高坪水库沥青混凝土心墙石渣坝初步设计研究

辛立平

(重庆水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆，401120)

1 工程概况

高坪水库工程位于重庆市黔江区黑溪镇互助村的黑溪沟右岸支流纸厂沟与汪家河沟汇合口下游约50m处，是一座具有场镇供水、农村饮水、农业灌溉等综合开发利用的小(1)型水利工程。大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，最大坝高39.4m，正常蓄水位526.0m，相应库容133.0万m3，调节库容123.1万m3；设计洪水位526.0m，相应总库容133.0万m3；校核洪水位526.31m时，相应总库容136.3万m3，工程设计灌溉面积336hm2。

该沥青混凝土心墙石渣坝心墙中心线位于坝轴线上游1.90m，心墙顶部高程526.90m，高于校核水位0.59m。心墙底部最低高程488.00m，心墙最大高度38.90m，心墙宽度0.5m。栏杆基座底部高程为526.60m，顶部高程为527.60m，心墙与栏杆基座之间设置伸缩沉降缝，缝宽20mm，采用铜片止水相连，缝内填聚乙烯闭孔泡沫板，表面2cm采用双组份聚硫密封膏密封。心墙与河床段周边建筑物连接的2m范围内为心墙扩大段，与左岸周边建筑物连接的4.0m范围内为心墙扩大段，与右岸周边建筑物连接的2.64m范围内为心墙扩大段，以延长结合面的渗径。心墙上、下游各设2.0m厚灰岩过渡层，上游坝体石渣料采用从料场开挖的弱风化页岩石渣料填筑，下游坝体石渣料采用基础开挖及鹅儿坪页岩石渣料场。坝体下游河床部位布置2.0m厚的级配灰岩排水体与下游灰岩块石排水棱体相接。

心墙下部设C25钢筋混凝土心墙基座，高3.0m，顶部宽8.0m，底部宽5.0m。心墙与基座及刚性建筑物连接处的表面凿毛，喷涂0.2kg/m2阳离子乳化沥青，待充分干燥后，涂一层厚度为2cm的砂质沥青玛蹄脂。沥青混凝土心墙与混凝土基座连接时设置双层铜片止水，止水铜片上涂刷沥青涂料。为形成封闭的防渗帷幕，左右坝肩沿原地面线设帷幕灌浆，帷幕灌浆深度深入相对不透水层(5Lu)以下5m。大坝坝基采用单排帷幕灌浆，孔距为2.0m。同时沿混凝土基座与基岩接触面进行固结灌浆，固结灌浆布置2排，排距2.0m，间距2.0m，深入基岩5.0m。

2 坝坡稳定计算

按《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2020第5.2.1条规定：坝坡应根据坝型、坝高、坝的等级、坝体和坝基材料的性质，坝所承受的荷载以及施工和运行条件等因素，经技术经济比较确定。对沥青混凝土心墙坝的坝坡，可参照已建坝的经验或近似方法初步拟定，最终由稳定计算确定。

2.1 坝坡设计

本工程的筑坝材料主要为上游Ⅰ区(弱风化页岩石渣料)、下游Ⅱ区(弱风化页岩石渣料)、Ⅲ区(强风化页岩石渣料)和Ⅳ区(弃渣料填筑)。最大坝高为39.40m，防渗体为沥青混凝土心墙，根据同类工程类比并结合计算确定，上、下游坝坡均为1∶2.5。

上游坝坡在高程510.00m处设置一条2.0m宽的马道，上游坝坡采用C20预制混凝土块护坡。大坝下游坝坡为1∶2.5，桩号坝横0+077.45m至左岸上坝公路桩号K0+128.00m范围内，在下游坝坡外侧采用弃渣回填，回填坡比1∶2.5。在高程507.50m、493.00m各设置一条马道，马道宽2.0m。下游坡面在高程493.00m以上采用C25混凝土框格植草护坡。493.00m高程下部为砂岩块石排水棱体，排水体顶宽2.0m，内坡坡比1∶1.5，外坡坡比1∶2.5。排水棱体下游侧采用弃渣平场至高程490.00m。大坝计算典型断面如图1所示。

图1 大坝稳定计算典型断面

根据类似工程经验，提出本工程坝体填筑材料技术要求如表1，下阶段应采取现场碾压试验确定坝体填筑标准和压实采用的参数(碾压设备型号、振动频率及重量、行进速度、铺填厚度、碾压遍数、加水量等)。

