蒋永红，梁 良

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 530007）

Atay水电站复合土工膜心墙堆石坝设计与施工

蒋永红，梁 良

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 530007）

柬埔寨Atay水电站工程坝址两岸相对平缓、覆盖层深厚，为避免大开挖并减少混凝土工程量，设计采用两岸接头堆石坝＋河床重力坝的布置形式，从而节约投资。介绍了复合土工膜心墙堆石坝的设计与施工方法，工程经过近4年的正常运行检验，证明复合土工膜心墙堆石坝的防渗效果是好的，防渗心墙与混凝土坝的连接设计是可靠的。

混合坝型；堆石坝；复合土工膜；心墙；Atay水电站

1 工程概况

Atay水电站位于柬埔寨西部菩萨省，电站分两级开发。一级坝后式电站装机2（台）×10 MW，大（2）型工程，拦河主坝属2级建筑物。水库正常蓄水位515.0m，相应库容1.22亿m3；死水位510.0m，相应库容0.48亿m3；校核洪水位517.34m，相应总库容1.76亿m3；水库具有不完全年调节性能。一级电站枢纽建筑物--拦河主坝由混凝土重力坝、溢流坝、两岸接头土工膜心墙堆石坝、溢洪道、坝式进水口、坝后式厂房等建筑物组成，坝顶全长340.0m，坝顶高程519.5m，最大坝高57.5m。

二级引水式电站坝址位于一级电站主坝下游约6km处，装机4（台）×25 MW，为Ⅲ等中型工程，拦河坝属3级建筑物。水库正常蓄水位475.0m，相应库容0.14亿m3；死水位474.0m，相应库容0.13亿m3；校核洪水位477.89m，相应库容0.18亿m3；水库具有日调节性能。二级电站壅水坝由混凝土重力坝、溢流坝、两岸接头土工膜心墙堆石坝等建筑物组成，坝顶全长364.0m，坝顶高程479.5m，最大坝高48.5m。

2 工程地质条件

一级电站左岸地面高程为501.8～519.5m，边坡较平缓，为15°左右，自然边坡稳定。第四系残坡积层厚度2.0～2.5m，为粉质粘土混碎石、块石或粉质粘土，硬塑状。基岩为J24中厚层～厚层状砂岩，全风化层厚4.0～9.5m，强风化层厚3.0～9.0m。右岸地面高程为488.3～520m，边坡较平缓，为13°左右，自然边坡稳定。第四系残坡积层厚度4.0～9.5m，为粉质粘土混碎石、块石或粉质粘土，硬塑状。基岩为第三系喜山期玄武岩（β）厚0～34m；J24中厚层～厚层状砂岩，全风化层厚0m，强风化层厚3.2～16.6m。坝基基岩发育断层、风化壳等，受其影响岩石裂隙发育，全风化、强风化及弱风化岩体透水性较强。

二级电站左岸地面高程为455.5～479.5m，边坡较平缓，为18°左右，自然边坡稳定。第四系残坡积层厚度12～18m，为粉质粘土混碎石、块石，硬塑状。基岩为第三系喜山期玄武岩（β）厚0～11.6m；J2中厚层～厚层状细砂岩，全风化层厚0m，强风化层厚6.0～7.5m。右岸地面高程为447.7～480.5m，边坡较平缓，自然边坡稳定。右岸堆石坝段范围内有一冲沟，切割深度小于1m。第四系残坡积层厚度6.8～18m，为粉质粘土混碎石、块石，硬塑状。基岩为J2中厚层～厚层状细砂岩，全风化层厚0m，强风化层厚4.0～11m。坝基岩体强风化带为强透水～中等透水、弱风化带为中等透水～弱透水、微风化带为弱透水～微透水。

