碾压式沥青混凝土心墙坝体型设计与评价

杨 波

(新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

土石坝具有复杂地形适应强、施工周期短、建造成本低等显著优势，是新疆地区首选的重要坝型[1]。加之新疆石油资源丰富，沥青品质极高，为发展高沥青心墙坝奠定了重要基础[2]。世界已建沥青心墙坝217座；中国已建119座；新疆已建70余座(占全国的60%)，100m以上高坝占全国73.3%。如已建成的一批“百米”级沥青心墙坝有：新疆民丰县尼雅水库(坝高134.0m)、且末县大石门水利枢纽工程(坝高128.8m)、哈密市BMD水库(坝高128.0m)、哈密市八大石水库(坝高115.7m)、和硕县伯斯阿木水库(坝高111.0m)、呼图壁县石门水库(坝高106.0m)、托克逊县阿拉沟水库(坝高105.3m)、轮台县五一水库(坝高102.5m)、拜城县温泉水库(坝高102.5m)、乌苏市吉尔格勒德水库(坝高101.0m)。然而，国内外已建或在建的高沥青混凝土心墙坝中，尚有些工程蓄水后，导致坝体不均匀沉降，严重时有些工程坝后渗压计异常漏水严重，对下游厂房及坝体安全运行造成重大隐患[4]，因此，坝体的合理变形控制对整个工程的安全运行非常重要[3]。为振兴兵团经济，加快实施新型工业化进程，实现经济跨越式发展，充分利用国家政策和十三师的资源、交通和区位优势，转变经济发展方式，也为了实现地表水资源的合理配置和高效利用，有效调节年内水量，提高灌溉供水保证率，解决园区供水问题，保障社会稳定，促进民族团结，在新疆哈密修建BMD水库，该水库具有灌溉、工业供水等综合利用功能。然而作为国内已建和在建排名第4高的沥青心墙坝，大坝设计面临着“一狭一高两小”的问题，即库盘河谷相对窄狭，切割深度大，河谷多呈“V”形地貌形态，最大坝高为128m(心墙高度116.4m)，灌溉供水规模小、洪水标准对应的洪峰流量小的特点。本文结合工程特点提出满足规范要求的大坝结构及土料设计指标[4-8]，并建立大坝三维模型用于分析计算，依据计算成果评价坝体的设计成果[9-10]。

1 工程概况

BMD水库工程为下游十三师农业灌溉用水及工业用水起到了调节作用，总库容为906万m3，正常蓄水位为1543m，坝高128m，控制灌溉土地面积为5.1万亩，为Ⅳ等小(1)型工程。工程由拦河坝、左岸的溢洪道、导流兼顾灌溉供水洞组成，坝址区设计地震烈度为Ⅶ度。

1.1 坝体结构设计

大坝与上游围堰永久结合，围堰顶宽5.0m，上、下游边坡1∶2.0。堰顶高程1474.00m以上坝坡取为1∶2.25，采用现浇C30W6F300砼护坡，厚0.20m。混凝土采用42.5水泥，二级配，分块尺寸3m×3m，结构缝宽2cm，采用2cm厚高压闭孔板嵌缝。考虑心墙上游堆石区为含水区，在水库运行过程中，库内水位下降，为减缓坝体内水无法及时排出而产生扬压力对护坡的浮托破坏，在护坡上设置排水孔(每块板上布置4孔，孔径φ100)，同时在排水孔处砼护坡下设无纺布，以防止把坝体内细颗粒带出，造成坝体渗透破坏。下游马道间坝坡为1∶1.8，采用30cm厚混凝土框格干砌卵石护坡，混凝土框格厚0.3m，高0.5m，下游坡设之字形上坝公路，路宽5m，纵坡i=9%，共设4级上坝道路，路面表层沥青砼厚5cm，其下设20cm厚级配碎石垫层，最大断面下游综合坡度约1∶2.01。

1.2 坝体沥青心墙设计

坝体填筑分区从上游至下游分为砂砾料区、过渡料区、沥青混凝土区、过渡料区及排水料区[5-7]。砂砾料区位于过渡层外侧，底部位于坝基，采用C1料场料填筑，平均运距1.5km。河床砂砾石填筑层厚0.8m，相对密度Dr≥0.85。过滤料位于心墙的两侧，顶高程1545.00m，由C1砂砾石料场筛除80mm以上粒径的砂砾料获得，水平宽度3m，等宽布置，相对密度不低于0.85。防渗体采用垂直布置的沥青心墙，墙体轴线与坝轴线间隔3.0m偏向上游，心墙顶宽为0.8m，底宽为1.2m，在底部做放大脚与基础相连。高程1545.00～1505.00m段心墙厚度80cm，高程1505.00～1465.00m段心墙厚度100cm，高程1465.00～1418.90m段心墙厚度120cm[2]。

1.3 沥青砼心墙与岸坡及其他建筑物的连接方式

(1)沥青混凝土心墙与底部基础、两侧岸坡采用混凝土基座连接，坡度开挖面不陡于1∶0.5，混凝土基座基础底部位于弱风化层内，固结灌浆深度5m。

(2)沥青砼心墙与左岸溢洪道边墙连接，对心墙基座宽度范围内的溢洪道边墙边坡加厚放缓至1∶0.3，并在放缓后的溢洪道边墙上设置1.8m宽凹槽，心墙局部加厚与凹槽连接，溢洪道边墙与心墙连接段采用1∶0.3的斜坡，以保持心墙与边墙为压力接缝，缝内设止水，接触面涂刷厚度为1～2cm的沥青玛蹄酯。

