沥青混凝土心墙土石坝在洞塘水库中的应用

沥青混凝土心墙土石坝在洞塘水库中的应用

1设计灌溉型洞塘水库位于重庆乾江区阿隆江支流的上游，距乾江市7公里，控制雨面积27.6公里。水库总面积为1210104m3104m3。它是一个以农业灌溉和城市供水为重点的中型节水工程。它与防洪和旅游等综合用途相辅相成。设计建筑面积为5.19104.14亿株。经多种坝型比较和研究,采用碾压式沥青混凝土心墙土石坝,最大坝高48.0m。该工程于1996年8月由四川省水利厅审查立项,1997年7月开工,2000年7月完工,2003年12月竣工,是西南地区建成的第一座碾压式沥青混凝土心墙土石坝。洞塘水库建成后,在黔江农业灌溉、城乡供水、城市防洪等方面效益显著,促进了黔江经济的发展。2上、微观岩相特征坝址河谷开阔,呈“U”型,谷底宽43.0m～57.0m。河床左、右侧分布堆积阶地,宽15.0m～45.0m,高出河床1.8m～2.2m。两岸谷坡较对称,冲沟发育,切割较深,将岸坡分割成单薄山脊或山嘴。河床覆盖层厚15.4m～17.1m,上部为厚2.0m的粉质粘土,下部由厚13.4m～15.1m的卵砾石夹砂及分布不连续的粉质粘土薄层透镜体构成。卵砾石夹砂层以卵石、砾石为主,结构密实,属中等压缩性土,渗透系数5.86～9.05m/d,属弱——中等透水层。坝基岩体以页岩为主,夹薄-中厚层石英砂岩。石英砂岩质地坚硬,抗风化能力强,属坚硬岩石,但裂隙发育,完整性差。页岩呈薄层状结构,岩质软弱、抗风化能力差,属软岩石。坝基上部岩体透水率为5Lu～94Lu,属中等-强透水层,23.0m～25.0m以下岩体透水率小于5Lu,属弱透水层。两岸地形较陡,岸坡较高,风化、卸荷强烈,强卸荷带和左岸的卸荷蠕变体厚35.0m～40.0m,岩层平缓,但强风化带和卸荷带岩体稳定性差、透水性强,透水率为5Lu～556Lu,属中等-强透水层。3坝体防渗土料场坝址附近坝壳石渣料料源丰富,有磕头堡和马家梁子料场,距坝址0.5km,除表层1.0m～2.0m厚坡残积物外,有用层储量193.9104m3×104m3。岩体以页岩为主,夹薄层石英砂岩,该石渣料具有抗剪强度高、压缩变形低、渗透性强(渗透系数约0.2410-2m/d～1.90×102m/d)的特点,满足坝壳料的质量要求。施工时对石渣料场进行了优化,将右坝肩667.00m高程以上作为坝壳石渣料主料场。防渗土料分布于坝址上游两岸,共有12个产地,距坝址0.5km～2.0km,土料为黄褐色粘土夹砾石或粘土,粘粒含量41.7%～44.5%,渗透透系数1.4910-2m/d～5.79×10-2m/d,满足坝体防渗的质量要求,但储量较小,仅1.4104m3×104m3,不能满足坝体防渗料的用量。坝址附近河流冲积层为卵砾石夹砂,以页岩为主,岩质软弱,不能作为过渡料。而砂岩夹在页岩中,施工开采困难,不能作为堆石料。经比较,过渡料及堆石料主料场选在距坝址约10.5km的燕子钎,该料场为三叠系灰岩,基岩裸露,岩石坚硬致密,满足堆石料及反滤过渡料的质量要求。4坝型防渗材料选择可行性研究对混凝土重力坝和当地材料坝进行了研究,采用当地材料坝为代表坝型。