刘士佳，孔彩粉，杨 健，刘海宇

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

沥青混凝土因防渗性能优、适应变形能力强、裂缝自愈等特点，逐渐受到重视和推广应用。碾压式沥青混凝土心墙具有良好的防渗性能和较强的适应变形的能力，能较好地适应基础和坝体不均匀沉降［1］。伴随着沥青混凝土施工摊铺技术的逐步完善，采用沥青混凝土心墙防渗的高土石坝越来越多，国内已建的最高沥青混凝土心墙堆石坝是冶勒大坝，最大坝高124.5m［2］，国外建成最高的沥青混凝土心墙坝是奥地利的Finsterntal坝，坝高149m，但其心墙高度仅为96m；挪威的Storglomvatn坝，坝高125m，心墙高度123m。目前已建的沥青混凝土心墙堆石坝坝高基本在150m以下，且现行技术标准规定的坝高适用范围也不超过150m，当坝高超过150m时，应作专门论证［3-5］。

本文介绍了去学173.2m高沥青混凝土心墙堆石坝设计，通过专门的技术论证，提出了适用于修筑超150m高沥青混凝土心墙堆石坝的技术方案，研究成果可供后续同类工程借鉴。

1 概述

1.1 工程概况

去学水电站位于定曲河（金沙江一级支流）最大支流硕曲河干流上，工程区处于四川省甘孜藏族自治州（以下简称甘孜州）得荣县境内，距得荣县城公路里程约50km，距云南省迪庆州香格里拉县公路里程约126km。电站采用混合式开发，坝址位于厂址上游约6.5km，是以发电为主，兼顾环境生态用水，发展旅游等综合效益的中型水电工程。水库正常蓄水位2330m，总库容1.326亿m3，电站总装机容量246MW。

电站于2014年1月31日完成截流，2016年12月31日大坝施工完成，2017年2月开始下闸蓄水，2017年7月30日，两台机组全部投产发电。

1.2 自然条件

硕曲河为定曲河支流，流域属高原山地气候，干湿季节分明，光照强度大，降水较少，坝址区多年平均年降水量330.6mm。多年平均气温为14.6℃；多年平均相对湿度46%；多年最大平均风速为16m/s。

电站坝址区属深切割的高山峡谷地形，河流比较顺直，总体流向为SW255°，与岩层走向斜交，属斜向谷。左岸地形总体坡度在65°以上，右岸呈现陡坡、缓坡相间的台阶形，基岩裸露，断面呈不对称的“V”字形。河床高程为2202～2206m，枯水期河水面宽度为24～73m，正常蓄水位高程河谷宽度为140～270m。坝址区岩性主要为中厚层～块状大理岩化细晶灰岩，矿物成分为方解石92.1%～100%、高岭石0%～7.9%。大理岩化细晶灰岩为区域性变质作用形成的浅变质岩，受变质作用影响岩石结构较松散易风化，但溶蚀性较差。坝址区岩溶类型属于河谷型，由于工程区年降雨量少，地下水的流动性弱，因此坝址区岩溶总体上不太发育。坝址区右岸山体内，溶蚀裂隙和岩溶管道发育，岩溶管道均为全充填型，充填物主要为灰白色钙质挥华物和紫红色泥质。第四系由崩坡积、洪积物及阶地物质组成，主要分布在缓坡、河床一带。河床全新统冲积层（Q4al）主要由灰～褐灰色砂卵砾石、局部为漂石组成，厚度约14～39m。坝址区地震基本烈度为Ⅷ度。坝址现场照片见图1。

图1 坝址现场照片Figure 1 Photo of dam site

2 沥青混凝土心墙堆石坝选择

去学水电站坝址处河谷狭窄、高陡，断面呈“V”字形，天然河谷宽高比为1.26。左坝肩2290m高程以上岩体风化、卸荷深度较大，喀斯特较发育，岩体力学条件较差。两坝肩地形陡峻，坝址区发育中等倾角及缓倾角裂隙，岩层为中等倾角，倾向下游，缓～中等倾角裂隙和卸荷裂隙及层面组合对开挖边坡稳定不利；左坝肩中上部、右坝肩下部发育有规模较大的溶洞，水平发育深度较大。卸荷带发育深度较深，对坝肩抗滑稳定影响大。对于地形条件而言，适合建设碾压混凝土拱坝，然而对于坝址区的地质条件而言，拱坝的两岸坝肩稳定问题突出。

