石门沟2#水库黏土心墙堆石坝设计中几个关键技术问题

卢 小 波

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司， 甘肃 兰州 730000)

土石坝对坝址基础条件具有良好的适应性，能就地取材、节省投资，是坝工建设中最有发展前景的坝型之一[1]。黏土心墙土石坝出现于20世纪40—50年代，由于其使用当地材料、造价低、施工技术较为简单、抗震性能好而得到迅猛发展[2]。目前建成的黏土心墙土石坝数量众多，其中：最高的心墙土石坝是1980年前苏联建成的努列克(Hypek)心墙土石坝(坝高300 m)，我国已经建成的最高的心墙土石坝为的糯扎渡水电站大坝(坝高261.5 m)[3]。在心墙土石坝建设中也出现过很多垮坝、塌陷及心墙水力劈裂等事故，如：1975年建成的美国Teton心墙土石坝出现管涌而垮坝；1941年建设的美国Mud Mountain坝渗流破坏造成垮坝；北京西斋堂斜心墙土石坝和河南玉马斜心墙土石坝蓄水后塌坑[4]等，Hyttejuvet心墙堆石坝水力劈裂造成渗漏事故[5]等等，这些事故发生很多是设计过程中对一些关键问题的技术处理不恰当造成的，因此有必要对心墙土石坝的设计技术要点进行强调和重视。

本文依托兰州新区石门沟2#水库工程，从坝型选择、心墙和反滤层设计、坝基处理和坝体变形和稳定分析等几个方面，论述了心墙土石坝设计需要重点把握的技术要点，供类似工程参考。

1 工程概况

兰州新区石门沟2#水库为注入式水库，水源为由引大入秦工程引来的大通河水。工程位于兰州新区秦川镇石门沟村以北约3 km的大麦湾沟，距兰州104 km。主要由引水工程、水库枢纽工程及供水工程三部分组成。工程主要任务是通过与已建的石门沟1#水库和拟建的石门沟2#、3#两座水库联合调节向兰州新区生产及生活供水。

水库总库容525万m3，兴利库容470万m3，死库容18.7万m3。大坝为黏土心墙堆石坝，坝顶高程2 161.00 m，最大坝高55 m，坝顶长324.58 m。工程为Ⅳ等小(1)型工程，大坝为3级建筑物，其他主要建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计。水库防洪标准按50年一遇洪水设计，1 000年一遇洪水校核[6]。工程区相应的地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期0.45 s。抗震设防烈度采用7度[7]。

坝址处沟道宽度120 m～200 m，沟谷呈略宽的“U”字型，沟底堆积较厚的风洪积及洪积层，最大厚度27 m，坝址两岸基岩岩性为变质砂岩夹板岩及板岩夹变质砂岩，岩体表层风化强烈、破碎，表层风化后呈片板状，强风化层一般厚4 m～6 m，坝肩顶部岩体强风化层厚约10 m。

2 坝体设计技术要点分析

受工程区地形地质条件、气象因素条件、工程区料场分布情况等因素影响，工程设计主要研究的技术要点为坝型选择、坝体结构设计、坝料分区设计及基础处理等[8-9]。

2.1 坝型选择

根据国内外已建和在建的高土心墙堆石坝设计经验，心墙型式和坡比将影响大坝应力变形、渗透稳定、工程投资等各个方面。针对黏土心墙坝和黏土斜墙坝，从抗震性能、施工难易程度、坝体防渗系统等方面[10]进行综合比较，比较过程见表1。

由于覆盖层厚度适中，将心墙和斜墙的基础全部开挖至基岩基础进行同精度比较。斜心墙和直心墙方案从抗水力劈裂能力、抗震能力、变形协调能力、工程施工和投资等方面综合分析，两种方案在技术上均可行，不会产生水力劈裂破坏，斜心墙方案大主应力方向有利于心墙抗水力劈裂，但是其渗透坡降和永久变形相对较大，抗震能力略差，工程投资比心墙高209.4万元，经综合比较选择直心墙方案。

表1 直心墙与斜心墙坝型优缺点比较

2.2 坝体结构设计

2.2.1 坝料设计

坝料设计中，由于防渗料料场及料源限制，为了节省工程投资，不在外运特殊防渗土料作为坝体的防渗结构，工程设计采用反设计法进行设计，即根据满足层间关系要求和渗透稳定要求，根据防渗土料的天然粒径分布，反过来设计需要的反滤料的级配曲线，再根据确定的反滤料的级配曲线，确定过渡料的级配曲线，根据过渡料的级配曲线，从而最终确定坝壳料的级配曲线，这样就能更加经济合理的实现工程的最优设计。

