２０１３年第３２卷第１期・ＤＷＲＨＥ 水利水电工程设计 ・２５・ 玉滩水库沥青混凝土心墙石渣坝设计 陆永学 时铁城 李 娅 李浩瑾 摘 要 玉滩水库扩建工程主坝经过精心设计，采用了适合软岩地区的沥青混凝土心墙石渣坝。通过相关试验和计 算，合理确定了坝体结构和分区，大坝２００８年底开工建设，２Ｏｌ１年基本完工，２ｏ１２年汛期水位达到正常蓄水位， 经受了蓄水考验。 关键词 玉滩水库 沥青混凝土心墙 软岩石渣坝 中图分类号ＴＶ６４１ 文献标识码Ｂ 文章编号 １００７—６９８０（２０１３）０１—００２５—０４ １工程概况 工程由枢纽和灌区组成。水库枢纽由主坝、 化一微新岩体中，少数发育在全强风化岩体中； 从分布层位看，Ｊ ｓ 、Ｊ２ｓ 泥岩层中较为发育，其 次为Ｊ２ｓ 之砂岩层中；一般分布较为分散，延伸长 度较短，厚度较薄，仅玉ＺＫ１０与玉ＺＫ１１之间分 布在高程约２９０ ｍ、ＨＫ２８与ＨＫ２９之间分布在高 程约３１５ ｍ的软弱夹层相互连通，延伸较长。 副坝、溢洪道及灌溉引水隧洞等组成．水库正常 蓄水位３５１．６０ ｍ，相应库容１．３２１亿ｍ ，校核洪 水位３５３．３２ ｍ，总库容１．４９６亿ｍ ，为大（２）型 ＩＩ等工程。水库设计洪水标准为１００年一遇洪水， 洪峰流量为２ ２２０ ｍ３／ｓ：校核洪水标准为２ ０００年 一３坝体料力学特性试验 ３．１ 料场 遇洪水，洪峰流量为４ ４８０ ｍ３／ｓ。作为枢纽主要 建筑物．主坝为２级建筑物，坝址区基岩为侏罗 系中统上沙溪庙组上段砂岩、泥岩及砂岩、泥岩、 粉砂岩互层。地震基本烈度为６度，建筑物设防 烈度为６度。主坝推荐坝型为沥青混凝土心墙石 渣坝，最大坝高４２．７０ ｍ，坝长６７８．１５ ｍ。 主坝坝体填筑料采用当地砂岩石渣料和泥岩 石渣料。砂岩石渣料有斜石坝和牛场寨２个料场。 斜石坝有用层为Ｊ２ｓ ４弱风化一新鲜巨厚层砂岩． 弱风化砂岩饱和单轴抗压强度８．Ｏ５～８．５７ ＭＰａ，软 化系数０．５２．厚度６．９～１３．８ ｍ：牛场寨有用层为 Ｊ２ｓ 弱风化一新鲜巨厚层砂岩，弱风化砂岩饱和 ２工程地质条件 坝址位于浅山丘陵地貌区，地面高程３０９～３７６ ｍ。最高处为主坝左坝肩香炉石．山顶高程３７６．１ ｍ。最低处为玉滩桥以下濑溪河河床，高程３０９．９ ｍ，相对高差约６６ ｍ。濑溪河河道弯曲，河谷开 阔，呈Ｕ形。主坝左岸地形坡度陡，香炉石呈平 单轴抗压强度７．９０～９．７７ ＭＰａ，软化系数０．５０，厚 度１４．９～２３．１ ｍ。 ３－２现场碾压试验 ３＿２＿１初次碾压试验 为了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 筑厚度、碾压遍数等），对筑坝材料进行不同的铺 土厚度、不同碾压遍数和加水与不加水等多种不 同工况的现场碾压试验。 顶丘，四周砂岩形成陡崖，高度１５～２５ ｍ；右岸地 形坡度缓，轿顶坡地形呈阶梯状，坡角２０。一３０。。 坝址区第四系松散堆积层分布范围较大．除 局部厚度较大外，一般厚度不大。