钢筋混凝土面板堆石坝坝轴线附近两岸地形不对称，左岸地形陡峻、岩体完整，右岸坝肩下部相对较缓，卸荷裂隙、溶洞发育，岩体以碎裂结构为主；左坝肩地形陡峻，缓～中等倾角裂隙和卸荷裂隙及层面组合对开挖边坡稳定不利，人工高边坡稳定问题突出；左岸PD535平洞（高程2271m）揭示的为未充填溶洞，雨季洞口深22m以外有滴水现象，卸荷裂隙发育，右坝肩中下部喀斯特发育，存在规模较大、连通性好岩溶管道，对趾板防渗不利。

沥青混凝土心墙堆石坝适应性较强，对岩体力学指标要求不高，避免了河谷不对称、喀斯特防渗及人工开挖高边坡等不利地形地质条件。有效地减少了对自然边坡的人工干扰，不会形成人工开挖高边坡。沥青混凝土心墙防渗效果好，自愈能力和适应变形能力强，具有一定的技术优势。碾压式沥青混凝土心墙可与坝体堆石一起快速施工。因此，沥青混凝土心墙堆石坝对地质条件的适应性较好，推荐坝型为170m级的沥青混凝土心墙堆石坝［6］。

3 沥青混凝土心墙堆石坝设计

3.1 坝体分区设计

去学沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程为2334.2m，坝顶宽度为15.0m，坝顶轴线长度为220m，最大坝高173.2m，心墙高度132m。大坝上游坝坡为1:1.9，上游坝体与上游围堰结合。下游坝坡设置 “之”字形上坝公路，路面宽10.0m，路面之间坝坡为1:1.3，综合坡比为1:1.841。筑坝材料分区从上游到下游为：上游干砌石护坡、堆石Ⅰ区（碾压增模Ⅰ区）、上游过渡层Ⅱ区、上游过渡层Ⅰ区、沥青混凝土心墙（厚0.6～1.5m）、下游过渡层Ⅰ区、下游过渡层Ⅱ区、堆石Ⅱ区（碾压增模Ⅱ区）、堆石Ⅰ区、下游干砌石护坡。沥青混凝土心墙采用碾压式，可较好地适应工程区的干热气候条件。心墙顶部高程2333.0m，顶部厚0.6m，顶部高程以下按公式t＝0.6＋0.007×（2333－该处心墙截面高程）逐渐加厚。心墙上、下游坡比为1:0.0035。心墙底部设3.0m高的放大脚与上部心墙平顺连接，最大坝高剖面放大脚厚度从1.5m渐变为3.0m。坝体分区典型横剖面见图2。

图2 坝体典型横剖面图Figure 2 Typical cross section of dam1—干砌石护坡；2—堆石Ⅰ；3—碾压增模Ⅰ；4—过渡层Ⅰ； 5—过渡层Ⅱ；6—沥青混凝土心墙； 7—碾压增模Ⅱ；8—堆石Ⅱ

3.2 技术难点

电站坝址为非对称陡峻狭窄河谷，河谷宽高比1.26，河床左岸发育有基岩深槽。坝址区岩性为较软的大理岩化细晶灰岩，地层岩溶较发育，地震设防烈度较高，超高沥青混凝土心墙堆石坝设计难度大。

3.2.1 河床基础深槽处理

根据大坝心墙基础开挖揭露的实际地质情况，河床底部为下切强烈的深槽，坝轴线方向宽18m，深度32m。右岸上部开挖基础整体平顺，然而河床底部深槽与右岸岸坡开挖基础之间存在41m宽的岩基平台，两岸心墙基础开挖体型为：左岸由上到下开挖坡比依次为1:0.33、1:0.26；右岸开挖坡比由上到下依次为1:0.5、1:1.1、1:0.55、41m宽平台、1:0.32。

考虑到沥青混凝土力学性能的复杂性，工程界对心墙高度超过150m的沥青混凝土心墙堆石坝的安全性存在担忧；同时，考虑到河床深窄基坑施工难度大，为确保施工进度，研究确定维持现有右岸41m宽的基岩平台，不再进行爆破开挖。针对深窄、不对称的基础体型，右岸41m宽平台的存在致使基础开挖体型存在较大突变，对平台以及深槽附近心墙的受力极为不利，影响防渗安全。

为了解决基础开挖体型对心墙受力的不利影响，对多种工程措施进行了研究，经比较，确定采用高混凝土基座布置方案对基础开挖体型进行修正，形成了“高沥青混凝土心墙+高混凝土基座”的防渗结构，沥青混凝土心墙高度132.0m，混凝土基座高度32.0m。修正后的心墙基础体型平顺，改善了沥青心墙的工作性态，同时，有效降低沥青混凝土心墙高度至132m。根据三维有限元数值计算分析，心墙应力水平低于0.7，受力状态良好，处于结构安全状态。

