高坪水庫瀝青混凝土心墻石渣壩初步設(shè)計研究

辛立平

(重慶水利電力建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，重慶，401120)

1 工程概況

高坪水庫工程位于重慶市黔江區(qū)黑溪鎮(zhèn)互助村的黑溪溝右岸支流紙廠溝與汪家河溝匯合口下游約50m處，是一座具有場鎮(zhèn)供水、農(nóng)村飲水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合開發(fā)利用的小(1)型水利工程。大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，最大壩高39.4m，正常蓄水位526.0m，相應(yīng)庫容133.0萬m3，調(diào)節(jié)庫容123.1萬m3；設(shè)計洪水位526.0m，相應(yīng)總庫容133.0萬m3；校核洪水位526.31m時，相應(yīng)總庫容136.3萬m3，工程設(shè)計灌溉面積336hm2。

該瀝青混凝土心墻石渣壩心墻中心線位于壩軸線上游1.90m，心墻頂部高程526.90m，高于校核水位0.59m。心墻底部最低高程488.00m，心墻最大高度38.90m，心墻寬度0.5m。欄桿基座底部高程為526.60m，頂部高程為527.60m，心墻與欄桿基座之間設(shè)置伸縮沉降縫，縫寬20mm，采用銅片止水相連，縫內(nèi)填聚乙烯閉孔泡沫板，表面2cm采用雙組份聚硫密封膏密封。心墻與河床段周邊建筑物連接的2m范圍內(nèi)為心墻擴大段，與左岸周邊建筑物連接的4.0m范圍內(nèi)為心墻擴大段，與右岸周邊建筑物連接的2.64m范圍內(nèi)為心墻擴大段，以延長結(jié)合面的滲徑。心墻上、下游各設(shè)2.0m厚灰?guī)r過渡層，上游壩體石渣料采用從料場開挖的弱風(fēng)化頁巖石渣料填筑，下游壩體石渣料采用基礎(chǔ)開挖及鵝兒坪頁巖石渣料場。壩體下游河床部位布置2.0m厚的級配灰?guī)r排水體與下游灰?guī)r塊石排水棱體相接。

心墻下部設(shè)C25鋼筋混凝土心墻基座，高3.0m，頂部寬8.0m，底部寬5.0m。心墻與基座及剛性建筑物連接處的表面鑿毛，噴涂0.2kg/m2陽離子乳化瀝青，待充分干燥后，涂一層厚度為2cm的砂質(zhì)瀝青瑪蹄脂。瀝青混凝土心墻與混凝土基座連接時設(shè)置雙層銅片止水，止水銅片上涂刷瀝青涂料。為形成封閉的防滲帷幕，左右壩肩沿原地面線設(shè)帷幕灌漿，帷幕灌漿深度深入相對不透水層(5Lu)以下5m。大壩壩基采用單排帷幕灌漿，孔距為2.0m。同時沿混凝土基座與基巖接觸面進行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿布置2排，排距2.0m，間距2.0m，深入基巖5.0m。

2 壩坡穩(wěn)定計算

按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》SL 274-2020第5.2.1條規(guī)定：壩坡應(yīng)根據(jù)壩型、壩高、壩的等級、壩體和壩基材料的性質(zhì)，壩所承受的荷載以及施工和運行條件等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較確定。對瀝青混凝土心墻壩的壩坡，可參照已建壩的經(jīng)驗或近似方法初步擬定，最終由穩(wěn)定計算確定。

2.1 壩坡設(shè)計

本工程的筑壩材料主要為上游Ⅰ區(qū)(弱風(fēng)化頁巖石渣料)、下游Ⅱ區(qū)(弱風(fēng)化頁巖石渣料)、Ⅲ區(qū)(強風(fēng)化頁巖石渣料)和Ⅳ區(qū)(棄渣料填筑)。最大壩高為39.40m，防滲體為瀝青混凝土心墻，根據(jù)同類工程類比并結(jié)合計算確定，上、下游壩坡均為1∶2.5。

上游壩坡在高程510.00m處設(shè)置一條2.0m寬的馬道，上游壩坡采用C20預(yù)制混凝土塊護坡。大壩下游壩坡為1∶2.5，樁號壩橫0+077.45m至左岸上壩公路樁號K0+128.00m范圍內(nèi)，在下游壩坡外側(cè)采用棄渣回填，回填坡比1∶2.5。在高程507.50m、493.00m各設(shè)置一條馬道，馬道寬2.0m。下游坡面在高程493.00m以上采用C25混凝土框格植草護坡。493.00m高程下部為砂巖塊石排水棱體，排水體頂寬2.0m，內(nèi)坡坡比1∶1.5，外坡坡比1∶2.5。排水棱體下游側(cè)采用棄渣平場至高程490.00m。大壩計算典型斷面如圖1所示。

