坝体防渗结构型式比选及设计与施工

阙 文

（阜康市农业供水管理站，新疆 阜康 831500）

1 工程概况

四工河为阜康市境内独立水系，河流长40km，流域面积874km2。四工河水库位于河道干流上，为河流上山区控制工程，控制流域面积119km2，坝址多年平均年径流量3220万m3。设计四工河水库总库容821万m3，属Ⅳ等小（1）型工程，设计洪水标准50年一遇。该工程建设目标为：提高当地农业灌溉保证率，改善流域地下水环境，实现可持续发展。

2 坝体防渗结构方案比选

经过专家组实地考察，建议坝体采用新型防渗结构——沥青混凝土防渗墙。该防渗技术属于一种柔性结构，防渗性、耐久性、使用寿命等均表现优良，目前被广泛应用于水工建筑防渗结构中。

2.1 沥青混凝土防渗墙类型比选

四工河水库大坝可采用的防渗墙结构有两种：沥青混凝土斜墙和沥青混凝土心墙。这两种结构形式特点如表1。从施工难易度、限制条件等考虑，四工河水库大坝防渗结构最终决定采用碾压式沥青混凝土心墙。

表1 沥青混凝土斜墙和心墙优特点对比

续表1

2.2 碾压式沥青混凝土防渗心墙特点

（1）根据现场试验，碾压式沥青混凝土渗透系数小于1×10-7～10-8cm/s，防渗性极好，且工程量小，用料少，经济效益显著。

（2）沥青混凝土具有较好的柔性，如果因不均匀沉降而导致心墙发生裂缝，其在重力、挤压力作用下有一定的自愈能力。

（3）应用沥青混凝土心墙防渗结构后，便不需要黏土防渗，因此可简化制料、配料等过程，简化操作。

3 沥青混凝土心墙重点结构设计

3.1 心墙厚度计算

根据相关规范，沥青混凝土心墙厚度最大为（1/60-1/100）H（H为坝体高度），最小厚度不得小于30cm。在该原则下，借助公式（1）对该项目防渗心墙厚度d进行计算。为保证心墙的抗震稳定性，设计心墙底部厚1200mm，顶部厚600mm。

式中 k为沥青混凝土防渗系数；Hn为防渗墙平均水头；q为单位面积防渗体允许渗透量。

根据心墙的厚度变化情况，可将其分为等厚式、渐变式、阶梯式。其中等厚式仅适用于低坝工程；渐变式因施工难度大被逐步淘汰；阶梯式即保证了心墙稳定性，又减少了材料浪费，且施工简单。所以四工河水库大坝防渗心墙为阶梯式结构，其中200m高程以下为1200mm，以上为600mm，如图1。

图1 四工河水库大坝沥青混凝土防渗心墙结构

3.2 心墙与下部基础混凝土防渗墙连接设计

四工河水库大坝的沥青混凝土防渗心墙设计坐落于基础混凝土防渗墙之上，为了使心墙和基础防渗墙更好地结合，本项目在基础防渗墙顶部设计一个基座（长×宽=2.6m×2m）。在心墙和基座之间设计1层厚2cm的砂质沥青玛蹄脂和两道止水铜片，如图2。这样的结构能从下至上依次将“灌浆帷幕、基础混凝土防渗墙、沥青混凝土防渗心墙”紧密结合。

图2 心墙与基础混凝土防渗墙连接设计

3.3 心墙与岸坡混凝土基座连接设计

四工河水库坝址两侧山坡坡度较大，约45°，为保证心墙与岸坡混凝土基座之间更紧密结合，在两岸岸坡的混凝土基座连接处设置长度较大的水平扩大段，且加长过渡层扩大段水平距离，如图3。

图3 心墙与岸坡混凝土基座连接设计

3.4 心墙两侧过渡层设计

过渡层位置设于心墙两侧，其变形模量介于心墙和坝壳之间，能够使两者变形有个过渡区，要求过渡料耐久性、防渗性好，颗粒级配连续。为增加排水能力，四工河水库坝体在下游过渡层位置增设1个过渡层Ⅱ区。过渡层具体设计技术要求如表2。

表2 心墙过渡层设计技术要求

4 沥青混凝土心墙施工要点

4.1 混合料制备要点

沥青是混合料的核心，结合其他工程经验，四工河水库大坝心墙沥青采用克拉玛依沥青，其具有较好的抗裂性、抗老化性，含腊量也低。

本项目沥青混合料制备的控制要点有以下规定：①要求加热沥青时其针入度降低10%以下；②骨料拌合时，温度不得超过沥青温度20℃，拌合时间不低于15s。具体对混合料的技术指标如表3。

表3 碾压式沥青混凝土技术指标

4.2 心墙填筑要点

心墙填筑步骤：“立模→过渡料摊铺、初压→沥青混凝土摊铺→拆模→过渡料及沥青混凝土同步碾压”。严格分层铺筑，层厚小于25cm（规定20cm），摊铺速度为1～3m/min，1～2层/d； 混合料碾压温度要求在140～150℃；上下层横缝错开不小于2m，重叠碾压30～50cm。心墙填筑结束后，在4m范围内禁止大型机械碾压。

4.3 心墙质量检测

采用无损检测技术对心墙质量进行检测，利用美国产的HS-500IEZ型核子密度仪，用Rc表示测定值；然后采用钻芯法进行验算，用Rn表示测定值（选定样本60个）。在此定义换算系数Ar=Rc/Rn，得出拟合结果，如图4。

图4 核子密度仪和沥青混凝土密度换算系数

由图4可知，两种检测方法拟合度较好，说明无损检测数据的准确性、可靠性没问题。通过检测，四工河水库大坝心墙施工质量合格率100%。

5 结语

（1）沥青混凝土心墙对气候环境、温度、地质条件等均具有较好的适应性，且防渗性能好，适合在新疆高海拔、寒冷地区使用。

（2）四工河水库大坝心墙经多年使用，坝体渗漏量均处于规定值以下，且没有上涨趋势，因此完全证明了沥青混凝土心墙的可靠性和优越性，值得大力推广。

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