3 坝体设计

在项目初设阶段，对接头坝部位进行了混凝土重力坝与复合土工膜心墙堆石坝的比选，结论是复合土工膜心墙堆石坝在经济上更优，因此，一、二级挡水坝在两岸坝肩部位均采用土工膜粘土心墙堆石坝坝型。一级电站左岸接头坝长71.53m，承受最大水头17.34m；右岸接头坝长80.0m，承受最大水头27.34m。二级电站左岸接头坝长108.0m，承受最大水头35.89m；右岸接头坝长116.5m，承受最大水头25.89m。

3.1 坝体断面

坝顶宽度7.5m，自上而下每10.0m高差设置一道2.0m宽的马道，坝坡均为1∶1.75，与混凝土坝段的连接采用1/4圆锥体包脚，混凝土坝段设有刺墙伸入堆石坝内。坝体构造从上游至下游依次为0.5m厚的干砌石护坡、上游堆石区、级配碎石过渡层、粘土保护层、复合土工膜（主防渗体）、粘土垫层、级配碎石过渡层、无纺土工布、级配碎石保护层、下游堆石区、0.5m厚的干砌石护坡。由于下游堆石区建基面大多为粉质粘土或粘土，其细颗粒（d<0.075mm）含量较多，为了防止建基面渗透破坏，在建基面设置1.0m厚反滤层结构，反滤层材料与级配碎石过渡层料相同。

主防渗体为复合土工膜，土工膜底部固定在混凝土基座内，顶部延伸后埋设于坝顶混凝土路面中。为增加稳定性和渗径，除干砌石和堆石以外，其它各层全部采用“Z”字形垂直上升，上游级配碎石过渡层、复合土工膜和粘土保护层上升坡比为1∶1.05，下游粘土垫层、级配碎石过渡层、无纺土工布和级配碎石保护层上升坡比为1∶1.3。上游级配碎石过渡层最小厚度1.5m；上游粘土保护层最小厚度0.5m；下游粘土垫层最小厚度0.53m，下游级配碎石过渡层最小厚度为1.7m，级配碎石保护层最小厚度0.4m。防渗心墙构造见图1。

图1 防渗心墙构造详图

3.2 防渗系统

堆石坝防渗体为复合土工膜心墙，复合土工膜、无纺土工布端部均固定于相邻的混凝土坝段刺墙上，底部固定于混凝土基座上并向岸坡延伸直至坝顶，整个防渗心墙近似于三角形。混凝土基座建基面为强风化基岩，每10.0m设1道分缝，分缝间设止水铜片、止水橡胶各1道，止水片顶部固定于基座的二期混凝土内（与复合土工膜叠压在一起），止水片沿下游跨过防渗帷幕，底部埋入基岩的止水坑内。堆石坝段的防渗帷幕灌浆在基座上进行，坝体填筑前施工完毕。复合土工膜心墙、基座分缝止水、堆石坝段的防渗帷幕形成封闭的防渗体系，一端与混凝土坝连接，一端与坝肩帷幕连接，共同构成大坝的防渗系统。

图2 土工膜与刺墙坝、基座连接图

3.3 主要材料要求

3.3.1 坝体各分层技术指标（见表1）

表1 坝体分层技术指标表∗

3.3.2 复合土工膜

复合土工膜需符合《土工合成材料非织造布复合土工膜》（GB/T17642-2008）的要求。材料规格为两布一膜：基布材料为优质涤纶无纺针刺土工布（无纺布）；膜材料为聚乙烯（PE）。①基布质量：单位面积质量300g/m2，允许误差-10％；②膜材厚度0.6mm，允许误差-8％；③幅宽6.0m，允许误差-1.0％。

主要物理参数：①耐静水压规定值≥1.2MPa；②断裂强度（纵横向）20kN/m，允许误差-5％；③CBR顶破强力3.2kN，允许误差-5％；④撕破强力（纵横向）0.65kN，允许误差-8％；⑤剥离强度≥6N/cm；⑥断裂伸长率≥60％；⑦垂直渗透系数≤1.0×10-12cm/s。