基岩地层为中 生界侏罗系中统上沙溪庙组上段红色碎屑岩，总 现场碾压试验选择２５ ｔ自行式振动平碾，分不 加水和加水２种试验工况。加水工况分３种铺土厚度 厚度约２４０ ｍ。 坝基岩体中发育软弱夹层．一般延伸长度不 大，分布较为分散．厚度较小。 软弱夹层以原生为主，其次为次生型、构造 型；在发现的软弱夹层中，有６条为地面调查发 （６０、８０、１００ ｅｍ），３种碾压遍数（４、６、８遍）， １种行车速度（２．５ ｋｌｌ ）：不加水工况分３种铺土厚 度（６０、８０、１００ ｃｍ），２种碾压遍数（４、６遍），１ 种行车速度。 砂岩料加水区域和不加水区域碾压后的干密 度分别见表１和表２。 现的．其余均为钻孔揭露：大多数发育在弱风 ・２６・ 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ．２０１３年第３２卷第１期 铺土厚度］ｃｍ 碾压遍数 １ ２ ３ 干密度／（ｓ・ＣｌＴＩ－：￣） 最小值 最大值 平均值 平均干密度值随铺土厚度的变化幅度不完全相同． 但总体的变化规律较为相似．平均干密度值随铺 土厚度的增加有较为明显的减小．铺土厚度从６０ ３．２－２补充碾压试验 现场碾压试验完毕后．根据设计要求对砂岩 料做补充试验，补充碾压试验铺土厚度８０ ｃｍ和 １００ ｃｍ，碾压遍数８遍，激振力３９０ ｋＮ。加水量 为５．５％（按试验料填筑体积计算），并在上料摊铺 过程中洒水．以使洒水更为均匀。 经补充试验，砂岩料复核试验干密度结果见 ｃｍ增加到８０ ｃｍ时的干密度减小幅度较铺土厚度 从８０ ｃｍ增加到１００ ｅｍ时要小。平均干密度值随 碾压遍数的增加呈规律性的增加，碾压遍数从４ 遍增加到６遍时的干密度增加幅度较碾压遍数从６ 遍增加到８遍时要大。 表３，表面累计平均沉降关系曲线见图１。 表３砂岩补充试验干密度结果 从砂岩料的补充试验可以看出，随着激振力 压８遍，设计于密度２．０３ ｇ，／ｃｍ 。 的提高，干密度较碾压试验都有０．０２ ｇ／ｃｍ 的提 高，说明碾压激振力对干密度值的提高有较为明 显的影响。从颗粒级配曲线上也可以看出，试验 ４主坝设计 ４－１ 主坝坝体设计 料破碎情况较碾压试验更为显著，累计平均沉降 量的变化趋势与碾压试验变化规律相似。 主坝坝型为沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶高 程３５４．２０ ｍ，防浪墙顶高程３５５．６０ ｍ，最低建基 面高程３１１．５０ ｍ，最大坝高４２．７０ ｍ。坝顶总长 ６７８．１５ ｍ，坝顶宽７ ｍ。大坝上游在高程３３３．５０ ｍ 根据现场碾压试验，确定坝体施工碾压参数： 砂岩加水、铺土厚度８０ ｃｍ、激振力３９０ ｋＮ、碾 陆永学等・玉滩水库沥青混凝土心墙石渣坝设计 碾压遍数 Ｍ：２ 加 ・２７・ Ｏ Ｏ：４ ｍ 如 采用草皮护坡。 坝体分为上游石渣区、上游临时挡水断面、 沥青心墙、心墙过渡层和下游石渣区。心墙过渡 层料、反滤料、水平排水、贴坡排水等均采用强 目 皇 度较高的灰岩石料。上游临时挡水断面采用复合 土工膜临时防渗。坝壳料采用强度较高的砂岩石 渣料填筑。