初步设计根据坝址附近页岩石渣料丰富、天然防渗料(粘土)缺乏、堆石料运距远的特点,结合筑坝材料和沥青材料试验研究,在坝型比较中对坝壳料不再进行研究,而重点研究当地材料坝的防渗材料和防渗位置,因此坝型的比较,实际上就是防渗材料和防渗部位的比较。坝址处可布置沥青混凝土心墙、土工膜心墙土石坝和沥青混凝土面板、土工膜面板、混凝土面板土石坝等五种当地材料坝。五种坝型都采用软基建坝,覆盖层防渗采用混凝土防渗墙,基岩防渗采用帷幕灌浆,坝壳料采用就近开采的页岩石渣料;坝体断面设计也大致相同,只是面板坝的石渣料处于干区,上游坝坡比心墙坝略陡些。面板石渣坝建在覆盖层上,基础沉陷和坝体变形对面板的影响难以定性确定,而防渗系统能否正常工作,直接决定着面板坝的成败,在深厚覆盖层上选择面板石渣坝目前尚无把握,不宜作为推荐坝型。土工膜作为大坝防渗材料,在我国起步较晚,在理论研究、计算方法、参数选择、材料生产、试验手段、施工方法等方面还不成熟,其防渗可靠性和安全性尚无绝对把握,目前也不宜推荐。沥青混凝土具有防渗性能高、变形性能好、抗震能力强等优点,沥青混凝土心墙土石坝能很好地解决软基建坝、坝体防渗和筑坝材料问题,这种坝型在国内外已有不少成功的的经验,因此采用沥青混凝土心墙土石坝。5水库设计5.1坝体覆盖盖层设计沥青混凝土心墙土石坝布置在炭厂沟至唐家沟顺直河段,轴线距炭厂沟口约110.0m,最大坝高48.0m,坝顶宽7.0m。上游坝坡1〯2.25、1〯2.50、1〯2.75,在628.50m高程处设有宽22.75m、高7.50m、外边坡1〯2.75的石渣平台;下游坝坡1〯2.00、1〯2.25、1〯2.50,在647.00m高程处设有宽2.0m的马道,在627.00m高程处设有宽10.0m、高6.0m、外边坡1〯2.50的石渣平台。为了安全排出心墙渗水,防止沥青混凝土颗粒流失,协调沥青混凝土心墙和坝壳石渣料的应力和变形(因沥青混凝土和石渣料的变形模量相差较大),在沥青混凝土心墙和坝壳石渣料之间设有宽2.0m的过渡层,以起到心墙与坝壳之间的变形过渡作用,并为沥青混凝土心墙在后期出现渗漏需要进行灌浆处理时,心墙上游还提供一个级配良好的灌浆区。为降低下游坝体浸润线并排水通畅,在坝壳石渣料和基础覆盖层之间,沿621.00m高程铺设一层厚1.5m的过渡带与下游贴坡排水相接。坝基覆盖层由卵砾石夹砂及薄层粘土透镜体组成,经稳定分析计算,只须清除表层土,将大坝置于黄色砂砾石层上,即能满足大坝抗滑稳定及变形要求。沥青混凝土心墙土石坝设计剖面见图1。5.2凝土心墙基础施工大坝防渗系统由沥青混凝土心墙、基础水泥混凝土防渗墙与基岩灌浆帷幕组成。河床覆盖层防渗采用开挖基坑浇筑混凝土防渗墙,结合沥青混凝土心墙基座布置,防渗墙厚2.0m,最大深度17.0m,混凝土强度等级为C15,抗渗标号W6。两岸基岩及混凝土防渗墙以下基岩防渗采用帷幕灌浆。防渗轴线位于沥青混凝土心墙轴线下游0.45m处,布置两排帷幕孔,孔距2.0m,排距0.9m,深入基岩相对不透水层以下1.5m,两岸延伸至与正常蓄水位665.00m相接,帷幕防渗标准为检查孔压水试验透水率不大于5Lu。5.3水库材料设计5.3.1坝上地区马家梁子料市场大坝填筑石渣料主要采用右坝肩667.00m高程以上料场开采料及坝肩和溢洪道开挖料,不足部分再从紧靠溢洪道右侧的马家梁子料场开采。