3.3.3 无纺土工布

无纺土工布需符合《土工合成材料短纤针刺非织造土工布》GB/T17638的要求。材料规格：单位面积质量450g/m2，允许误差-10％。厚度：5mm，允许误差-10％。幅宽：3m，允许误差-5％。

主要物理参数：①有效孔径0.1mm，允许误差10％；②渗透系数（1～3）×10-1cm/s；③抗拉强度10kN/m，允许误差-10％。

3.4 渗流、坝坡抗滑稳定、坝体应力变形计算

3.4.1 计算模型

堆石坝的主要计算项目有渗流稳定、坝坡抗滑稳定以及坝体应力变形等，根据坝体分区特性，以典型最大剖面为基准（二级坝左岸），采用ANSYS软件按顺序剖分坝体单元。模型如图3，左侧为上游面，取自上游到下游方向为X轴正方向，自左岸到右岸为Z轴正方向，竖直向上为Y轴正方向。整个坝体结构经剖分得到结点12 474个，单元10 195个。

图3 典型最大断面整体单元剖分

3.4.2 计算工况

（1）渗流计算工况①工况1：上游正常蓄水位与下游相应的最低尾水位；②工况2：上游设计洪水位与下游相应的水位；③工况3：上游校核洪水位与下游相应的水位；④工况4：库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况（上游正常蓄水降落至死水位）。

（2）坝坡抗滑稳定计算工况。本工程为三等中型工程，土工膜心墙堆石坝建筑物为3级，坝坡抗滑稳定计算土条间的作用力，根据《碾压式土石坝设计规范》（DL/T5395—2007）可知，其最小安全系数在正常运用条件下为1.30，在非常运用条件Ⅰ下为1.20，在非常运用条件Ⅱ下为1.15。坝坡抗滑稳定计算的主要工况：①工况1：施工期（非常运用条件Ⅰ）的上、下游坝坡；②工况2：稳定渗流期（正常运用条件）的上、下游坝坡（上游正常蓄水位与相应的下游最低水位）；③工况3：水库水位降落期（正常运用条件）的上游坝坡（由正常蓄水降落至死水位）；④工况4：正常运用遇地震（非常运用条件Ⅱ）的上、下游坝坡。工程区地震基本烈度小于6度，地震动峰值加速度按0.05g考虑。

（3）坝体应力变形计算工况。坝体静应力变形计算考虑到坝体分期施工和堆石体的非线性特性，计算时采用分级加载，以便较好地模拟坝体的填筑上升施工过程以及蓄水过程。坝体应力变形计算分施工和蓄水两种情况。

3.4.3 计算成果

（1）渗流。正常蓄水位工况大坝渗流计算的浸润线如图4所示。由计算成果知，大坝在坝体坝基防渗系统作用下，工况1防渗体消减水头势13.74m左右，通过土工膜的单宽渗流量为1.558L/d；工况2防渗体消减水头势13.53m左右，通过土工膜的单宽渗流量为1.535L/d；工况3防渗体消减水头势14.84m左右，通过土工膜的单宽渗流量为1.684L/d；工况4为上游坝坡稳定最不利工况，防渗体消减水头势13.23m左右。

从坝体渗流场分布规律看，坝体复合土工膜心墙具有较大的渗透坡降。由整个渗流场分析可知，防渗系统消减水头势明显，且剖面渗流浸润线绝大部分都存在较大的埋深，说明整个防渗系统的防渗效果显著。

图4 工况1大坝浸润线

（2）坝坡抗滑稳定。各工况坝体上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数如表2所示，各工况下的抗滑稳定安全系数均满足规范要求。工况2坝体上游坝坡滑动面如图5所示。

表2 坝坡抗滑稳定Morgenstern-Price计算成果表

图5 工况2上游坝坡滑动面（k=1.637）

（3）堆石坝坝体变形和应力。竣工期竖直方向上最大位移铅直向下，为117.2mm，最大沉降位于坝底中心偏向上游。竣工期水平方向上上、下游坝体分别沿上、下游方向发生水平位移，这符合散粒体结构的位移规律，坝轴线处的水平位移很小。坝体上游面向下游最大位移为13.2mm，坝体下游面向上游最大位移为8.4mm。