(1) 心墙土料。心墙土料优先考虑自1#土料场开采，不足部分自2#土料场开采。土料主要试验指标：天然密度1.47 g/cm3～1.62 g/cm3，天然含水率14%～25%。心墙填筑铺层厚度为40 cm，采用16 t凸块碾碾压6遍，碾压压实度标准要求不小于98%，压实干密度要求不小于1.68 g/cm3，最优含水率18%～20%，土的渗透系数平均2.48×10-7cm/s。

(2) 反滤料。反滤料位于心墙土料与过渡料之间，主要承担传力结构，并形成对心墙土料的反滤保护，满足层间关系和渗透稳定要求[11-12]，防止心墙土料细粒的流失。根据心墙黏土料的级配保护要求，过渡料最大粒径不大于20 mm，D15=0.1 mm～0.5 mm，D85=10.0 mm～2.4 mm，小于5 mm颗粒含量控制在35%～60%，小于0.075 mm颗粒含量不大于5%。根据对周围料场普查，发现工程区附近的振兴砂场或兰州新区纬三十二路砂场砂砾石料筛分系统的成品料，完全能够满足本工程所需过渡料要求，这样即减少了重新开辟料场的费用，减小对环境的破坏，又能够保证料源的供应，确保工程的顺利进展。反滤料设计宽度为2 m，填筑铺层厚40 cm，采用16 t振动碾碾压6 遍～8 遍，相对密度不小于0.80。反滤料设计级配曲线见图1。

图1反滤料设计级配曲线

(3) 上下游过渡料。上下游过渡料位于心墙反滤料与大坝堆石料之间，承担部分受力和传力结构，并形成对反滤料粒径的过渡和反滤作用，满足层间关系和渗透稳定要求，防止反滤料中细颗粒的流失。根据垫层料的级配保护要求，过渡料要求级配连续，最大颗粒粒径不超过300 mm，小于0.075 mm颗粒含量不大于5%。经过堆石料场的爆破试验，采用合理的爆破能够完全开采出复核过渡料要求的级配料。故过渡料采用料场爆破开采，宽度为等宽3 m，填筑铺层厚40 cm，采用25 t振动碾碾压6 遍～8 遍，最大干密度不小于2.2 g/cm3，孔隙率不小于20%。过渡料设计级配曲线见图2。

图2过渡料设计级配曲线

(4) 上下游堆石料。大坝上下游堆石料区是水荷载的主要传递区，是大坝的主要承载结构。根据过渡料的级配保护要求，堆石料要求级配连续，具有强度高、压缩性低、渗透性强等性能。最大粒径要求不超过600 mm，粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%。根据过渡料的级配曲线要求，经过爆破试验，采用合理的爆破开挖能够完全开采出满足堆石料要求的填筑料，故堆石料采用料场爆破开采，填筑铺层厚80 cm，采用25 t振动碾碾压6 遍～8 遍，最大干密度不小于2.2 g/cm3，孔隙率不小于20%。堆石料设计级配曲线见图3。

图3堆石料设计级配曲线

按照以上的反设计思路，合理的确定了各级料的级配区间范围，根据级配区间的颗粒级配要求，采用合理的爆破方式，能够互相有效的满足坝料之间的层间关系要求，节约工程投资，消除工程隐患，使坝体结构设计安全合理。

2.2.2 基础处理

(1) 基础固结灌浆。帷幕灌浆孔沿心墙轴向方向布置，基础固结灌浆孔沿心墙轴线两侧各布置一排，距心墙轴线距离均为1.0 m。灌浆孔采用梅花形布置，孔距1.5 m，孔深5 m。

(2) 坝基防渗设计。工程防渗帷幕按照透水率<5 Lu进行控制。结合坝基沟床地质条件及坝基岩体透水性，采用抗硫混凝土浆液对坝基进行防渗帷幕灌浆，帷幕灌浆轴线沿坝基心墙轴线布置，并左右岸坝肩山梁延伸布置，其中向右岸坝肩山梁延伸92 m，向左岸坝肩山梁延伸123 m。帷幕灌浆线按一排布置，灌浆孔深入相对不透水层(q<5 Lu)以下5 m，灌浆孔间距1.5 m，灌浆压力1.5 MPa。

3 大坝变形及稳定计算

3.1 应力应变计算

坝体应力变形计算分析采用平面非线性有限元计算方法，本构模型采用邓肯张E-B模型，筑坝材料的邓肯E-B模型计算参数见表2及表3。

表2 心墙土料邓肯模型参数

根据计算结果，可以得出以下结论：坝体竣工期、蓄水期位移、应力分布合理，量级处于合理范围。竣工期和正常蓄水期计算的应力、位移特征值列于表4。

表3 筑坝材料邓肯模型参数

表4 坝体应力位移计算结果汇总表

(1) 坝体竣工期的位移、应力等值线分布如图4—图6所示。

图4 竣工期水平位移等值线图(单位：cm)

图5 竣工期竖向位移等值线图(单位：cm)

图6竣工期大主应力等值线图(单位：kPa)

