新疆北疆地区沥青心墙坝结构设计和稳定分析

柴向俐

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

库鲁斯台水库工程任务是以灌溉为主，兼顾乡村供水。在初步推荐上坝址的基础上，坝址区河床宽阔，河床部位基础为深厚Q4砂砾石，不具备修建混凝土重力坝和混凝土拱坝的地形地质条件，根据坝型比选分析，确定沥青混凝土心墙坝为推荐坝型，工程由大坝、溢洪道、导流兼放水洞三部分组成。水库总库容为843.16万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》和《防洪标准》，确定本工程等别为Ⅳ等小(1)型工程。

1 沥青混凝土心墙坝设计

1.1 坝体结构

1.1.1 坝顶宽度

根据《碾压式土石坝设计规范》，结合本工程坝体高度、坝顶结构、防汛管理、交通要求和施工场地要求等综合因素，初步拟定坝顶宽度为8 m，坝顶高程为1 214 m。

1.1.2 防浪墙

坝顶上游侧设置“L”型钢筋混凝土防浪墙，既起挡土作用，又起挡水作用，同时可以节省坝体填筑工程量。墙底高程1 212 m，高出正常蓄水位1.22 m，墙顶高程1 215 m，墙高3.00 m，坝顶以上墙高1.00 m。防浪墙基础与心墙连接，防浪墙延伸到两岸分别于左右岸道路和溢洪道边墙相连接，形成完整的防渗体系。

1.1.3 上、下游坝坡坡比拟定

根据《碾压式土石坝设计规范》，结合筑坝材料性质并类比国内外已建工程，经过初步坝坡稳定分析计算，上、下游主坝体采用堆块石料填筑，确定上游坡比为1∶2，下游坡比为1∶1.80，设置1级马道，综合坡比为1∶1.95。

1.2 坝体分区

坝体填筑分区从上游至下游分为：A1上游堆砂砾石料区、B1上游过渡料区、C沥青混凝土心墙、B2下游过渡料区、A2下游堆砂砾石料区。

1.2.1 上、下游堆砂砾石料区

采用DL1堆砂砾石料场填筑，最大粒径<600 mm，<5 mm的颗粒含量≤35%，<7.50×10-2mm的颗粒含量不超过5%，碾压层厚为0.80 m。碾压指标:Dr≥0.85。

1.2.2 上、下游过渡料区

位于沥青混凝土心墙上、下游侧，起到一定的支持和保护沥青混凝土心墙的作用，心墙与上、下游坝壳之间各设置一层过渡层，上、下游过渡层水平宽均为3 m，过渡层填筑至心墙顶部，底部填筑在建基面上。过渡料要求:最大粒径<80 mm，<5 mm粒径含量为25%～40%，<7.50×10-2mm粒径含量<5%，碾压层厚0.40 m，设计相对密度Dr≥0.80。过渡料采用DL1料场砂砾料筛分加工而成。

1.2.3 沥青混凝土心墙防渗体

由于该工程位于强震区，沥青混凝土心墙防渗体采用正心墙，心墙防渗体轴线位于坝轴线上游1 m，根据规范要求并参考有关工程类比，确定心墙厚度0.60 m，底部与混凝土基座接触处厚度由0.60 m渐变为1.80 m，心墙顶高程1 213 m。心墙顶部与坝顶防浪墙紧密结合。

心墙基座采用钢筋混凝土结构，布置在心墙底部，轴线与心墙轴线相同，与心墙共同作用，形成坝基以上的防渗体，混凝土强度等级为C25，抗渗等级为W8，抗冻等级为F250。

1.3 建筑材料

沥青混凝土骨料采用大东沟石灰石料场开采加工制备料，运距60 km以内。沥青混凝土中沥青采用克拉玛依水工沥青。坝体砂砾石填筑主要利用DL1砂砾石料场料源；过渡料也由DL1砂砾石料场开采加工。排水棱体堆卵石料由DL1砂砾石料场选取。

1.4 基础处理

大坝基础处理包括：基础开挖，基础缺陷处理和防渗处理等。

1.4.1 基础开挖

心墙基础深挖至河床下部砂卵砾石覆盖层底部泥岩顶部2 m强风化层，心墙基座采用钢筋混凝土，在沥青混凝土心墙防渗体基座中部进行固结灌浆和帷幕灌浆。沥青混凝土心墙两岸钢筋混凝土基座处于边坡弱风化岩石顶面。

1.4.2 基础缺陷处理

对于心墙基础范围内的断层破碎带、层间挤压带等局部地质缺陷，表部采用混凝土塞置换处理，深部采用加密固结灌浆和帷幕灌浆处理。混凝土塞宽度为破碎带的最大宽度，深度为宽度的1.00～1.50倍。

1.4.3 基础防渗处理

2 坝体渗流分析

2.1 渗流分析计算方法

坝体和坝基的渗漏计算采用北京理正软件设计研究院的渗流分析软件6.0版计算程序，主要对坝体渗流情况进行了计算。

2.2 断面选择及基本参数

根据坝体工程地质条件及实际运行过程中可能出现险情较为严重的现象，计算断面选取坝体最大断面。设计对水库正常运用情况和非常运用情况的渗流场均进行分析计算。渗流计算所采用的各项参数如表1所示。

表1 稳定渗流期计算参数表

2.3 渗流分析结果

设计洪水位时下游砂砾石填筑区溢出点高程为1 166.40 m，溢出点比降为0.06，小于砂砾石允许出逸比降，在有沥青心墙保护的情况下，不会发生渗透破坏。因此坝体不会发生渗透破坏，见表2。

表2 稳定渗流期计算结果表

3 坝体稳定计算

根据地质勘察及土工试验资料成果综合分析，坝体及坝基土层的物理力学指标详见工程地质勘察报告。统计结果见表3。

表3 稳定计算土料物理力学指标表

经计算各种工况下，坝坡抗滑稳定安全系数最小值均大于规范允许值，满足规范要求。大坝上、下游坝坡是稳定的，详见表4。

表4 坝体稳定计算成果表

4 结论

通过对库鲁斯台水库沥青心墙坝的结构设计进行详细分析，并从渗流和稳定两个方面进行计算分析，渗流方面沥青心墙具有良好的防渗性能，确保坝体不会发生渗透破坏。稳定方面坝坡抗滑稳定安全系数最小值大于允许值，上下游坝坡稳定。投产后能够有效发挥灌溉和供水任务，保障人民用水安全。