圖1 大壩穩(wěn)定計算典型斷面

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，提出本工程壩體填筑材料技術(shù)要求如表1，下階段應(yīng)采取現(xiàn)場碾壓試驗確定壩體填筑標準和壓實采用的參數(shù)(碾壓設(shè)備型號、振動頻率及重量、行進速度、鋪填厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等)。

表1 壩體填料技術(shù)要求

2.2 壩坡穩(wěn)定分析

2.2.1 計算方法

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)和《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386-2007)的規(guī)定進行邊坡穩(wěn)定分析。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)8.3.9條“對于有軟弱夾層、薄斜墻、薄心墻壩的壩坡穩(wěn)定分析及任何壩型，可采用滿足力和力矩平衡的摩根斯頓-普賴斯(Morgenstern-Price)等方法”。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL386-2007)5.2條“對于土質(zhì)邊坡和呈碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡，當滑動面呈圓弧形時，宜采用簡化畢肖普(Simplified Bishop)法和摩根斯頓-普賴斯法(Morgenstern-Price)進行抗滑穩(wěn)定計算”。本次設(shè)計同時采用簡化畢肖普(Simplified Bishop)法。計算程序采用土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)AutoBank6.1。

2.2.2 計算工況

壩區(qū)地震基本烈度為6度，在50年使用期、超越概率為10%、重現(xiàn)期為500年時，地震動峰值加速度為0.05g。按《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(SL 203-97)，可不進行抗震計算。本次計算工況選取如下：

(1)正常運用條件

①穩(wěn)定滲流期，計算上、下游壩坡，水庫水位處于526.00m～504.30m之間的各種水位的穩(wěn)定滲流期；

②庫水位降落期，計算上游壩坡，水庫水位處于526.00m～504.30m之間經(jīng)常性的正常降落。

(2)非常運用條件

①竣工期，計算上、下游壩坡；

②校核洪水位穩(wěn)定滲流期，計算上、下游壩坡，水庫水位在526.31m時的穩(wěn)定滲流期；

③庫水位非常降落期，計算上游邊坡，自校核洪水位526.31m降落，降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等。

2.2.3 計算參數(shù)

根據(jù)地勘提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值，結(jié)合重慶地區(qū)已建水庫(瀝青混凝土心墻堆石壩)的經(jīng)驗，確定材料計算參數(shù)見表2。施工期、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期采用固結(jié)排水的有效應(yīng)力強度指標。

表2 填筑料物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計值

表3壩坡穩(wěn)定分析計算成果(壩后無棄渣段)運用條件計算工況坡面簡化畢肖普法摩根斯頓-普賴斯法計算值允許值計算值允許值正常運用條件穩(wěn)定滲流期庫水位降落期上游坡1.8421.251.8401.25下游坡1.5851.251.5841.25上游坡1.2881.251.2891.25非常運用條件竣工期校核洪水位穩(wěn)定滲流期庫水位非常降落期上游坡1.9181.151.9161.15下游坡1.6051.151.6041.15上游坡1.8471.151.8451.15下游坡1.5851.151.5841.15上游坡1.2421.151.2441.15 表4壩坡穩(wěn)定分析計算成果表(壩后有棄渣段)運用條件計算工況坡面簡化畢肖普法摩根斯頓-普賴斯法計算值允許值計算值允許值正常運用條件穩(wěn)定滲流期庫水位降落期上游坡1.8421.251.8401.25下游坡1.4841.251.4841.25上游坡1.2881.251.2891.25非常運用條件竣工期校核洪水位穩(wěn)定滲流期庫水位非常降落期上游坡1.9181.151.9161.15下游坡1.4841.151.4841.15上游坡1.8471.151.8451.15下游坡1.4841.151.4841.15上游坡1.2421.151.2441.15

表5壩坡穩(wěn)定分析計算成果(棄渣)運用條件計算工況坡面簡化畢肖普法摩根斯頓-普賴斯法計算值允許值計算值允許值非常運用條件竣工期棄渣填筑邊坡1.3711.151.3711.15 (1)壩后無棄渣在各設(shè)計工況下壩坡均是穩(wěn)定的,計算成果見圖2:

2.2.4 計算成果及分析

壩坡穩(wěn)定分析計算成果見表3-表5。

(a)穩(wěn)定滲流期

(b)庫水位降落期

(c)竣工期

(d)校核洪水位穩(wěn)定滲流期

(e)庫水位非常降落期

(2)壩后有棄渣在各設(shè)計工況下壩坡均是穩(wěn)定的，計算成果見圖3：

(a)穩(wěn)定滲流期

(b)庫水位降落期

(c)竣工期

(d)校核洪水位穩(wěn)定滲流期

(3)壩后棄渣在竣工設(shè)計工況下壩坡均是穩(wěn)定的，計算成果見圖4：

圖4 新渣在竣工期的壩坡穩(wěn)定計算成果

3 結(jié)論

文章從壩坡穩(wěn)定分析證明壩體設(shè)計邊坡和材料分區(qū)及材料設(shè)計力學(xué)參數(shù)是合理的，壩體是安全可靠的。