3.2.2 陡峻边坡心墙接头结构研究

去学水电站坝址区属高陡不对称河谷地形，沥青混凝土心墙与混凝土基座接头的结构形式直接关系到大坝防渗系统的安全。为研究沥青混凝土心墙与基座接触部位的防渗安全性，开展了沥青混凝土心墙接头模型试验，对接头部位的沥青玛蹄脂、心墙与基座接触面的型式、心墙和基座是否设置铜止水等进行了试验研究，成果表明：在模拟运行工况中心墙接头部位可能的应力变形情况下，在接头部位设置沥青玛蹄脂，并采用弧面基座设置止水铜片，且沥青混凝土心墙下部局部放大，接头部位均未发生渗漏。

3.2.3 陡边坡沥青混凝土心墙变形协调性研究

去学水电站沥青混凝土心墙高度大，坝址处河谷狭窄，两岸边坡不对称，尤其左岸水泥混凝土基座边坡设计为1（垂直）:0.33（水平）。在大坝施工和运行过程中，沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位可能发生较大的剪切位移，影响心墙的防渗安全性，因此需要沥青混凝土心墙在陡边坡接头部位应具有较大的变形能力。

利用不同配合比沥青混凝土长期蠕变试验得出的蠕变稳定模量，采用简化的二维有限元计算方法计算分析沿左岸陡边坡改变心墙沥青混凝土配合比对心墙与基座的接头部位性能的影响。计算结果表明：调整左岸陡边坡心墙沥青混凝土的油石比，对基座附近心墙的变形和应力应变影响不大，主要体现在对剪切应变的影响，当油石比调整到7.4%时，剪切应变明显增大，当微调油石比至7.0%时，沥青混凝土的变形能力得到提高，而未引起过大的剪切应变，满足工程要求。

3.2.4 筑坝料分区原则研究

筑坝料分区设计按照当地材料坝就地、就近取材和挖填平衡原则，达到确保坝体安全、节省工程投资和加快工程进度的目的。考虑到去学超高沥青混凝土心墙堆石坝的结构功能、坝坡稳定、坝料强度、坝体渗透性、压缩性等方面的要求，上坝料利用纽巴雪料场开采的玄武质熔结角砾岩和枢纽区开挖的弱风化及微风化玄武质熔结角砾岩。玄武质熔结角砾岩饱和抗压强度116～125MPa，软化系数0.86，满足坝体填筑要求。

坝体各筑坝材料间应变形协调，尽可能减少坝体变形对沥青混凝土心墙的不利影响，同时兼顾坝料渗透反滤保护、结构功能要求。沥青混凝土心墙为高132m的柔性传力结构，为了控制其施工期、运行期的挠度变形，应特别注意心墙上下游过渡料、上下游堆石料填筑指标的设计。另外，去学坝址左岸岸坡陡峻，心墙及其与基座接触面的工作条件较差，为尽量减小该部位坝体变形量，改善心墙及其与基座接触面的工作条件，在左岸坝体陡于1:0.5的岸坡接触部位设置碾压增模区，提高坝料填筑指标，以减少陡边坡对坝体不均匀变形的不利影响，从而减少左岸心墙附近坝体的不均匀变形量，使坝体堆石模量呈梯度过渡。左岸碾压增模区顶部高程2305.00m，距离混凝土基座宽5.0m以1:0.5坡度，向右岸放坡；垂直坝轴线方向，分别向上下游以1:0.5坡度放坡至河床。去学大坝上坝料填筑设计指标见表1。

表1 坝体主要填料设计指标表Table 1 Design index of filled materials in dam

3.2.5 抗震措施

工程场地地震基本烈度为Ⅷ度。由于坝体高度大，河谷狭窄，两岸岸坡陡峻，为确保地震工况下坝体安全，减少震害影响，去学拦河坝采用了如下抗震措施：

（1）坝体分区：结合坝体应力变形及地形地质条件等特点，对坝体进行合理分区，采用级配和性能较好的石料填筑施工，并适当提高碾压标准。心墙为柔韧性好的沥青混凝土，适应振动和变形能力强，且具有裂缝自愈能力。