上游坝壳料位于水下,采用新鲜、弱风化页岩石渣料;下游坝壳料位于干燥区,强、弱风化页岩石渣料均可上坝;河床混凝土防渗墙两侧填筑料,采用强、弱风化页岩石渣料,主要设计控制参数见表1。5.3.2设置人工材料级配方案过渡料位于沥青混凝土心墙上、下游侧,要求质地坚硬,具有较高的抗水性和抗压强度(大于50Mpa),软化系数大于0.85,经试验论证,采用燕子钎灰岩人工料。为确保过渡层为沥青混凝土心墙两侧提供均匀的支撑,要求过渡料级配良好,最大粒径为沥青混凝土骨料最大粒径的6～8倍。为使下游过渡层排水通畅,其最大粒径不小于25mm,小于5mm粒径含量应控制在35%左右,主要设计控制参数见表1。6为沥青土心墙设计6.1适宜施工、机械施工的心墙沥青混凝土心墙根据施工方法的不同,有碾压式和浇筑式两种型式。碾压式沥青混凝土心墙的沥青含量较少,一般为沥青矿料总量的6.0%～7.5%,施工时须分层(一般为20cm厚)摊铺、振动压实,适宜于高坝及机械化施工,经验成熟,施工速度快,这种心墙是目前国际上流行的基本类型。浇筑式沥青混凝土心墙的沥青含量教多,一般为矿料总量的10.0%～16.0%,施工时须分层立模,浇筑厚度较大,稍加插捣即可,墙体依靠自重流变密实,无须振动压实,所用沥青的要求也可降低,一般适宜于低坝及在寒冷地区人工施工条件下,我国北方寒冷地区修建有多座这类心墙坝。洞塘水库坝址多年平均气温15.4℃,最大坝高45.0m,沥青混凝土填筑约0.25×104m3,沥青运距较远(约2000Km),因此采用沥青含量少、适宜于机械化施工的碾压式沥青混凝土心墙。6.2斜心墙与垂直心墙的适应性沥青混凝土心墙是一个薄璧柔性结构,本身的变形由坝壳决定,对坝体的变形影响较小,但对心墙两侧坝体应力分布有较大的影响。沥青混凝土心墙防渗结构有垂直心墙、斜心墙及垂直心墙上接斜心墙等三种结构型式。垂直心墙具有最小的防渗面积,所需的沥青混凝土用量较少,在坝基与坝壳沉陷较大的情况下,垂直心墙有较好的适应性。但沥青混凝土本身不宜承受较大的垂直荷载,一般适宜于中低坝。斜心墙下游可以较陡,以节省沥青混凝土用量,但斜心墙比垂直心墙的断面会增大,沥青混凝土用量较大。而斜心墙对于岸坡较缓、透水性强、坝基覆盖层较深的情况,与周边防渗结构的连接相对较困难,与垂直心墙相比会出现更大的剪切应变。同时,斜心墙在施工控制方面,需要进行错层处理,比垂直心墙要复杂一些。垂直心墙上接斜心墙是沥青混凝土垂直心墙与斜心墙组合结构的一种最简单的组合形式,它综合了二者的优点,也克服了二者本身的缺陷。就沥青混凝土心墙防渗结构本身而言,三种心墙结构型式都能满足坝体防渗要求。垂直布置的沥青混凝土心墙土石坝,在国内外已有许多成功的经验,可以保证工程安全运行。结合坝址岸坡较缓、透水性强、坝基覆盖层较深的特点,选择防渗面积小、适应坝基与坝壳变形能力强的垂直沥青混凝土心墙。6.3心墙厚度设计沥青混凝土心墙在土石坝中的首要任务是坝体防渗,但也要保证在坝壳填料的挤压作用下不会造成心墙沥青混凝土的破坏和在坝壳填料的支撑下不至产生大的应力集中和变形。