西藏拉洛水利枢纽工程沥青混凝土心墙坝高细粒含量过渡料应用研究

2022-11-23郑光俊

水利水电快报 2022年11期

郑光俊，张伟，刘磊

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010； 2.长江科学院土工研究所，湖北武汉 430010)

0 引言

根据SL 501-2010 《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》及国内相关研究[1-2]，沥青混凝土心墙两侧与坝壳之间应设置过渡层；过渡材料颗粒级配宜连续，最大粒径不宜超过80 mm，小于5 mm粒径的含量宜为25%～40%，小于0.075 mm粒径含量不宜超过5%；过渡层应满足心墙与坝壳料之间变形过渡要求，且具有良好的排水性和渗透稳定性。沥青混凝土心墙的变形模量较小，对于堆石坝来说，坝壳料的变形模量大，通过设置过渡层使变形模量介于心墙和坝壳之间，使心墙、过渡层、坝壳料的变形平缓过渡[3-4]。拉洛水利枢纽工程坝壳采用天然砂砾石，变形过渡问题不如堆石坝突出。合理限制5 mm、0.075 mm颗粒含量，有利于提高过渡层的排水性。

在拉洛水利枢纽工程大坝心墙两侧各设置一层厚3 m的过渡料，因料场细粒含量偏高，不能通过天然砂砾石料简单加工得到满足设计[5]及规范要求(小于5 mm含量为25%～40%)的填料。对此考虑对粗粒含量进行调整。调整方法主要有破碎掺配法与P5含量调整法，但会大幅增加工程投资，影响工程工期。从坝体渗透稳定、反滤过渡关系和应力变形等方面进行研究，考虑对现场细粒含量高的天然砂砾石料剔除80 mm的颗粒进行优化，作为大坝心墙两侧过渡料的可行方案。

1 工程概况

西藏拉洛水利枢纽及配套灌区工程是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲干流上的控制性工程，工程主要任务为灌溉，兼顾供水、发电和防洪，以及改善区域生态环境。工程包括拉洛水利枢纽工程和配套灌区工程，为大(2)型水利工程，包括沥青混凝土心墙坝、泄洪发电隧洞(兼顾导流)、溢洪道、拉洛水电站、鱼道、德罗引水发电系统等。拉洛水库总库容2.965亿m3，正常蓄水位4 298.0 m，设计灌溉面积30 260 hm2(45.39万亩)。大坝位于海拔高程4 300 m地区，高寒缺氧，典型断面见图1。

图1 大坝典型断面(尺寸单位：cm)Fig.1 Typical cross section of dam

2 坝体填料基本特性

2.1 沥青混凝土心墙

根据工程区的天然气候条件、室内配合比设计试验和现场摊铺碾压试验成果，大坝沥青混凝土采用克拉玛依70号(A级)道路石油沥青，含量6.6%～6.9%。

2.2 优化后的过渡料

过渡料采用雪日巴塘或塔曲料场开采的砂砾石合格料，剔除最大粒径80 mm以上颗粒的余料，小于5 mm粒径含量百分比为25%～55%，小于0.075 mm粒径含量百分比(含泥量)低于5%。过渡料压实后相对密度不小于0.75。过渡料设计级配曲线见图2和表1[6]。

表1 过渡料设计级配Tab.1 Design grading for transition material

图2 过渡料设计级配曲线Fig.2 Design grading curves of transition materials

采用现场高细粒含量过渡料上包线和平均线级配三轴试验，根据试验曲线整理的E-μ(B)模型参数和抗剪强度指标，坝壳料的抗剪强度指标黏聚力值在10～42 kPa，摩擦角值在37.2°～37.9°，抗剪强度指标良好。

2.3 其他主要填料

(1) 坝壳料。坝壳填筑料利用雪日巴唐料场、塔曲料场或坝址砂砾石覆盖层开挖的砂砾石合格料，填筑材料均为天然砂砾石，最大粒径为600 mm，小于5 mm粒径含量百分比不超过60%，小于0.075 mm粒径含量百分比(含泥量)低于8%，压实后相对密度为不小于0.75。

(2) 排水料。采用塔曲料场开采的砂砾石合格料，最大粒径为500 mm，小于5 mm粒径含量百分比为5%～15%，要求级配连续，小于0.075 mm粒径含量百分比(含泥量)低于5 %。压实后相对密度不小于0.75，渗透系数大于10-2cm/s数量级。

3 渗透稳定及反滤试验结果

依据SL 237-1999《土工试验规程》，现场取样开展大坝渗透稳定及反滤试验，掌握大坝砂砾石填筑料的渗透特性，为渗流计算分析提供参数。

3.1 渗透变形试验

通过渗透变形试验获得填筑料的渗透系数、临界或破坏比降、渗透破坏形式等成果。开展了坝壳料、过渡料、排水料、反滤料等上包线、下包线级配料的渗透变形试验。渗透变形试验均采用垂直试验方法，水流由下至上，对出口不进行保护。试验获得的填筑料渗透变形成果参见表2[6]。成果表明：因细粒含量偏高，坝壳料及过渡料上包线试样渗透破坏以流土破坏类型为主，下包线一般为过渡型。

