高海拔地区土石坝技术研究

张宝琼，林赛，陈红齐

（云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021）

1 概述

桑那水库位于云南省迪庆藏族自治州中甸县县城东南的桑那河上，是云南省迪庆藏族自治州唯一的一座中型水库。桑那水库所处海拔3 300 m，是云南省目前海拔最高的水库（坝顶高程3 324.70 m），最大坝高36.2 m，总库容1 500.4万m3，水库距县城仅4.5 km，中甸至三坝乡、洛吉乡的乡村公路从库区通过，距昆明约720 km，对外交通十分方便。

桑那水库控制流域面积74.5 km2，属完全年调节水库，总库容1 500.4万m3，灌溉面积5.56万亩，下游防洪保护农田0.25万亩。水库枢纽工程由主坝、导流输水隧洞、溢洪道等建筑物组成，灌溉干渠包括南干渠、北干渠。

大坝为黏土心墙石碴坝，坝顶高程3 324.70 m，坝顶宽6.0 m，坝顶长253 m，最大坝高36.8 m。坝坡上下游均为1.0∶1.8、1.0∶2.0。黏土心墙坡比为1.00∶0.25，心墙顶高程3 324.0 m，坝顶高程3 324.7 m，根据此地冰冻厚度为0.7 m，心墙至坝顶相距0.7 m，上部填石碴作防冻保护作用[1-2]。反滤砂采用了部分天然砂，岩性为白云质灰岩，质坚硬。反滤砂采用了部分天然砂，岩性为白云质灰岩，质坚硬。

水库于2002年5月下闸蓄水，运用12年以来，建筑物运行正常，无不良反应。

2 工程地质条件

桑那水库工程库区及其周边主要分布中生界上三叠统（T3）碎屑岩，第四系上更新第二间冰期冲积湖（al+IQ3）以及第四系全新统松散层两类地层。桑那水库工程地质构造复杂，各种小断裂，小褶曲也很发育，岩层产状不甚稳定，岩体裂隙杂乱密集，岩石极破碎。坝基岩层以强化风化砂岩、泥页岩、板岩及灰岩为主。坝轴线左岸上游卸荷松弛带不稳定。河床为砂卵砾石层厚度较大，存在渗漏问题及渗透变形问题。左岸坡表部存在卸荷松弛带，风化强烈，存在抗滑稳定及压缩变形问题，清基深度较大，右岸坡稳定性较好，只清除松散残坡积层。本区地震基本烈度为“Ⅶ”度。

3 设计方案研究

3.1 工程气候特点

桑那水库所处位置及控制灌区海拔在3 280～3 340 m之间，属寒温带气候，其特点：太阳辐射强，干湿分明，冬长无夏。多年平均气温为5.4 ℃，极端最低气温为-27.4 ℃，最高气温为23 ℃。一年中只有春雨季和冬雪季。每年十月开始降雪，直到次年的四月才开始春天。中甸县多年平均气温统计表见表1。

表1 中甸县多年平均气温统计表Tab. 1 Average temperature statistics for years in Zhongdian county ℃

从表1看出，中甸最冷是每年的12月至次年2月，2000年的1月平均气温低于-5 ℃，冬季冰层厚达20 cm，冬季会造成冻土，不能填筑，待冰冻解冻后大坝方可填筑。

由于当地气候寒冷，海拔高，冻融循环次数不同于我国北方地区，冬季一天有两个循环次数，混凝土的施工不仅要考虑天气影响，同时需考虑施工机械保证有效出力[3-4]。

3.2 大坝设计措施

主坝为黏土心墙石碴坝，坝顶高程3 324.70 m，坝顶宽6.0 m，坝顶长253 m，最大坝高36.8 m。桑那水库大坝为黏土心墙石碴坝，坝壳料石碴的摩擦角准＝34.5°，容重γ＝1.95 m3/s，坝坡上下游均为1.0∶1.8、1.0∶2.0。黏土心墙坡比为1.00∶0.25，心墙顶高程至3 324.0 m，坝顶高程3 324.7 m。根据此地冰冻厚度为0.8 m，心墙顶至坝顶设计相距0.8 m，上部采用石碴作防冻保护作用[3，5]，在大坝护坡设计上充分利用石料的抗冻性，大坝上、下游护坡均采用块石护坡，要求块石的粒径大于30 cm，重量大于50 kg。

3.3 有效施工工期研究

桑那水库工程所在地区10月开始下雪，到次年4月，5月底进入雨季，无霜期123.8天，因此工程施工除雨季受降雨影响外，一般情况下施工的黄金季节冬季也因气温较低而影响了正常的施工[6]，使全年可施工时段缩短。

