、受力可控范圍之內(nèi)，說(shuō)明本工程設(shè)計(jì)思路合理正確，其壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

(3) 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的壩料分區(qū)設(shè)計(jì)及控制指標(biāo)，是當(dāng)?shù)夭牧蠅卧O(shè)計(jì)中的重中之重，應(yīng)緊密結(jié)合料場(chǎng)料源情況，合理分區(qū)，在滿足層間關(guān)系和滲透穩(wěn)定的前提下設(shè)計(jì)合理的壩料控制指標(biāo)，能夠最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)工程性價(jià)比設(shè)計(jì)。