表1 坝体填料技术要求

2.2 坝坡稳定分析

2.2.1 计算方法

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)和《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)的规定进行边坡稳定分析。根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274-2001)8.3.9条“对于有软弱夹层、薄斜墙、薄心墙坝的坝坡稳定分析及任何坝型，可采用满足力和力矩平衡的摩根斯顿-普赖斯(Morgenstern-Price)等方法”。根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)5.2条“对于土质边坡和呈碎裂结构、散体结构的岩质边坡，当滑动面呈圆弧形时，宜采用简化毕肖普(Simplified Bishop)法和摩根斯顿-普赖斯法(Morgenstern-Price)进行抗滑稳定计算”。本次设计同时采用简化毕肖普(Simplified Bishop)法。计算程序采用土石坝稳定分析系统AutoBank6.1。

2.2.2 计算工况

坝区地震基本烈度为6度，在50年使用期、超越概率为10%、重现期为500年时，地震动峰值加速度为0.05g。按《水工建筑物抗震设计规范》(SL 203-97)，可不进行抗震计算。本次计算工况选取如下：

(1)正常运用条件

①稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位处于526.00m～504.30m之间的各种水位的稳定渗流期；

②库水位降落期，计算上游坝坡，水库水位处于526.00m～504.30m之间经常性的正常降落。

(2)非常运用条件

①竣工期，计算上、下游坝坡；

②校核洪水位稳定渗流期，计算上、下游坝坡，水库水位在526.31m时的稳定渗流期；

③库水位非常降落期，计算上游边坡，自校核洪水位526.31m降落，降落至死水位以下，以及大流量快速泄空等。

2.2.3 计算参数

根据地勘提供的岩土物理力学参数建议值，结合重庆地区已建水库(沥青混凝土心墙堆石坝)的经验，确定材料计算参数见表2。施工期、稳定渗流期、水库水位降落期采用固结排水的有效应力强度指标。

表2 填筑料物理力学参数设计值

表3坝坡稳定分析计算成果(坝后无弃渣段)运用条件计算工况坡面简化毕肖普法摩根斯顿-普赖斯法计算值允许值计算值允许值正常运用条件稳定渗流期库水位降落期上游坡1.8421.251.8401.25下游坡1.5851.251.5841.25上游坡1.2881.251.2891.25非常运用条件竣工期校核洪水位稳定渗流期库水位非常降落期上游坡1.9181.151.9161.15下游坡1.6051.151.6041.15上游坡1.8471.151.8451.15下游坡1.5851.151.5841.15上游坡1.2421.151.2441.15 表4坝坡稳定分析计算成果表(坝后有弃渣段)运用条件计算工况坡面简化毕肖普法摩根斯顿-普赖斯法计算值允许值计算值允许值正常运用条件稳定渗流期库水位降落期上游坡1.8421.251.8401.25下游坡1.4841.251.4841.25上游坡1.2881.251.2891.25非常运用条件竣工期校核洪水位稳定渗流期库水位非常降落期上游坡1.9181.151.9161.15下游坡1.4841.151.4841.15上游坡1.8471.151.8451.15下游坡1.4841.151.4841.15上游坡1.2421.151.2441.15

表5坝坡稳定分析计算成果(弃渣)运用条件计算工况坡面简化毕肖普法摩根斯顿-普赖斯法计算值允许值计算值允许值非常运用条件竣工期弃渣填筑边坡1.3711.151.3711.15 (1)坝后无弃渣在各设计工况下坝坡均是稳定的,计算成果见图2:

2.2.4 计算成果及分析

坝坡稳定分析计算成果见表3-表5。

(a)稳定渗流期

(b)库水位降落期

(c)竣工期

(d)校核洪水位稳定渗流期

(e)库水位非常降落期

(2)坝后有弃渣在各设计工况下坝坡均是稳定的，计算成果见图3：

(a)稳定渗流期

(b)库水位降落期

(c)竣工期

(d)校核洪水位稳定渗流期

(3)坝后弃渣在竣工设计工况下坝坡均是稳定的，计算成果见图4：

图4 新渣在竣工期的坝坡稳定计算成果

3 结论

文章从坝坡稳定分析证明坝体设计边坡和材料分区及材料设计力学参数是合理的，坝体是安全可靠的。