表2 填筑料渗透变形试验结果Tab.2 Result of seepage deformation of filling materials

3.2 反滤试验

根据工程实际情况，开展了坝壳料/排水料、过渡料/排水料、反滤料/排水料的组合反滤试验。反滤试验中水流方向自下向上，下游面排水料为临空面。试验过程中，分别测量不同位置的水头，分析各层承担的比降，监测细颗粒的迁移和局部渗透比降的变化过程，同时还可观察下游面排水料样面状态。

试验结果表明：除个别组合供水不足、难以继续升压外，坝壳料、过渡料、反滤料在排水料保护条件下，能承担的水力比降超过15.0，且在排水料的滤土保护下，小于5 mm颗粒含量的下包线级配试样出现内部淤堵自愈，渗透性降低。被保护料即使发生渗透变形，细粒迁移对排水料的淤堵仍然有限。排水料均满足坝壳料、过渡料、反滤料的保土性、排水性要求，符合反滤准则。

4 大坝应力及变形计算

4.1 计算方法及模型

建立平面有限元模型进行大坝静力计算，坝体与覆盖层及下卧砂砾岩材料采用邓肯E-B双曲线模型，并模拟分层填筑与蓄水过程。有限元网格如图3所示。顺河向为X坐标，竖向为Z坐标，垂直于坝轴线从上游到下游规定为X坐标正向；沿坝体高程方向规定为Z坐标(Z为高程)正向。

图3 大坝应力及变形计算有限元网格Fig.3 Finite element mesh of dam stress and deformation calculation

考虑在沥青混凝土心墙与混凝土基座、筑坝材料之间存在接触相互作用，防渗墙与混凝土基座、过渡料之间设置了接触单元。

4.2 计算分级及工况

为模拟坝体填筑和蓄水过程，计算采用分级进行，共包括27级，第1级模拟地基(包括覆盖层及基岩)初始应力场，第2～6级模拟上游围堰填筑过程，第7级模拟廊道施工，第8～23级模拟坝体填筑过程，第24～27级模拟蓄水过程。考虑非线性效应，每级填筑步又分5个增量步加载。初始地应力场采用自重作用下的地应力场。坝体与心墙采用同步平层填筑，约4 m左右填筑一级。4级蓄水水位高程分别为4 268，4 279，4 288 m和4 298 m。

重点研究采用原设计方案满足设计规范的过渡料与采用现场优化为高细粒含量过渡料对坝体的影响。分完建期和蓄水期分别进行分析，对应的工况如下。

(1) 完建期。大坝上下游无水荷载，模拟上游围堰施工过程，然后分级模拟大坝施工过程，大坝从建基面最低高程均匀填筑，到设计坝高4 305 m。

(2) 蓄水期。大坝填筑完成后，分级模拟大坝上游蓄水至正常水位4 298.0 m高程，下游设计水位 4 260.51 m。

4.3 计算参数

沥青混凝土心墙与过渡料、混凝土基座之间的接触采用罚函数接触算法模拟。参考类似工程试验成果[7]，砂砾石料与沥青混凝土心墙之间摩擦系数取0.6。坝体各材料参数根据相关室内试验确定，见表3。

表3 坝体填料的计算参数Tab.3 Calculation parameters of dam fillings

4.4 结果分析

(1) 坝体应力及变形。不同计算工况下坝体变形及应力最大值统计参见表4。结果表明，过渡料优化后与优化前相比，除坝体沉降减小1.3 cm，坝体、沥青混凝土心墙、廊道结构的其余应力变形差异均较小，优化后过渡料的参数降低并不明显，且过渡料的填筑区域不大，对整个坝体的应力变形影响较小。

表4 坝体应力及变形最大值Tab.4 Maximum stress and deformation of dam body

(2) 沥青混凝土心墙应力及变形。表5为不同工况下心墙应力及变形最大值。过渡料优化后，心墙应力水平最大值为0.45，受力状态良好，不会发生剪切破坏；心墙沿顺河向位移最大值为6.0 cm，其挠跨比约为0.10%，不会发生挠曲破坏。

表5 心墙应力及变形最大值Tab.5 Maximum stress and deformation of core wall

(3) 抗水力劈裂。水力劈裂是指由于水压力的抬高，在岩体或土体中引起裂缝的一种物理现象。高心墙堆石坝的水力劈裂问题，是目前工程界普遍关注又亟待解决的关键问题之一。心墙在蓄水条件下是否发生水力劈裂，将直接关系到大坝安全与稳定。定义心墙上游面一排单元的墙前水压力与竖向应力的比值T，以判断水力劈裂发生的可能性：

(1)

式中：σz为单元竖向应力；γw为水的重度，kN/m3；H为单元离水面高度，m。T值越大，发生水力劈裂的可能性越大。图4为过渡料优化后蓄水期沥青混凝土心墙上游面水压力与竖向应力的比值。由图4可知，心墙上游面水压力与竖向应力的比值最大值为0.54，小于1，心墙不会发生水力劈裂。