沥青混凝土心墙的厚度应该在一个适宜的范围,不宜太厚,否则将会影响心墙的应力应变状态,使沥青混凝土产生裂缝破坏;也不宜太薄,否则将会影响心墙自身的稳定,导致沥青混凝土在坝壳填料的挤压作用下产生破坏。沥青混凝土心墙厚度目前尚无成规可循,一般根据应力应变条件和参照已成工程经验确定。许多工程采用底部较厚、顶部较薄的布置形式。心墙顶部最小厚度按构造和施工需要,以不小于50cm为宜;心墙底部最小厚度,对于100m以内的坝,可按1/100坝高估计。洞塘水库坝高48.0m,按上述经验,心墙顶部厚度取50cm,底部厚度也取50cm,心墙按等厚布置。为保证沥青混凝土心墙底部与水泥混凝土基础的有效连接,适应心墙变形,在沥青混凝土心墙底部设置渐变扩大段,以扩大心墙沥青混凝土同基础水泥混凝土的接触面。河床段沥青心墙置于混凝土防渗墙上,在距防渗墙顶部1.05m处心墙开始向下呈梯形由厚0.5m渐变至厚1.0m。岸坡段沥青心墙置于混凝土基座上,在距混凝土基座1.0m处心墙厚度由0.5m按1:0.25向基座渐变至1.0m。6.4沥青混凝土心墙轴线沥青混凝土心墙轴线一般布置于土石坝中心线上,根据坝基混凝土防渗墙、基岩帷幕灌浆的布置要求,沥青混凝土心墙轴线位于坝轴线上游1.25m处,与大坝防渗轴线重合,采用直线形布置,长145.5m。6.5心墙与周边建筑物的连接沥青混凝土心墙同周边建筑物的连接是坝体防渗系统的关键部位。为保证沥青心墙同周边建筑物的有效连接,适应心墙变形,沥青混凝土浇筑在水泥混凝土基座上应设置渐变扩大段,以扩大沥青混凝土心墙同周边刚性建筑物的接触面。6.5.1沥青混凝土浇筑河床段混凝土防渗墙顶部沿心墙轴线设宽0.2m、深0.2m的齿槽,槽内设一道“Z”字型止水铜片。为增加沥青混凝土与水泥混凝土间的粘附性和防渗性能,在墙顶及齿槽内先涂刷一层厚1cm的沥青胶(冷底子油),而后在齿槽内和墙顶填厚5cm的沥青玛蹄脂,并将墙顶部包裹起来,再浇筑沥青混凝土。沥青混凝土心墙与混凝土防渗墙和基座的连接见图2～图3。6.5.2岸坡混凝土2.5左岸坡坝段混凝土基座外边坡1〯1.00,右岸坡坝段混凝土基座外边坡1〯0.75。岸坡混凝土基座顶部宽2.0m,基座混凝土顶面沿心墙轴线设半径0.707m的弧形凹槽,槽宽1.0m、深0.25m,槽内设一道“Z”字型止水铜片。沥青混凝土心墙与岸坡混凝土基座的连接见图4。6.5.3心墙与沥青混凝土心墙的结合坝顶设有钢筋混凝土防浪墙,并兼作挡水建筑物的一部分,为了确保防浪墙和沥青混凝土心墙紧密结合,防浪墙趾板伸入沥青混凝土心墙内0.25m,在趾板顶部表面涂刷一层厚1cm的沥青胶,而后在表面填一层厚5cm的沥青玛蹄脂,再浇筑沥青混凝土。沥青混凝土心墙与混凝土防浪墙的连接见图5。6.6设计沥青混凝土材料6.6.1沥青混凝土心墙与两侧坝体的组合心墙沥青混凝土的主要任务是防渗,要求压实后的沥青混凝土应满足孔隙率为2%～4%、渗透系数不大于8.64×10-5m/d、水稳定系数不小于0.85;同时,心墙还必须承受自重和外部荷载的作用,具有一定的强度、柔性和耐久性,并能适应坝体的变形,满足坝体应力、应变要求。通过配合比设计和试验研究,将沥青混凝土的各项指标调整到最适宜的范围,使得沥青混凝土心墙与两侧坝壳料传力均匀、变形协调,既不在心墙和过渡层中产生过低的垂直压应力区,又不让心墙承受较高的竖向压力,保持良好的工作状态。