鱼枧水库沥青混凝土心墙堆石坝设计

范 超，张 颖

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

鱼枧水库位于重庆市南川区三泉镇半河社区上游，地处大溪河右岸一级支流龙岩江上游半河河段，坝址距半河社区约2.2 km，距三泉镇9 km，距南川区县城24 km。水库是一座满足水江工业园区供水、农业灌溉及农村人畜饮水等综合利用的Ⅲ等中型工程。坝址控制集雨面积为34.3 km2，水库总库容1 295万m3，水库多年平均可供水量1 637.7万m3，灌溉面积约1.04万亩，农村人饮1.29万人。

坝址区属侵蚀—剥蚀中切“坪”状中低山地形，两岸山体宽厚，坝区河道蜿蜒，河谷宽缓，河谷为横向谷，剖面形态呈左岸略陡右岸略缓的不对称“V”型。

1 坝体结构布置

大坝坝顶轴线总长229.40 m，正常蓄水位为711.00 m，设计洪水位为711.00 m，校核洪水位为711.62 m，坝顶高程为712.20 m，坝顶宽7 m。坝顶上游设置防浪墙，防浪墙顶高程713.40 m，墙底高程711.50 m。坝轴线底部最低高程为650.00 m(未含心墙基座高度)，最大坝高62.20 m。

上游坝坡分为二级坡，坡比均为1∶1.8，折坡点高程为692.00 m，马道宽3 m。上游围堰与上游坝脚之间堆放枢纽区开挖弃渣料，弃渣体坡比1∶2.7，弃渣堆放至678.00 m高程。下游坝坡分为四级坡，从坝顶至坝脚坡比分别为1∶1.8、1∶2.0、1∶2.0、1∶1.8，折坡点高程分别为692.00、672.00、658.00 m，马道均宽3 m。上游坝坡从坝顶至死水位以下2 m依次铺设300 mm厚碎石垫层、200 mm厚C20混凝土预制块护坡。下游坝坡658.00 m高程以上采用C20混凝土框格植草护坡。

沥青混凝土心墙中心线位于坝轴线上游1.50 m，心墙顶部高程711.50 m，心墙底部最低高程650.00 m，心墙最大高度61.5 m。根据设计规范[1]，本工程心墙顶部厚度0.50 m，底部厚度0.8 m(为坝高的1/78)，心墙倾斜坡度为1：0.002 61，距基座3 m范围心墙局部逐渐加厚至2.0 m。

沥青混凝土心墙基座内设有灌浆廊道，廊道轴线与心墙轴线重合，心墙C30混凝土基座底宽6.5 m，高8 m，顶宽6.5 m。基座内灌浆廊道净空3.0 m×3.5 m。心墙与基座间设铜片止水二道，心墙与防浪墙连接处设铜片止水一道。心墙与基础和岸坡的基座连接处采用厚度逐渐扩大的形式连接，扩大段高3.0 m，底宽2.0 m。心墙与基座及刚性建筑物连接处的表面应凿毛，喷涂0.15～0.2 kg/m2阳离子乳化沥青或稀释沥青，待充分干燥后，涂一层厚度为1～2 cm的砂质沥青玛蹄脂。沥青混凝土心墙堆石坝坝体典型剖面见图1。

图1 鱼枧水库沥青混凝土心墙堆石坝坝体典型剖面图

2 坝体材料及填筑技术要求

2.1 上、下游坝壳灰岩堆石区

上、下游坝壳灰岩堆石区采用库区料场开采的灰岩堆石料，要求上坝材料饱和抗压强度≥45 MPa，软化系数≥0.9；灰岩堆石料设计干密度为2.16 g/cm3，孔隙率≤21%。最大粒径不超过500 mm，碾压层厚800 mm；小于5 mm的颗粒含量10%～15%；小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%，渗透系数K>5×10-2cm/s。

2.2 下游坝壳利用料石渣区

下游坝壳利用料石渣区采用库区料场开采的页岩料、枢纽区的开挖利用料(剔除覆盖层和强风化页岩料)，要求软化系数≥0.65；该区石渣料设计干密度为2.14 g/cm3，孔隙率≤22%。最大粒径不超过500 mm，碾压层厚800 mm；小于5 mm的颗粒含量10%～15%；小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%，渗透系数K>1×10-2cm/s。

2.3 心墙过渡区

心墙过渡区应满足心墙与坝壳料之间变形的过渡要求，且具有良好的排水性和渗透稳定性，具有满足施工要求的承载力。心墙上下游过渡区采用相同的设计指标。

心墙过渡区采用0～80 mm的人工加工碎石料。心墙和过渡区沿坝高上下游各3.0 m宽不变，即过渡料的宽度沿坝高变化。

过渡料应具有连续的级配，具有较强的抗水性和抗风化能力。设计干密度为2.20 g/cm3，孔隙率≤18%。小于5 mm的颗粒含量25%～40%；小于0.075 mm的颗粒含量不超过5%。渗透系数K>1×10-1cm/s。

2.4 下游坝脚排水棱体

排水棱体顶高程658.00 m，顶宽3 m，外坡坡比1∶1.8，内坡坡比1∶1.4，内坡设40 cm厚粗砂40 cm厚碎石反滤层。排水棱体采用库区料场开采的灰岩堆石料，要求上坝材料饱和抗压强度≥45 MPa，软化系数≥0.9；设计干密度为2.16 g/cm3，孔隙率≤25%。排水棱体最大粒径不超过800 mm，碾压层厚1 000 mm，小于5 mm的颗粒含量10%～15%；小于0.075 mm的颗粒含量应不超过5%，渗透系数K>5×10-2cm/s。