水库蓄满水考虑渗透体积力后，坝体的沉降最大位移为130.5mm，约占堆石坝高的0.36％；坝体上游面向下游的最大位移为53.7mm，坝体下游面位移倾向下游，最大为17.8mm。

竣工期和蓄水期应力值变化相差不大，最大主应力都表现为压应力，主应力等值线与坡面基本呈平行分布，且从坝顶到坝基有逐渐加大趋势。第一主应力的最大值为0.11MPa，第三主应力最大值为0.60MPa，发生位置都在坝底中心与混凝土基座接触处。以蓄水期考虑渗透体积力坝体第三主应力等值线图为例说明（见图6）。

图6 蓄水期考虑渗透体积力坝体第三主应力等值线图（单位：MPa）

（4）堆石坝坝体应力水平。坝体在竣工期和蓄水期应力水平相差不大，以蓄水期考虑渗透体积力坝体应力水平等值线图为例来说明（见图7），从图7可以看出应力水平等势线有从坝体表面到坝体内部逐步增大的趋势，坝体应力水平的最大值为0.35MPa，出现在坝底中心与混凝土基座接触处。坝体不同分区交界处也是应力水平较大的区域，在坝体上下游堆石与过渡区相接处应力水平约为0.30MPa。坝体应力水平没有超过1.0MPa的区域。

图7 蓄水期坝体应力水平等值线图（单位：MPa）

（5）复合土工膜的变形和应力。复合土工膜底端假定为铰支，顶端为自由。复合土工膜只能承受拉力，不能承受压力和弯矩。其受拉刚度J（土工膜每米宽度的弹性模量）取复合土工膜单宽拉力与拉应变曲线T（kN/m）-ε上ε=10％的割线模量，按割线模量法进行迭代试算，求得ε=10％时经向J=4.95kN/m，纬向J=4.95kN/m。心墙中铺设复合土工膜，其经向顺着坝轴线方向，采用割线模量49.5 kPa作为初始值进行有限元计算，坝体土石料采用E-B模型。

竣工期坝内复合土工膜的最大拉应变为0.069％、单宽最大拉力0.035kN/m；正常蓄水位时最大拉应变为0.076％、单宽最大拉力0.038kN/m，复合土工膜最大拉应变出现在坝底部。虽然一般土石坝的水平位移与竖向位移的最大值发生于坝的中上部，但薄膜单元的两端点相对位移最大值却在坝的基础附近，这是由于基础约束所致。复合土工膜的允许拉应变为8％～12％，上述拉应变是很安全的。

由上述拉应力及拉应变求得拉力与应变的安全系数Ks、Kε分别为500和750，应力及应变安全系数均远在5.0以上，复合土工膜的应变水平和应力水平都远低于20％，可以保证在设计基准年内的正常使用。

4 主要施工方法

4.1 坝体填筑施工

填筑施工顺序参见图1。按照Ⅰ1 Ⅰ2 Ⅰ3 Ⅰ4 Ⅰ5 Ⅰ6 Ⅰ7、Ⅱ4 Ⅱ3 Ⅱ2 Ⅱ5 Ⅱ6 Ⅱ1 Ⅱ7顺序分层碾压，循环上升，其中每一层中的Ⅰ3、Ⅰ4、Ⅱ3、Ⅱ4再均分为2个层面碾压。各层的碾压次数、加水量、压实机具的行走速度等以生产性试验的结果来确定。本工程中，上游保护层及垫层采用手扶式振动碾无振碾压1遍有振碾压10遍，过渡层及下游保护层采用18t振动碾无振碾压1遍有振碾压6遍，振动碾跨过土工膜（布）必须采取保护措施，严禁损伤土工膜（布）。