沥青混凝土主要设计参数见表2。6.6.2混合沥青土材料的选择矿料级配曲线沥青混凝土矿料包括粗骨料、细骨料和填料,矿料级配要求严格,需通过室内及现场试验不断进行调整。合成的矿料级配曲线和要求的矿料级配曲线难以完全一致,特别是在粒径小于5mm以下的合成级配,可能存在较大的偏差。为使合成的矿料级配曲线与试验确定的矿料级配曲线尽可能相近,须经多次反复试验论证。粗骨料采用碱性人工骨料,由燕子钎灰岩加工而成,粒径为20mm～5mm、5mm～2.5mm两级。细骨料采用碱性人工砂,由燕子钎灰岩加工而成,粒径2.5mm～0.074mm。填料在沥青混凝土矿料中仅占14%左右,但对沥青混凝土的性能影响较大,填料采用石灰岩磨制的矿粉,粒径<0.074mm。沥青混凝土矿料的主要技术参数见表3～5。沥青的产生和推广沥青应符合我国高等级道路石油沥青标准,并应满足大坝防渗对沥青的要求。经过试验论证,选用甘肃兰州炼油厂生产的“AH—70”号重交通道路石油沥青。沥青主要技术参数见表6。6.6.3心墙心墙结构参数优化沥青混凝土防渗技术在我国还处于发展阶段,行业规程规范还不够完备,缺少水工沥青定型产品及沥青混凝土专用施工机械,因此沥青混凝土配合比及碾压试验研究显得尤为重要。最初试验中,由于试验标准不统一、经验不足、施工中多方交叉,曾出现了骨料料源混杂、配合比不稳定、操作不规范等现象,随着研究的不断深入,这些问题都逐步得到解决。沥青混凝土材料选择、配合比设计、物理力学性能研究、现场摊铺试验和现场碾压试验是沥青混凝土心墙正式施工前的几个关键环节。沥青混凝土主要研究其防渗性、施工特性以及满足应力应变要求的力学性能。试验内容包括马歇尔试验、渗透试验、单轴抗压、抗拉、抗弯和三轴剪切试验等。根据坝址的气温、水温、地温、坝高、坝壳料性能、施工和蓄水速度(加载速度)、配料精度等条件,进行沥青混凝土配合比研究。当地的多年平均气温15.4℃,年平均水温、地温与气温基本接近,沥青混凝土心墙建成后,长年置于坝内,且一面临水,其稳定温度接近当地年平均气温,以此选择沥青混凝土配合比。室内试验时拟定了多种配合比,针对不同的矿料级配指数、沥青含量、试验温度和试件成型方法等进行试验,寻找规律,以求得到能比较真实地反映心墙施工过程及运行期受力变形状态的试验方法和满足结构要求的配合比。在沥青混凝土心墙正式施工前,进行了现场摊铺生产性试验,对施工布置、施工机械设备及性能、施工工艺、施工质量控制标准和检测方法等都进行了试验研究,以验证室内试验成果的合理性,并调整优化沥青配合比参数。现场摊铺试验的沥青混凝土配合比见表7。经多次现场摊铺试验,沥青混凝土配合比参数调整为细骨料率37%,沥青含量6.2%,矿粉含量14%,骨料最大粒径20mm,筛分成20mm～5mm、5mm～0.074mm两级。正式施工的沥青混凝土配合比见表8。6.6.4沥青涂料配合比调制沥青涂料(冷底子油)是沥青与汽油、煤油或柴油配制的一种液体涂料,用于处理水泥混凝土表面,以增强沥青混凝土与水泥混凝土间的粘附性和防渗性能。要求调制的沥青涂料易于涂涮,渗透性强,易挥发,且干燥后与水泥混凝土粘结牢固。试验研究中曾进行过几种沥青涂料配合比调制,均能满足施工要求。