2.5 上游坝脚弃渣压脚堆放区

上游围堰与上游坝脚之间堆放枢纽区开挖弃渣料，弃渣体坡比1∶2.7，弃渣堆放至678.00 m高程。采用枢纽区开挖弃渣任意料回填，设计干密度为1.90 g/cm3。排水棱体最大粒径不超过800 mm，碾压层厚1 000 mm，渗透系数K>1×10-3cm/s。

本工程坝体填筑材料技术要求如表1，碾压参数应根据现场试验确定。

表1 坝体填料技术要求

2.6 沥青混凝土心墙材料及技术要求

沥青混凝土心墙根据施工方法的不同，有碾压式和浇筑式两种型式。目前浇筑式沥青混凝土心墙坝的设计方法与理论还不成熟，已建工程主要是经验型的，且基本位于寒冷地区，坝高多在20～40 m[2]。考虑本工程历年极端最低气温-5.8℃，且南川地区低温历时较短，本工程坝体填料填筑量较大，为加快施工进度，采用碾压式致密中粒沥青混凝土，原材料包括沥青、骨料、填料和掺料等。沥青初选90号水工沥青或道路沥青。粗骨料采用碱性岩石(灰岩)破碎的碎石，细骨料选用人工砂或天然砂，填料采用石灰岩粉、白云岩粉等碱性岩石加工的石粉。为提高沥青混凝土的水稳定性，可在沥青中掺加抗剥落剂(消石灰2～3%)和在矿料中掺用消石灰、普通硅酸盐水泥或其他高分子材料，外加石棉可提高沥青混凝土的抗压、抗拉强度，减少流动性，外加量1%。原材料技术要求见表2～表5。

表2 水工沥青混凝土所用沥青的技术要求

表3 粗骨料的技术要求

表4 细骨料的技术要求

表5 填料的技术要求

水工沥青混凝土配合比设计中，级配指数、油石比、填料含量是影响水工沥青混凝土强度、变形和防渗性能的主要因素[3]。本工程参考类似工程经验通过试验方法进行选择，沥青混凝土配合比参数范围可为：沥青占沥青混合料总量的6%～7.5%，填料占矿物总量的10%～14%，骨料的最大粒径不宜大于19 mm，级配指数0.35～0.44。

2.7 沥青混凝土技术要求

沥青混凝土主要技术要求见表6。

表6 心墙沥青混凝土主要技术要求

3 基础处理设计

3.1 坝基处理

坝体覆盖范围内清除河床和漫滩范围内的表层粉土及冲积砂卵砾石层，以及坝基与岸坡上的草皮、树根、含有植物的表土、蛮石、垃圾及其它废料，清除岩石坝基和岸坡表面松动石块、凹处积土和突出的岩石。沥青砼心墙基座置于较完整的弱风化灰岩上部，基座建基面高程643.00 m。基座底部及两侧设置Φ25锚筋，锚筋长5 m，间排距2 m。

3.2 岸坡处理

左岸岸坡坝横0+165.520～坝横0+229.400段强卸荷带较深，无法全部挖除，沥青混凝土心墙基座置于较完整弱风化页岩中上部，基座底部及两侧设置Φ25锚筋，锚筋长9 m，间排距2 m，锚筋深入强卸荷带不小于3 m。同时固结灌浆孔深入强卸荷带。其中坝横0+165.520～坝横0+194.220段基座底部采用C30混凝土回填至设计基座底高程。

右岸岸坡坝横0+100.520～坝横0+000.000段沥青混凝土心墙基座置于清除强卸荷带后较完整弱风化页岩中上部，基座底部及两侧设置Φ25锚筋，锚筋长5 m，间排距2 m。

4 坝基防渗处理

4.1 基础帷幕灌浆

根据设计规范[4]，坝基帷幕灌浆深入相对不透水层(q≤5Lu)以下5 m，帷幕灌浆深入两岸的长度为水库正常蓄水位与相对不透水层在两岸的相交处。大坝帷幕灌浆采用单排灌浆孔，孔距2 m，大坝帷幕灌浆通过心墙基座内的灌浆廊道，坝顶左岸灌浆轴线长72.6 m，其中灌浆平洞长45 m，灌浆平洞2.5 m×3.0 m(宽×高)。右岸为在建高速公路，灌浆平洞施工较困难，帷幕灌浆轴线在右岸坝顶转折后向上游延伸49 m至高速公路挡墙墙脚。同时在灌浆末端增设8孔倾斜式帷幕，斜孔倾向山体一侧，与垂直帷幕孔竖向夹角30°，8个斜孔均钻深30 m。

4.2 基础固结灌浆

沥青混凝土心墙基座底面与基础接触面整个范围内布置固结灌浆，基座底宽7 m，布置灌浆孔2排，通过心墙基座内的灌浆廊道实施有盖重固结灌浆。基岩固结灌浆钻孔垂直基岩面，间距3 m，固结灌浆深入基岩6.0 m。

5 坝坡稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)和《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)的规定[4-5]进行边坡稳定分析，本工程采用简化毕肖普(SimplifiedBishop)法和摩根斯顿-普赖斯法(Morgenstern-Price)进行抗滑稳定计算，计算程序采用河海大学工程力学系和南京水准科技有限公司联合开发的土石坝稳定分析系统AutoBank6.1。坝坡稳定分析计算成果见表7。

表7 坝坡稳定分析计算成果表

通过对重庆市鱼枧水库工程沥青混凝土心墙堆石坝坝坡稳定计算及分析，可以得到，在稳定渗流期、水位降落期、竣工期和非常降落期等各种工况下坝坡的安全系数计算结果均能满足土石坝设计规范的要求。