王世刚

（哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆哈密839000）

水库浇筑式沥青混凝土心墙坝设计

王世刚

（哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆哈密839000）

头道沟水库是一座综合性水利枢纽工程，总库容为459.82万m3。大坝采用浇筑式沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高52.42 m，心墙最大浇筑高度48.72 m。文中从坝料的选择、坝体断面的设计、坝基处理和沥青混凝土配合比的选择等方面进行了详细论述。水库经过3年的蓄水运行检验，坝体防渗效果良好。

浇筑式沥青混凝土心墙；过渡料；沥青配合比；基础处理

1 工程概况

巴里坤县头道沟水库位于莫钦乌拉山北坡低中山带，是一座为煤炭工业供水的小（1）型山区多年调节水库枢纽，距哈密市225.0 km。枢纽建筑物由大坝、导流放水洞及溢洪道等建筑物组成，拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高52.42 m，地震设计烈度为Ⅶ度，总库容为459.82万m3，死库容80万m3，兴利库容302万m3，调洪库容77.82万m3。水库正常蓄水位为1 763.82 m，坝顶填筑高程为1 766.42 m。工程于2012年7月开工建设，2014年10月完工，经过3年的蓄水运行检验，坝体防渗效果良好。

2 坝体设计

2.1 坝体轮廓设计

头道沟水库拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高52.42 m，坝顶宽取8 m，坝顶长210.0 m。根据当地料场筑坝料的情况，参照已建工程，结合地震基本烈度为7°，拟定大坝上游坡为1∶2.25，从安全、经济和便于施工等方面考虑，下游坝坡1∶1.8，为解决施工及运行期的交通问题，在下游坡设8 m宽、纵坡为8%的“之”字形上坝路，则最大断面处下游综合坝坡为1∶2.23。为降低坝体填筑工程量，坝顶上游侧设2.2 m高“L”形C25钢筋混凝土防浪墙。沥青混凝土心墙顶部厚度0.4 m，底部厚度1.0 m，心墙底部通过混凝土基座与坝基混凝土防渗墙连接，心墙上下游各设置水平宽度3 m的过渡层。

2.2 坝料设计

2.2.1 坝壳料

坝壳料料场位于头道沟出沟口以下现代河床，距坝址4.0～5.0 km。坝体填筑时，为了施工方便和节约投资并满足稳定的要求，坝体均不进行分区填筑，而是采用统一的砂砾石标准，相对密度不小于0.85。为充分利用建筑物石方爆破料，同时考虑下游排水，在下游坝体1 733.5 m高程以下采用建筑物石方爆破开挖料填筑，填筑标准为：孔隙率小于22%。该坝壳料最大粒径在20 cm左右，粒径较细，经现场碾压试验确定，选择SR22MP振动压路机械采用低速2.55 km/h（1档中油门）碾压，铺料60 cm，碾压10遍，相对密度Dr=0.92＞0.85，能满足设计相对密度控制指标，沉降率也趋于稳定。

2.2.2 过渡料

沥青混凝土心墙与坝壳料是两种不同性质的材料,它们之间需设置过渡层,过渡层的作用是在坝体和心墙之间均匀传递应力和协调变形，为裂缝的愈合提供必要的条件，减少和缓解渗透变形的发生和起反滤作用。头道沟水库大坝沥青混凝土心墙过渡层上、下游宽度均为3.0 m，均选用坚硬、耐风化的砂砾石料。根据规范，浇筑式沥青混凝土心墙坝对过渡料的要求为：过渡层料应具有连续的级配，最大粒径不宜大于60 mm，小于5 mm的含量宜为25%～35%，小于0.075 mm的含量不宜大于5%。

选择的过渡层料料场颗分结果为：小于0.075 mm的含量为9%左右，大于5%。控制小于5 mm及小于0.075 mm含量的目的在于提高过渡层的密实性和排水性，经对该过渡料的碾压和渗透实验结果显示：压实后相对密度大于0.85、压实后渗透系数K（4.4×10-3）＞1×10-3cm/s，实验结果表明该过渡料虽含泥量偏大，但能保证密实性和排水性，该料可以作为过渡料使用。

2.3 沥青混凝土心墙防渗体设计

2.3.1 心墙结构

坝体防渗结构为浇筑式沥青混凝土心墙，心墙轴线位于坝轴线上游，与坝轴线之间的距离为3.5 m，心墙顶高程1 765.22 m，心墙顶部距坝顶1.2 m。1 738 m高程以上部分心墙厚0.4 m，1 738 m高程以下部分心墙厚0.6 m，底部高程1 716.5 m，心墙底部通过2 m高的渐变扩大段与混凝土基座连接，连接处1.5 m厚，心墙与混凝土接触面设1.0 cm厚沥青玛蒂脂和一道止水铜片。

2.3.2 沥青混凝土材料

1）沥青。沥青选用中国石油克拉玛依石化公司生产的70号（A级）道路石油沥青，含蜡量低，在低温条件下抗裂性、抗老化性、变形性及与骨料的粘结性较优，质量稳定性好。

2）沥青混凝土矿料。骨料采用新疆哈密市出口宏安粉体材料厂生产的碱性骨料，粗骨料最大粒径选定为19 mm，粒径范围为19～9.5，9.5～4.75，4.75～2.36 mm；细骨料粒径小于2.36 mm；填料选用新疆哈密市出口宏安粉体材料厂生产矿粉。