4.2 土工膜（布）施工

（1）土工膜（布）沿坝轴线［土工膜（布）长边］方向间距约25m设置一道伸缩节，折叠搭接0.5m，构造见图8。

（2）土工膜（布）接缝采用KS胶粘接。粘接形式为膜/膜－膜/布－布/布间粘接，搭接宽度不小于15cm，（见图9）。

图8 土工膜（布）伸缩节构造图

图9 土工膜（布）粘接形式

将需粘接的复合土膜预留接缝边对正就位，现场煮KS胶进行粘接作业。对用于膜膜间粘接的KS胶液温度控制在120℃，以免烫穿土工膜；对用于无纺布上的KS胶液温度可控制在160～200℃之间。先将预留接缝边的土工膜粘接，然后将预留布与膜粘接，最后将预留布与布粘接。粘接过程中，橡皮锤及时跟进，对粘接部位敲打加压。

对于无预留接缝边的土工膜，要求去除搭接部位表面的无纺布（残留量≤80g/m2），粘接宽度不小于15cm，且土工膜与无纺土工布间粘接宽度不小于2cm。

（3）土工膜（布）与一期混凝土锚固。土工膜在槽内与一期混凝土锚固：①用钢丝刷将锚固槽混凝土表面浮浆清除，并清洗干净，再用棉纱把表面擦干；②将Z字形竖向土工膜端头折边20cm，清除Z字形竖向土工膜及基层土工膜表面的无纺土工布（残留量≤80g/m2），在粘接部位均匀涂刷KS胶，粘接完成马上用橡皮锤对粘接部位敲打加压，随粘随敲；③在已粘接好的复合土工膜上按设计间距0.3m钻孔布置膨胀螺栓（M8，L＝100mm），面上压钢板（－60mm宽×5mm厚，端头要求倒圆角，以防刺破土工膜），拧紧螺帽对复合土工膜进行紧固。

（4）土工布与一期混凝土锚固：无纺土工布与混凝土基座连接的端头折边20cm，按设计间距0.3m钻孔布置膨胀螺栓（M8，L＝100mm），面上压钢板（－60mm宽×5mm厚，端头要求倒圆角，以防刺破土工布），拧紧螺帽对无纺土工布进行紧固。

土工膜与一期砼锚固完成并验收后，即可浇筑锚固槽内C25二期混凝土。

5 结论

Atay水电站两级大坝均于2012年9月蓄水，至今正常运行已近4年，堆石坝的坝体位移、沉降、渗透坡降及渗流量等主要监测数据均未超出允许值，证明复合土工膜心墙的防渗效果是显著的，可满足电站的安全运行要求。

对于两岸相对平缓、覆盖层深厚的坝址，在不宜采用混凝土坝的情况下，可以考虑采用两岸接头堆石坝＋河床重力坝的布置形式，从而减小开挖和混凝土工程量。

（责任编辑：刘征湛）

Design and construction of composite geomembrane core wall rockfill dam for Atay Hydropower Project

JIANG Yong-hong，LIANG Liang
（Guangxi Electric Power Design Co.，Ltd.of China Energy Engineering Group，Nanning 530007，China）

Atay Hydropower Project of Cambodia is located at a dam site with relative flat terrain and thick overbur⁃den layer on both banks.In order to reduce excavation and concreting quantities as well as cost，rockfill dam seg⁃ments are designed at both banks and gravity dam segment designed on river bed.An instruction was made on the design and construction method of composite geomembrane core wall rockfill dam.The project has been put into op⁃eration for nearly four years，showing the anti-seepage of rockfill dam is good，and connection between impervious core wall and concrete dam is reliable.

Composite dam type；rockfill dam；composite geomembrane；core wall；Atay Hydropower Project

TV641.41

B

1003-1510（2016）05-0046-06

2016-06-30

蒋永红（1978-），男，广西全州人，中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司工程师，学士，主要从事水工结构设计。