浅析高寒地区沥青混凝土心墙坝的设计

姜 龙

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

国庆水库位于青海省玉树市以西扎西科河上游果青沟西沟内，水库坝址距玉树市15 km。工程主要任务为解决玉树市17.5万人城市供水，并兼顾玉树城区南北山3万亩绿化灌溉和2000亩设施农业灌溉。坝址控制流域面积152 km2，河长25.7 km，平均比降26.5‰。枢纽工程由沥青混凝土心墙堆石坝、开敞式溢洪道、导流放空洞等建筑物组成。水库正常蓄水4027.10 m，设计洪水位4028.50 m，校核洪水位4029.40 m。水库总库容为437.2万m3，兴利库容348万m3。工程规模属Ⅳ等小1型。本工程基本烈度为Ⅶ度。

大坝最大坝高51.9 m，坝顶长264.4 m，坝顶宽度7 m。溢洪道布置于大坝右岸，为岸边正槽开敞式溢洪道，由正堰进水口、控制段、渐变段、泄槽段和出口底流消能构成。总长度267 m。导流放空洞布置于左岸山体内，由进口段、闸室段，洞身段及出口消能组成，总长425 m，断面尺寸3 m×4 m。

气候属典型的高原性气候，气候寒冷，年温差小，日温差大。年均气温2.9℃，1月平均气温-7.6℃，7月平均气温12.7℃。气候无四季之分，只有冷暖两季之别，冷季长达7～8个月。年平均降水量486 mm，降水集中、雨热同期，冷季多大风沙暴、霜冻频繁，暖季多雷雨冰雹。年均日照小时数为2496.4 h。

2 坝体设计

大坝由沥青混凝土心墙、上下游过渡料、堆石坝壳及护坡组成。大坝上游坡比4002 m高程以上为1∶2.25，以下为1∶3.0；下游坡比为1∶1.8。在坝体上游4015 m高程设一级宽3 m的马道；4002 m高程以下为临时度汛体，采用永临结合方式，前期做为挡水围堰，后期做为坝体的一部分，上游坡比1∶3.0，顶宽5.0 m，下游坡比1∶1.5。坝体下游4015 m、4000 m高程处各设一级马道，马道宽为2.0 m。沥青混凝土心墙顶高程4028.9 m，低于坝顶2 m，高出正常蓄水位1.8 m。大坝典型断面见图1。

图1 大坝典型断面图（尺寸单位：m）

3 沥青混凝土心墙设计

3.1 心墙结构设计

沥青心墙厚度应根据坝高、工程级别、抗震要求和施工条件综合确定。根据对国内外沥青混凝土心墙坝统计，30 m以上的沥青混凝土心墙厚度基本为坝高的1/110～1/60，低坝比值较大，高坝比值较小。国庆水库沥青混凝土心墙坝坝高51.9 m，属于中坝，考虑到本工程处于高地震烈度区，心墙厚度取80 cm，同时为了控制投资，降低施工难度，在一定程度上缓解因结构尺寸突变造成的应力应变集中现场，沥青混凝土心墙采用台阶式，4010 m高程以上沥青混凝土心墙厚度60 cm，以下厚度80 cm。

沥青混凝土心墙顶高程4028.9m，高出设计洪水位0.4m，心墙顶部与防浪墙相接，底部坐落在混凝土基座上，底部与混凝土基座相接处通过3m过渡段放大至2m宽；且心墙底部为弧形结构面，嵌入混凝土基座；心墙与混凝土基座及防浪墙底部连接处设铜片止水。C25混凝土基座置于强风化上部，厚1.5m、底宽5 m。

3.2 心墙沥青混凝土设计

3.2.1 原材料

1）沥青。沥青采用克拉玛依90号A级水工沥青，沥青出厂时必须严格检验，并满足设计要求。沥青品质应符合表1的要求。

表1 沥青的技术要求

2）沥青混凝土矿料。沥青混凝土矿料包括粗骨料、细骨料及填料（矿粉），粗骨料为灰岩人工骨料，细骨料为灰岩破碎料，填料为灰岩矿粉，料场均位于机场至玉树G214国道文成公主庙附近对面白吃沟内，距玉树国庆水库约40 km。粗骨料、细骨料及填料应符合表2～表4的要求。