（2）坝顶安全超高：考虑地震涌浪高度，并结合工程实际情况及工程经验预留地震沉降，使坝顶高程满足地震时的超高要求，不发生库水漫顶。

（3）坝顶结构及坝坡：为提高地震时坝顶的整体性和稳定性，减少地震引起的永久变形，对坝顶宽度适当加大，取15.0m；坝体高程2305.0m以上，铺设双向聚丙烯土工格栅；上游坝坡在死水位2305.0m以下5.0m至坝顶高程范围，以及下游坝坡，均采用厚80cm的干砌块石护坡。

（4）沥青混凝土心墙：心墙与基座连接部位采用心墙厚度逐渐扩大的形式连接，接触面设沥青玛蹄脂和铜止水，以提高地震时的防渗性能。

（5）提高施工质量：施工中严格控制填筑层厚、碾压遍数、加水量等施工参数，做好过程控制，确保坝体碾压密实，减少地震沉陷。

表2 邓肯-张E-B模型计算参数表Table 2 Parameters of Duncan-Chang E-B model

4 坝体应力变形

4.1 有限元计算成果

坝体应力变形采用三维有限元法、邓肯E-B模型进行计算，模拟坝体分级填筑和蓄水加载过程。分别进行了静力和动力工况计算，模型主要计算参数见表2。

计算结果表明：

（1）竣工时，坝体大小主应力最大值分别为2.5MPa和0.95MPa，心墙内无拉应力；蓄水后坝体大小主应力最大值分别为2.2MPa和1.15MPa，心墙局部出现拉应力，最大值约-0.108MPa，小于沥青混凝土允许抗拉强度0.6MPa，心墙不会出现拉伸破坏。

（2）竣工期，坝体最大沉降99cm，占坝高的0.57%，最大沉降发生在坝体中下部。蓄水后坝体最大沉降较施工期有所增加，最大沉降为113cm，占最大坝高的0.65%。

（3）填筑期，心墙最大沉降106cm，蓄水期最大沉降118cm；最大顺河向水平位移17cm，位于心墙顶部。心墙最大挠跨比为1.7‰。心墙最大应力水平为0.48，位于左岸中部靠上游区域和心墙靠近底部区域，蓄水期增大至0.67，位于左岸中部靠上游区域。

（4）竣工期心墙与岸坡基座沿岸坡向最大错动位移为3.80cm，满蓄期增至4.12cm，最大值均位于左岸靠顶部区域。为了提高基座与心墙结合处的防渗安全，在错动位移较大的部位采取了加宽心墙的工程措施。

（5）动力时程法分析结果表明：加速度在坝体内总体反应不大，但在坝顶区和坝坡明显较大，表现出鞭梢效应。由于出现峰值加速度的作用时间较短，不至于对整个坝体的安全性造成较大危害。竖向最大永久位移26cm，发生在坝顶中部附近，约占坝高的0.15%，坝体在震后变形主要形式是震陷。

4.2 主要监测成果

根据坝型和坝体分区设计情况，对大坝进行了多断面和多高程的变形监测。截至目前，坝体堆石和心墙的主要变形情况如下：

（1）坝体沉降的最大值为72.6cm。

（2）根据心墙坝最大剖面（坝横0+70.00m）的阵列式位移计监测数据，自蓄水以来，心墙整体呈向下游位移，最大位移约9.0cm，位于2225～2235m高程之间。

（3）左右岸心墙与基座之间位错计的监测数据表明：左岸心墙与岸坡基座之间的错动位移最大值为5.2mm，位于2315m高程处。

以上监测成果表明：坝体沉降仅占最大坝高的0.42%；心墙向下游的位移9.0cm，小于计算值；沥青混凝土心墙与岸坡基座沿岸坡向错动位移5.2mm，远小于计算值。坝体及沥青混凝土心墙的变形值总体不大。

5 结束语

去学沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高173.2m，心墙最大高度132m，大坝和心墙高度均居世界同类工程之首。针对超高沥青混凝土心墙堆石坝坝体分区、陡边坡心墙变形协调性、心墙接头防渗结构、高沥青混凝土心墙坝抗震等关键技术，经方案比较分析、模型试验和三维数值计算等方法论证，提出解决措施并应用于去学大坝。电站蓄水运行两年多以来，大坝各项监测数据表明大坝处于安全运行状态［7］。去学170m级高沥青混凝土心墙堆石坝的建成使用，将使沥青混凝土心墙堆石坝这种优越的坝型得以进一步发展，相关技术成果也将推进我国沥青混凝土心墙堆石坝的技术进步，同时也可完善和补充相关的技术标准。