下坂地水库沥青混凝土心墙砂砾石坝及基础处理设计

杨西林 张忠东 黄 云

（陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710001）

1 工程概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔里木河水系叶尔羌河的支流塔什库尔干河中下游，地处喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县境内，距喀什市315km，距塔什库尔干县45km。下坂地水利枢纽工程，是以生态补水和春旱供水为主，结合发电的综合性水利枢纽工程。下坂地水库总库容8.67亿m3，调节库容6.93亿m3。电站总装机150MW，保证出力 35.9MW，年发电量 4.64亿 kW·h。下坂地水库是塔什库尔干河梯级规划中的龙头水库，工程建设对促进开发塔什库尔干河水能资源、缓解喀什、克州缺电、提高供电质量、促进当地经济发展具有十分重要的作用。

本工程属大（2）型Ⅱ等工程，枢纽建筑物由大坝、导流泄洪洞、引水发电洞及地下厂房等建筑物组成。拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，为2级建筑物，地震设计烈度为8度。大坝设计洪水标准为 100年一遇，校核洪水标准为5000年一遇。水库正常蓄水位2960.0m，死水位2915.0m，设计洪水位 2963.2m，校核洪水位2964.6m。

2 地质条件

下坂地水库在大地构造单元中位于西昆仑褶皱系中部，涉及帕米尔—喀喇昆仑—西昆仑抬升区、塔里木断陷和天山抬升区三个一级新构造单元，新构造变形强烈，地震活动水平较高。库坝区地震基本烈度为 8度，基岩峰值加速度为250.7g，地表峰值加速度为 0.309g，场地特征周期为0.30s。水库诱发地震烈度不超过库坝区地震基本烈度。

坝址区河谷呈“U”型，坝轴线处河床宽约310m。两岸边坡陡峻，基岩裸露，岩性主要为角闪黑云二长片麻岩。左岸山峰高程3400m，边坡坡度45～54°；右岸山峰高程4300m左右，边坡坡度70～80°。右坝肩边坡岩体风化卸荷程度较弱，左坝肩边坡岩体质量较差。坝基覆盖层最大厚度达 150m，成分复杂，变化较大，自下而上可分为冰碛层、砂层、软土层、冲洪积层和崩坡积层。

3 大坝设计

3.1 坝体剖面设计

大坝坝顶高程 2966m，大坝上游坡比为1:2.35，在高程2942m、2910m处分设两级马道，马道宽2m；下游坡比为1:2.15，在高程2940m、2910m处分设两级马道，马道宽2m。在上下游坝脚设置镇压层，顶部高程均为2910m，上游镇压层宽 40m，下游镇压层宽 60m。沥青混凝土心墙顶部厚度 0.6m，底部厚度 1.2m，心墙底部通过混凝土基座与坝基混凝土防渗墙连接。心墙下游设有施工、观测兼排水廊道，廊道高度 5m，宽度3.5m。心墙上下游各设置水平宽度3m的过渡层，下游过渡层后设置水平宽度 3m的竖向排水体与坝基水平排水体相连。

3.2 坝料设计

3.2.1 过渡料

过渡料选用坝址上游河漫滩砂砾石料，粒径小于0.1mm的颗粒含量为3%，5mm以下颗粒含量为33.55%，不均匀系数Cu=76.7，属不良级配砾，均匀性较好，渗透系数K=5.4×10-3cm/s。过渡料设计指标：相对密度大于0.75，最大粒径不超过80mm，小于5mm粒径含量不超过35%，小于0.075mm粒径含量不超过5%，渗透系数K＞1×10-3cm/s。

3.2.2 坝壳料

坝壳料选用砂砾石料和石方开挖利用料。砂砾石料场选用Ⅺ料场和ⅩⅣ料场，Ⅺ料场位于坝下游 2.5km，粒径一般为 1～50cm，大者 1.0～2.0m，粒径＞80mm的颗粒含量占51.3%，粒径2～80mm含量占37.22%，粒径小于0.1mm颗粒含量占 8.03%。抗剪强度φ=43～43.2°，渗透系数平均值为9.8×10-2cm/s。ⅩⅣ料场位于坝下游0.3km处，呈棱角状及次棱角状，含少量泥质，粒径一般以8～45cm为主，大者可达 1～4m，粒径大于80mm的颗粒占 33.8%，砾石含量为 31.5%，粒径小于0.1mm颗粒含量占7%，抗剪强度φ=38.5～44.4°，渗透系数平均值为8×10-2cm/s。

石方开挖利用料包括导流泄洪洞和引水发电洞的石方开挖料，洞渣料粒径大于 60mm的颗粒占 72.3%，粒径 2～60mm含量为 23.97%，抗剪强度φ=39.9～42.2°，渗透系数 k＞1×10-1cm/s。

砂砾石坝壳料设计指标：相对密度大于0.8，孔隙率 n＜22%，最大粒径不超过 800mm，小于5mm粒径含量不超过30%，小于0.075mm粒径含量不超过5%，渗透系数K＞1×10-2cm/s。

石方开挖利用料设计指标：孔隙率 n为20%～28%，最大粒径不超过800mm，小于5mm粒径含量不超过30%，渗透系数K＞1×10-2cm/s。

3.2.3 排水体

下游过渡层后设置的水平宽度 3m的竖向排水体由过渡料与混凝土骨料的筛余料掺配而成，掺配粒径为5mm以上的砾石，最大粒径150mm，过渡料与掺合料的比例为3:1，掺配后的排水体的渗透系数要求K＞1×10-2cm/s。水平排水体和排水棱体采用洞室开挖料填筑。