3）配合比。通过对8种不同配合比进行试验对比，优选配合比的材料品种沥青为70号（A级）道路石油沥青，粗细骨料岩性为灰岩，填料为灰岩矿；级配参数最大骨料粒径19 mm，级配指数0.35，填料含量（小于0.075 mm）16%，油石比（沥青占矿料重）10.5%。

2.4 坝基防渗处理

坝基处理：坝轴线处河床覆盖层最大厚度为11.0 m，覆盖层的处理采用大开挖，开挖边坡为：上游1∶1.75、下游1∶1.5。开挖后浇筑灌浆盖板，灌浆盖板混凝土标号为：C25F300W8，灌浆盖板河床段厚2.5 m、岸坡段厚1.1 m，底宽6.6 m。灌浆盖板与基岩连接设锚杆，锚杆采用水泥砂浆锚杆，排拒1.5 m，采用梅花形布置，锚杆应垂直基岩面布置。锚杆采用Ⅱ级钢筋，直径为φ20，锚杆单根长5.5 m，锚入岩石4 m，伸入灌浆盖板混凝土0.5 m，锚杆上端采用90°弯钩，弯钩长度1.0 m，弯钩应顺坡向上弯。沥青混凝土心墙与灌浆盖板直接相连，灌浆盖板与沥青混凝土心墙接缝处设紫铜片止水。对表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆，其目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌浆的灌浆效果。固结灌浆两排，孔距为2 m，排距为3 m，灌浆深度为10 m；帷幕灌浆两排，排距1.5 m、孔距2.0 m，1 750 m高程以下灌浆深度伸入岩体透水率小于0.05 L（min·m·m）区域，1 750 m高程以上灌浆深度伸入岩体透水率小于0.1 L（min·m·m）区域。

防渗体由沥青混凝土心墙和由固结灌浆、帷幕灌浆处理后的稳定基岩组成，封闭渗流通道，形成完整的防渗体系。

3 计算分析

3.1 渗流计算

3.1.1 基本参数

河床覆盖层地层岩性为卵、砾石组成，据钻孔资料该层最大厚11 m，根据试验资料该层最大干密度2.17～2.24 g/cm3，最小干密度1.66～1.75 g/cm3，渗透系数1.7×10-3～6.2×10-3cm/s。

根据试验资料坝体填筑料最大干密度2.19～2.23 g/cm3，最小干密度1.65～1.71 g/cm3，渗透系数5.0×10-3～9.0×10-3cm/s。

其他土层：沥青混凝土心墙渗透系数1.00×10-7cm/s，固结、帷幕灌浆渗透系数1.00×10-5cm/s，坝基基岩（10-20 L/（min·m·m））渗透系数1.5×10-4cm/s，坝基基岩（1 L（min·m·m））渗透系数1.00× 10-5cm/s。

3.1.2 计算方法及结果

由于河床宽度较窄，河床断面呈“U”型，选取河床处最大断面0+120进行单宽渗流量计算。渗流计算采用北京理正软件设计研究所的《渗流分析软件》进行计算，计算方法为有限元法，经对坝体0+120断面的计算，单宽渗流量2.86 m3/d，河床段宽度40 m。

经计算平均渗透比降为0.02，后坝坡坡脚渗透比降为0.08，均小于允许渗透比降0.122，渗透稳定满足要求，不会发生渗透破坏。

3.2 坝坡稳定计算

拟定大坝上游坡为1∶2.25，下游坝坡为1∶1.8，综合坡度为1∶2.23，由于地质勘察报告确定坝址处地震烈度为7度（地震动峰值加速度采用0.15 g）。坝体稳定计算断面采用具有代表性的断面0+120断面（最大坝高处）。

坝体边坡稳定计算采用北京理正软件设计研究所的《边坡稳定分析软件》进行计算，计算采用瑞典圆弧法。依据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》，稳定计算工况如下：

1）施工期上、下游坝坡稳定计算；

2）稳定渗流期上、下游坝坡稳定计算；

3）水库水位降落期的上游坝坡稳定计算；

4）正常运用遇地震的上、下游坝坡稳定计算。

参数选用：坝体料容重21.1 kN/m3，饱和容重23.3 kN/m3，C=15 kPa，水下C=10 kPa，内摩擦角38°，水下内摩擦角36°；坝基料容重20.5 kN/m3，饱和容重22.9 kN/m3，C=15 kPa，水下C=10 kPa，内摩擦角38°，水下内摩擦角36°。

计算结果：施工期上游坝坡稳定计算最小安全系数为1.992，下游坝坡稳定计算最小安全系数为1.823；稳定渗流期上游坝坡稳定计算最小安全系数为1.445，下游坝坡稳定计算最小安全系数为1.765；水库水位降落期的上游坝坡稳定计算最小安全系数为1.459；正常运用遇地震的上游坝坡稳定计算最小安全系数为1.233，下游坝坡稳定计算最小安全系数1.565。经验算各种工况下坝坡稳定安全系数均满足要求。

［1］邓铭江，于海鸣.新疆坝工建设［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］孙荣博，鞠连义，刘清利.尼尔基水利枢纽工程主坝沥青混凝土心墙设计［C］.2002年水工专委会学术交流会议学术论文集，2002.

［3］马智法，胡国兴，郭洪娟，等.碾压式沥青混凝土防渗心墙施工质量控制要点［J］.东北水利水电，2009(5).

［4］丁朴荣.水工沥青混凝土材料选择与配合比设计［M］.北京：水利水电出版社，1990.

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