由图可见，竣工期坝体水平位移相对于坝轴线基本上呈对称分布。在坝体自重的作用下，上游坝体水平位移最大值约2.5 cm。下游坝体水平位移最大值约3.0 cm。坝体顶部的水平位移呈向心墙内挤压的趋势，上游坝体上部向下游位移约2 cm，下游坝体上部向上游位移也是2 cm。从坝体竖向位移分布看，坝体填筑完成期的沉降基本上呈相对于坝轴线对称分布，坝体最大沉降发生在心墙中部，位移最大值为39.0 cm，约为坝高的0.7%。

从大、小主应力的等值线分布图可以看出，心墙的应力明显小于同高程两侧区域的应力，拱效应比较明显，同一高程处心墙的应力约为两侧坝壳应力的40%。

(2) 正常蓄水期坝体的位移、应力等值线分布如图7—图9所示。

图7 蓄水期水平位移等值线图(单位：cm)

图8 蓄水期竖向位移等值线图(单位：cm)

图9蓄水期大主应力等值线图(单位：kPa)

从图中可以看出，正常蓄水期坝体大部分区域的水平位移最大值约12 cm，位于坝体中上部的下游坝壳堆石体中。正常蓄水期坝体最大沉降仍发生在心墙中部，偏于心墙下游侧，沉降最大值37 cm，约为坝高的0.7%。

从大、小主应力的等值线分布图可以看出，心墙的应力明显小于同高程两侧区域的应力，拱效应比较明显，同一高程处心墙的应力约为两侧坝壳应力的40%。蓄水期，由于浮力和水压力的作用，心墙上游侧坝壳的大主应力低于下游侧的大主应力。同时由于心墙在水压力作用下向下游变形，上游侧坝壳和心墙上游侧的小主应力减小，下游坝壳和心墙下游侧的小主应力增加。心墙上游侧坝壳中下部的应力水平较高，这是由于水压力作用使心墙向下游变形致使该区为主动土压力区，它不影响坝体稳定。

3.2 坝坡稳定计算

坝坡稳定计算采用刚体极限平衡计算方法，稳定分析采用中国水科院自主开发的土质边坡稳定分析程序STAB2009，分析方法采用Bishop法[13]，计算中采用拟静力法模拟地震荷载，堆石料计算参数采用线性强度与非线性强度指标分别对坝坡稳定进行计算分析。计算结果见表5。

表5 坝坡稳定计算结果

根据碾压式土石坝设计规范，在计算坝坡稳定时各材料参数的抗剪强度指标均应采用小值平均值。根据相关工程经验，计算中假定各材料强度指标折减[14-15]20%作为其小值平均值，在此基础上的稳定分析计算结果见表6。

根据计算结果，可以得出：

(1) 竣工期、稳定渗流期、库水位骤降期及正常运用期遭遇地震工况，采用线性强度指标及非线性强度指标计算的坝坡稳定安全系数均满足规范要求。

表6 修正后坝坡稳定计算结果

(2) 采用非线性强度指标计算的安全系数小于线性强度指标计算的安全系数。采用材料强度指标小值平均值计算的安全系数比采用均值计算的安全系数减小约25%左右。

兰州新区石门沟2#水库工程于2015年4月正式开工建设，坝体自2015年9月开始填筑，2016年7月坝体填筑至坝顶高程，2016年11月1日开始下闸试蓄水，水库最高蓄水位2 155.00 m(较正常蓄水位低3.4 m)，截止目前水库已蓄水运行一年多时间。根据大坝监测资料分析，坝体最大沉降量为53 cm，截止目前大坝变形速率明显减缓，时效变形逐渐趋于收敛，大坝处于安全稳定运行状态。本工程坝基覆盖层深厚，无坝后截水设施，因此未在坝后设置量水堰。根据布置于坝体的三个监测断面测压管水位监测成果，自测压管埋设后取得监测初始值，水库蓄水运行期间测压管水位基本未发生变化，说明坝基及坝体的防渗效果较好。由于水库蓄水还没有真正达到设计水位的长期运行工况，所以目前的安全监测资料存在一定的局限性，不能代表坝体后期长期稳定运行的状况。

4 结 论

(1) 工程坝体结构分区设计思路，能够更加充分合理的利用当地料源，减小工程耗能，加快施工进度，节约工程投资，值得相似类型的工程借鉴设计思路。

(2) 根据有限元计算结果，坝体的各项指标均在坝体变形、受力可控范围之内，说明本工程设计思路合理正确，其坝体结构设计能够满足工程长期安全运行。

(3) 坝体结构设计中的坝料分区设计及控制指标，是当地材料坝设计中的重中之重，应紧密结合料场料源情况，合理分区，在满足层间关系和渗透稳定的前提下设计合理的坝料控制指标，能够最优的实现工程性价比设计。