施工时采用的配合比(重量比)为沥青(<100℃):汽油=1.0〯1.5,效果较好。6.6.5材料选择的影响沥青玛蹄脂由沥青、矿粉及砂配制而成,要求具有沥青混凝土的防渗性能。沥青玛蹄脂主要是结构物间接缝的胶结过渡材料,是处理渗漏的关键部位,必须保证其耐久性和抗渗性,要求配制的混合料应易于摊铺且不因沥青混凝土心墙作用其上而大量挤出。考虑到河砂是酸性材料,而玛蹄脂用砂必须是碱性材料,采用燕子钎灰岩人工砂,细度模数1.4～2.2。经试验论证,施工时采用的配合比(重量比)为沥青:填料:人工砂=1.0〯2.0〯1.5。7水库分析计算7.1来水单量和年渗漏量采用有限元法对坝体进行渗流分析计算。经计算,坝体单宽渗漏量约0.1m3/d·m,平均渗漏量约为10.38m3/d,仅为多年平均日来水量的0.04%,年渗漏量约为0.39×104m3,占水库总库容的0.03%。计算结果表明,沥青混凝土心墙、基础混凝土防渗墙和坝基帷幕灌浆构成了大坝完整的防渗系统,起到了良好的防渗作用,坝体渗漏量极小,浸润线的位置较低,大坝不存在渗漏和渗透稳定问题。7.2坝体沉降量的确定坝体材料为页岩石渣料,坝基为卵砾石夹砂覆盖层,坝体、坝基均为粗粒料,采用变形模量按分层总和法计算坝体最终沉降量。经计算,坝体最终沉降量0.35m,坝基最大沉降量0.27m。7.3坝体安全稳定计算坝体填筑料为页岩石渣料,国内采用这类材料作坝壳料的己建工程很少,因此采用了多种分析计算方法进行大坝稳定分析。在强度指标选择上,分别采用线性强度指标和非线性强度指标。稳定计算方法分别采用瑞典园弧法、简化毕肖普法和摩根斯顿法。坝坡稳定计算工况为施工期(竣工)的上、下游坝坡、稳定渗流期下游坝坡、水位降落期上游坝坡。根据筑坝材料和沥青材料试验研究成果,选取大坝稳定分析的物理力学参数见表9。为了确保坝体安全稳定,需要确定坝坡稳定系数,求解最小安全系数并确定最危险滑裂面。以河床段0+071.00断面作为计算典型断面,采用中国水利水电科学研究院陈祖煜教授编制的《土质边坡稳定分析程序(STAB)》进行坝坡稳定分析计算,用单形法自动搜索最小安全系数和最危险滑裂面。各种工况坝坡稳定计算最小安全系数见表10,临界滑裂面见图6～图7。计算结果表明,在各种工况下,沥青混凝土心墙土石坝满足大坝抗滑稳定要求,大坝能安全运行。7.4坝体基础覆盖层应力应变的应然状态沥青混凝土是粘弹性材料,在长期荷载作用下强度有不同程度的调整,其应力应变并不完全符合双曲线模型,考虑心墙沥青混凝土受温度和荷载共同作用时对粘性及塑性的影响,采用了粘弹性四元流体模型分析沥青混凝土心墙土石坝的应力应变状况。粘弹性四元流体模型的蠕变柔量J(t)为:J(t)ε(t)σ=1E1+1E2(1−e−E2η1t)+tη2J(t)ε(t)σ=1E1+1E2(1-e-E2η1t)+tη2坝壳石渣料、坝基覆盖层及沥青混凝土的计算模型参数见表11。水库蓄水到正常蓄水位时665.00m时坝体应力应变计算结果见表12和图8～图9。由图表可知,坝壳最大沉陷-24.9cm,蓄水后向下游的最大水平位移25.9cm,最大剪应力0.646MPa,最大剪应变6.81%,有6个单元的应力水平大于1。沥青混凝土心墙最