3.2.4 镇压层

镇压层采用岸坡开挖的崩坡积物填筑，崩坡积物以块碎石为主，属低压缩性土，内摩擦角φ=38.8～42.1°，渗透系数值 k=0.74×10-3～1.19×10-3cm/s，属中等透水，要求碾压后相对密度大于0.75。

3.3 沥青混凝土心墙防渗体设计

3.3.1 心墙结构

坝体防渗结构为碾压式沥青混凝土心墙，顶部高程2965m，厚度0.6m，底部高程2888m，底部与混凝土基座连接处为扩大段，心墙厚度由1.2m渐变为 2m。心墙与坝肩岸坡混凝土基座连接，连接部位心墙进行放大，接触面心墙厚度2.8～2.9m。心墙与混凝土接触面设 2cm厚沥青玛蒂脂和两道止水铜片。心墙与防浪墙之间设混凝土连接板，心墙混凝土连接板缝间埋设止水铜片，混凝土连接板与防浪墙缝间埋设橡胶止水。沥青混凝土心墙与基础及岸坡连接见图1，沥青混凝土心墙与防浪墙连接见图2。

图1 沥青混凝土心墙与基础及岸坡连接图

图2 沥青混凝土心墙与防浪墙连接图

3.3.2 沥青混凝土材料

（1）沥青。沥青混凝土心墙选用克拉玛依炼油厂生产的克拉玛依70#水工沥青，含蜡量低，在低温条件下抗裂性、抗老化性、变形性及与骨料的黏结性较优，质量稳定性好，在 25℃下延度为185cm，软化点50℃，针入度70（1/10mm）。

（2）粗骨料。坝址区大理岩是典型的碱性材料，对大理岩进行了沥青和骨料的黏附力试验、硫酸钠5次循环重量损失试验、吸水率试验、压碎率试验、抗热性试验。试验结果表明：黏附力大于4级，重量损失2.764%，吸水率0.397%，压碎率 14.86%，在 250～300℃温度下，加热 3小时，骨料无开裂分解。

（3）细骨料。需用的细骨料有人工砂、河砂和填料矿粉。大理岩人工砂和河砂质地坚硬，在加热过程中未出现开裂、分解等现象，级配良好。矿粉采用喀什水泥厂生产的石灰岩矿粉。

（4）配合比。通过对26种不同配合比进行试验对比，最终选用的沥青混凝土配合比见表1。

（5）沥青混凝土设计指标见表2。.

表1 沥青混凝土配合比

表2 沥青混凝土设计指标

4 坝基处理

4.1 基础防渗设计

坝基150余米深厚覆盖层的防渗处理，采用上部混凝土防渗墙下接砂砾石层帷幕灌浆方案。设计对不同墙深、墙厚、墙体材料、帷幕厚度、灌浆材料进行了专题研究，并进行了现场试验。综合防渗墙的应力应变、渗流控制、施工工效和工程投资等因素，确定防渗墙墙厚 1m，墙底高程2812m，岸坡段防渗墙嵌入基岩1.0m，防渗墙最大深度85m，下部设4排帷幕灌浆，与防渗墙的搭接长度10m。帷幕灌浆的顶部高程为2822m，底部深入不透水基岩深度 5～10m，最低高程2741m。墙体材料为 C25混凝土，抗压强度 R90≥25MPa，抗渗等级W8。帷幕灌浆材料为水泥黏土浆，设计要求帷幕渗透系数k＜1×10-4cm/s。

左岸防渗体与岸坡结合槽底宽取 5m，帷幕灌浆为3排孔，排距1m，孔距2m，两边1m处各布置 1排固结灌浆孔，孔距 2m，与帷幕灌浆孔结合布置为梅花形；右岸防渗体与岸坡结合槽底宽取4m，帷幕灌浆为1排孔，两边1.5m处各布置1排固结灌浆孔，孔距2 m。

左岸分别在2961m和2900m高程设置两层灌浆洞。2961m高程灌浆洞结合地质探洞布置，向山体延伸 132m，2900m高程灌浆洞向山体内延伸111m，帷幕灌浆深度 75～150m。右岸在坝顶设置一层灌浆洞，高程2966m，灌浆洞结合右岸上游交通洞布置，向山体延伸130m，灌浆深度30～110m。

4.2 坝基开挖

对坝基下伏的软黏土、淤泥质黏土、崩坡积物及左岸漫滩冲积砂砾石层全部进行开挖清除，河床开挖高程2888m，左岸上游由于软黏土层埋藏较深，局部开挖至2875m高程。

4.3 基础加固

河床段冲积砂砾石层埋藏较深，开挖难度大，设计开挖至地下水位后，采用振冲碎石桩加固的处理措施。桩距 3m等边三角形布置，选用125kW振冲器，振冲最大深度 24m，要求加固后的砂砾石层相对密度达到0.7以上。

5 结语

下坂地水库大坝工程具有高海拔、深厚覆盖层、高地震烈度、高陡边坡、自然环境恶劣等特点。通过大量的试验研究和计算分析，采用合理的设计方案，解决了许多技术难题。

（1）针对高陡边坡和深厚覆盖层等地形地质条件，选定沥青混凝土心墙坝，防渗体能够适应基础及坝体的沉降，计算分析表明心墙的应力状态较好。

（2）坝基深厚覆盖层的防渗处理采用上部混凝土防渗墙下接砂砾石层帷幕灌浆方案，防渗墙最大深度 85m，砂砾石层帷幕灌浆最大深度151m，在国内居领先水平。

（3）对坝基下伏砂层的液化特性进行了多项试验研究，为增加大坝整体稳定，在上下游坝脚设置镇压层。

（4）砂砾石坝壳料平均粒径大，细料含量少，级配不连续，力学性能介于砂砾石与堆石之间。设计对砂砾石坝壳料碾压指标采用相对密度与孔隙率双重控制。