表2 粗骨料的技术要求

表3 细骨料的技术要求

表4 填料的技术要求

3.2.2 沥青混凝土设计指标。

沥青混凝土心墙采用碾压式浇筑方式，容重不小于2.4 t/m3，沥青含量6.5%～7.5%，主要技术要求见表5。

表5 碾压式沥青混凝土心墙沥青混凝土主要技术要求

3.2.3 沥青混凝土配合比

沥青混凝土配合比初选是根据不同骨料级配指数、不同矿粉含量和油石比（即沥青质量占矿料总质量的百分比）组成各种不同配合比，通过实验室基本性能（孔隙率、变形和强度）试验，选择出满足工程要求的较优配合比沥青混凝土。根据试验，国庆水库沥青混凝土推荐采用的配合比见表6，相应力学性能见表7。

表6 推荐沥青混凝土配合比材料和级配参数表

表7 推荐的墙沥青混凝土配合比的力学性能

3.3 心墙与基座及刚性建筑物连接设计

3.3.1 沥青心墙与河床基座连接

为提高沥青混凝土心墙底部与基座连接之间的防渗性，在基座表面和心墙连接处设扩大端，增大沥青混凝土心墙与基座连接面的宽度，以改善局部应力状态。同时在接触面涂刷冷底子油和沥青玛蹄脂，提高沥青混凝土与基座的粘结强度。根据已建工程经验，基座表面应做成凹槽型，本工程设计基座凹槽宽2.5 m，通过3 m高的扩大段与心墙连接，心墙与与河床基座连接见图2。

3.3.2 沥青心墙与岸坡基座连接

对岸坡基座表面坡比控制的目的是防止两岸岸坡不均匀沉降导致坝体发生横向裂缝，岸坡基座基座最陡坡比为1∶0.6，水平扩大段长4.0 m，混凝土基座接触面处理与河床基座相同，心墙与河床基座连接见图2～图3。

图2 河床段心墙与基础连接图（尺寸单位：cm）

图3 岸坡段心墙与基础连接图（尺寸单位：cm）

3.3.3 沥青心墙与刚性建筑物连接

1）沥青心墙与溢洪道边墙连接。沥青心墙与溢洪道边墙连接需在溢洪道边墙施工时预留凹槽并预埋止水，并与基座止水相连，形成一个封闭的止水系统，接触面处理与河床基座相同，沥青心墙与溢洪道边墙连接见图4。

2）沥青心墙与防浪墙连接。防浪墙墙底高程4028.9 m，沥青心墙顶高程即为防浪墙底高程4028.9 m，沥青心墙顶与防浪墙底接触面采用铜止水连接，应在最后一层沥青心墙施工时预埋铜止水，右岸与溢洪道边墙止水焊接成整体，心墙与防浪墙连接见图5。

图5 心墙与防浪墙连接图

4 坝基处理

4.1 建基面处理

1）覆盖层处理。坝址区河床覆盖层厚6 m～8 m，右岸坝坡覆盖层厚10 m～15 m，左岸基本为基岩。河床为洪积卵砾石层，考虑沥青砼心墙建基要求及地震区大坝安全运行，将心墙下游侧的河床覆盖层全部清除至基岩。对心墙上游侧河床覆盖层清表1 m，清除范围内结构疏松、富含植物根系等，并采用2000 kN·m夯击能进行强夯处理后作为坝基，处理后设计干密度不小于21 kN/m3。左右岸坡覆盖层结松疏松、厚度不一、存在架空等现象，根据地质建议全部挖除、清至基岩。

2）基岩破碎带处理。在坝基及岸坡范围内有断层、破碎带、软弱夹层等地质构造时，根据产状、宽度、延伸长度等，拟采取掏挖置换C20W8F250混凝土塞处理，掏挖深度一般大于1.5倍的断层或夹层宽度，且不小于1 m，掏挖宽度大于断层或夹层宽度，并延伸到下游一定距离，然后用C20W8F250混凝土回填。

4.2 基础防渗设计

根据工程地质情况，沥青混凝土心墙及上下游过渡层基础开挖至基岩面，固结灌浆和帷幕灌浆均在心墙基座上进行。固结灌浆孔沿心墙轴线布置2排，孔距3 m，深入基岩5 m；左岸岸坡坝基帷幕灌浆孔按双排布置，其他段落帷幕孔按单排布置，孔距1.5 m，帷幕灌浆两岸延长度按正常蓄水位与两岸相对不透水层相交控制，主帷幕深入至不透水层（5 Lu线）以下5 m，最大孔深40 m，副帷幕灌浆深度为主帷幕灌浆深度的0.6倍。

5 结语

近年来沥青心墙坝发展迅速，国内已建及在建工程超过50座左右，已成为土石坝中的主力坝型。碾压式沥青混凝土心墙具有较好的防渗性能及较强的适应变形能力，抗震性能好，能够适用不同类型的坝基等优点，国庆水库沥青混凝土心墙坝的建设可为在高海拔严寒地区推广沥青心墙坝技术提供借鉴。