黏土心墙石碴坝施工受防渗料即粘土料填筑控制[2]，黏土在雨季施工不易控制含水量，在冬季由于当地气温寒冷，形成0.8 m厚的冻土层，粘土填筑一层仅厚0.3 m，冬季将冻土层达到0.8 m的极限天排除，因此黏土心墙石碴坝施工期为3月～5月，10月～11月两个时段，计5个月。参照施工组织设计规范确定，经统计分析，黏土填筑有效施工天数130天，混凝土有效施工天数179天。云南省其他一些地区施工天数在200天左右，只受雨季影响，而桑那水库冬季的12～2月黄金季节不能施工，造成水库施工期较短。

施工安排上，利用好有效的施工期，首先填筑粘土。

3.4 坝料施工研究

负温下填筑范围的坝基在冻结前应处理好[3，4，6]，并预先填筑1～2 m或采取其他防冻措施，以防坝基冻结。坝基被冻结时，须仔细检查基冻结后无显著冰夹层和冻胀现象时，并经工地施工技术负责人批准后，方可填筑坝体；否则，非经处理不准填筑。

由于负温下填筑的黏土含水量难于控制，黏土含水量略低于塑限，防渗体土料含水量不应大于塑限的90%；施工各种坝料填筑应加大压实功能，采用重型碾压机械。黏土含水量在上坝期间随时检查，含水量过高时，在料场采取挖排水沟，在料场上覆盖三色塑料薄膜作保护。

负温下填筑，作好压实土层的防冻保温工作，避免土层冻结。心墙部分的不允许冻结，一旦冻结必须将冻结部分挖除。石碴料压实层，如冻结后的干容量仍达到设计要求，可继续填筑。

粘土低温下施工，采取铺土保护，次天待冻土解冻后，再碾压密实，满足设计指标后方可填筑下一层，遇降雨、降雪，采取薄膜覆盖，保护施工黏土场地，包括料场。

大坝基础开挖后进行灌浆盖板浇筑，冬季混凝土盖板及坝基保护采取引水保护[2]，水与岸坡结合部位易形成冰冻，对这部分采取塑料薄膜加石碴覆盖，没有水的地方用覆盖石碴保护措施。

3.5 岸坡处理研究

左岸坡滑坡体HP2及HP3，采取削坡、压脚处理，工程量计入坝体工程量中，土石方削坡4 500 m3，压脚回填土石方2 000 m3。实际施工两滑坡体均系破碎结构，岩石因卸荷松弛致使岩块间丧失咬合力，大坝岸坡清基后，下部形成临空，致使上部滑坡体失稳、坍塌，坍塌面积扩大相连，对左岸坡采取削坡、护坡、排水措施处理，工程量较上述工程量增加大。右岸坡因上部坝基削坡及底部修施工道路，使坡面临空，边坡开裂坍塌，采取削坡、压脚处理措施。

由于冻融循环易造成边坡失稳，边坡开挖均需放缓[2]，开挖后的边坡要采取有重力作用的浆砌石挡墙型式的防护措施，砌筑砂浆中均掺入抗冻剂，才能使边坡达到抗冻稳定。

3.6 混凝土抗冻研究

设计针对当地气温低，冻融循环次数频繁，在永久暴露表面混凝土表面配置温度钢筋，浇筑混凝土时掺入抗冻剂、减水剂、速凝剂，同时采取保温措施[2]。

4 结语

桑那水库位于香格里拉县，是云南省第一座在高海拔3 300 m的高寒地区修建的中型水库，当地冬季气温低（最低气温-27.4 ℃），对坝基开挖、填筑、混凝土浇筑施工带来很大影响；在坝体填筑中，合理安排工期，充分利用有效填筑时间；负温下施工采取防冻措施，边坡开挖采取防护措施；土料避开低温期施工，施工中解决好大坝防渗料含水量；冬季坝基、各种坝料防冻保护，施工中随时检查黏土含水量，在料场采取挖排水沟；开挖过的土料场上以及填筑好的防渗心墙上覆盖三色塑料薄膜加渣料作保护等保温防冻措施。桑那水库竣工验收十年，水库运行正常。

[1] 中华人民共和国水利部. SL274-2001 碾压式土石坝设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2002.

[2] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL/T5129-2001碾压式土石坝施工规范[S]. 北京：电力出版社，2001.

[3] 中华人民共和国国家经济贸易委员会. DL5073-2000 水工建筑物抗震设计规范[S]. 北京：电力出版社，2001.

[4] 华东水利学院. 水工设计手册（第四册）. 土石坝. 北京：水利电力出版社，1989.

[5] 水利电力部第五工程局，水利电力部东北勘测设计院.土坝设计（上、下册）[M]. 北京：水利电力出版社，1989.

[6] （美）高尔泽A R. 坝工手册[M]. 陆焕生，译. 北京：水利电力出版社，1990.

[7] 水利水电部.碾压式土石坝设计手册[M].北京：水利电力出版社，1989.

[8] 沈长松，王世夏，林益才，等. 水工建筑物[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[9] 陈明致，金来鋆. 坝工丛书 堆石坝设计[M]. 北京：水利出版社，2008.