1.4 坝基防渗设计

左、右坝肩沥青砼心墙防渗体建基于弱风化层上部，开挖深度最大约20m，基岩上设1.0m厚5.5m宽强度等级为C30砼基座与沥青混凝土心墙防渗体相接。坝肩基础进行固结灌浆，排距1.5m，孔距2m，梅花形布置，孔深5m。基础下部设2道灌浆帷幕，孔深度以深入q≤3Lu线以下5m控制，即左坝肩帷幕灌浆深度为50m，右坝肩帷幕灌浆深度45m。左坝肩卸荷体做加强防渗处理，设4排帷幕，帷幕深度需达到卸荷体底部以下5m并同时按深入q≤3Lu线以下5m控制。

河床部分心墙基础位于弱风化上限，在心墙底部浇筑5.5m宽1.0m厚混凝土盖板，并采用双排帷幕灌浆，控制标准以小于3lu线以下5m为准。

左岸坝肩灌浆平硐长20m，右岸坝肩灌浆平硐长25m，单排帷幕、灌浆控制标准按小于3Lu孔距2m。

对坝壳基础内的节理裂隙与出漏的断层，采用混凝土塞进行回填处理，并对塞下不良部位加强固结灌浆。

2 有限元计算分析

2.1 筑坝料静力模型本构

新疆天然砾石分布范围广，利用天然砂砾石填筑坝体，是新疆心墙坝区别于一般心墙坝的主要特征。对BMD沥青混凝土心墙坝开展了三维非线性分析计算坝体和沥青心墙的变形与应力规律。建立碾压式沥青混凝土砂砾石坝三维有限元模型，其中，顺河向位移以向下游为正，应力以压为正。填筑料采用Duncan-E-B模型，对应的弹性矩阵如公式(1)[11-16]，模型中的混凝土均为弹性模型。

(1)

式中，Et—切线弹性模量；B—体积模量。

坝体填筑料邓肯E-B模型参数见表1。表中ρd为干密度，K为粗粒土的初始模量，n为切线弹性模量指数，Rf为破坏比，C为粘聚力，φ为摩擦角，Kb初始模量基数，m为反映初始模量随围压变化的速率。

表1 坝体填筑料邓肯E-B模型参数表

2.2 坝体填筑和蓄水过程模拟

坝体最大坝高128m，实际每层填筑后高度为0.8m，根据同类型工程计算经验，在蓄水前的施工期模型每3m填筑1层，最后2部采用4m填筑1层，共计42个分析步，蓄水分31个分析步蓄水。

2.3 网格剖分及边界条件

工程的三维有限元网格模型如图1所示，维有限元模型共有单元307055个，节点327，338个。其中，沥青心墙料，高程1510m为分区线，上、下采用不同的沥青心墙材料。由于坝体底部及两岸岸坡均位于灰色黑云母花岗岩基础之上，该岩性为坚硬岩。因此将模型底部所有节点进行全部约束。

图1 坝体三维网格剖分图

3 成果分析

通过建立心墙坝三维有限元模型，计算大坝在上述工况下的变形特性分析结果表明：

(1)当填筑至第42部时即大坝填筑完毕后，上游坝体顺河向最大变形量值为9.0cm，下游坝体顺河向最大变形量值为13.7cm；当蓄水至正常蓄水位时即模型在第73步时，在分层蓄水压力的作用下，坝体整体向下游变形，上游侧的变形减小至7.8cm，下游侧变形量增大至17.8cm。最大沉降量为35.1cm占整个坝高0.27%，满足规范坝体变形量占坝高小于1%的要求。由于本工程位于狭窄河谷坝体受拱效应作用大、小主应力最大值分别为-2.08、-0.75MPa。

(2)当水库蓄水后模型到第71步时在上游水压力作用下沥青心墙顺河向变形逐渐增大，顺河向向下游的最大位移达到12.0cm，位于心墙顶部；坝体水平向最大值分别为18.4cm(向下游)和8.1cm(向上游)。最大沉降量为31.7cm(没考虑坝壳料湿陷，仅考虑上游坝壳料浮容重)占整个坝高0.25%，坝体在地形作用下拱效应影响到心墙，心墙底部大、小主应力最大值分别为2.44、0.94MPa，心墙竖向沉降最大值为30.0cm，位于河谷中间坝体1/2处，由于对坝体蓄水后沥青混凝土心墙的竖向、水平向应力均大于相同高程的水压力产出的应力，即按照黏土心墙坝水力劈裂的判别方法，满蓄期时将任一点的计算竖向应力减去水产生的应力后的值作为判断标准，由此原理绘制心墙等值线图如图2—4所示，可知心墙最小值为0.1位于两岸起坡点，图中所有值均大于0，表明发生水力劈裂的可能性很小。

图2 满蓄期水平位移等值线图(单位：cm)

图3 满蓄期竖向沉降等值线图(单位：cm)

图4 满蓄期竖向应力与水压力差值(单位：MPa)

4 结论

工程大坝面临着“一狭一高两小”的设计难题，通过地形地质及外部边界条件提出满足要求设计方案，本次研究采用了先进的精细化三维非线性应力与变形有限元分析方法对BMD沥青混凝土心墙大坝的坝体、心墙及基座的应力与变形规律进行了系统的分析，竣工期与满蓄期坝体变形均符合沥青心墙坝一般变形规律，满蓄期坝体的最大竖向沉降占坝高的0.25%，统计以上变形成果与同级别坝体沉降相比算较小的，满足设计要求的坝体的填筑标准，可有效的控制坝体的变形。沥青混凝土心墙在施工期、蓄水期变形不大、竖向应力与水压力差值大于0，满足工程运行要求。采用有限元法验证设计合理性，为工程正常运行提供可靠依据。