心墙过渡料设计干密度２．１０ ｇｅｍ ，根 据《重庆玉滩水库扩建工程现场碾压试验报告》 确定砂岩石渣料干密度不小于２．０３ ｇｅｍ ，铺土厚 度８０ ｅｍ，碾压８遍。为控制施工期沉降，满足加 快施工进度要求，主坝心墙施工一、二期填筑高 程统一后，主坝下游过渡料设计干密度由２．１Ｏ ｇ／ 图Ｉ砂岩加水碾压８遍工况下表面累积沉降量关系曲线 面 逝 蜉 士 磔 ｃｍ 调整为２．１５ ｇｅｍ。：石渣料设计干密度由２．０３ 以上边坡为１：２．２５，高程３３３．５０ ｍ以下至高程 ３２３．００ ｍ坡度为１：２．５，再以下为１：２．７５，高程 ３３３．５０ ｍ设宽４．２７５ ｍ马道．３２３．００ ｍ高程设５ ｍ 宽马道；下游３２７．００ ｍ高程以上边坡为１：１．９，以 下为１：２。分别在高程３４０ ｍ及３２７ ｍ处设置马 道。马道宽度均为２ ｍ。 ｇｅｍ 调整为２．０７ ｇｅｍ。。下游石渣料每层虚铺厚度 为６０ ｃｍ，最大粒径为４５ ｃｍ。坝壳石渣料渗透系 数不大于１￣１０ ｃｎ１／ｓ。反滤料要求相对密度不小 于０．７０。 ４．２主坝有限元分析 玉滩水库主坝分别进行二维、三维有限元计 算。沥青混凝土心墙和坝体填筑体采用邓肯一张 （Ｄｕｃａｎ—Ｃｈａｎｇ）Ｅ—Ｂ非线性模型模拟，混凝土采 用线弹性模型模拟：沥青混凝土心墙与过渡层的 接触面采用薄层接触面单元模拟。 沥青混凝土心墙采用直心墙形式，厚度在高 程３３１．０ ｍ以上为０．５０ ｍ，以下为０．７０ ｍ，墙顶高 程为３５３．４０ ｍ．高于校核洪水位３５３．３２ ｍ。心墙 底部２ ｍ为渐变段，与混凝土齿槽相接处心墙加 厚至１ ｍ，混凝土齿槽混凝土采用Ｃ２０Ｗ６，二级 配．沥青混凝土心墙与混凝土齿槽采用止水铜片 二维和三维坝体位移计算结果的特征值见表 ４．沥青混凝土心墙计算结果的特征值见表５。 表４坝体位移计算结果汇总表 ｃｍ 连接．为保证沥青混凝土和混凝土齿槽良好连接， 齿槽顶部设反弧，反弧上铺设２０ ｍｍ沥青玛蹄脂。 心墙上、下游侧分别设２ ｍ厚的过渡层，作为沥 青混凝土心墙的持力层和保护层。过渡层至坝基 逐渐加厚与基础相接。心墙过渡层后布置水平排 水．坝脚设贴坡排水，与水平排水相接。水平排 水采用排水条带形式，梯形布置，底宽５．０ ｍ，两 侧边坡１：１．２，中间为块石，四周包反滤，沿坝轴 线自左向右设有６条排水带。贴坡排水顶高程３２７ ｍ，坡比１：２，贴坡排水厚度０．５ ｍ，采用干砌石砌 筑，排水下设２层反滤，每层厚度０．３０ ｍ。坝脚 设纵向排水沟，并在河床坝段设排水沟将主坝渗 分析主坝二维、三维有限元计算结果，有下 列结论： （１）由于坝轴线较长，沿坝轴线方向地形变 化较缓．主坝的河谷三维效应很小，坝体应力位 移的最大值发生在最大断面坝段，即桩号０＋１８０ 至桩号０＋３００的坝段。该坝段范围内的二维和三 维计算结果基本一致。 水导人下游河道。大坝上游面下部采用干砌块石 护坡，上部采用混凝土预制块护砌；坝体下游面 （２）坝体在自重作用下的沉降量最大为３０ ｃｍ，沉降变形在坝高的１％以内；蓄水后，由于上 表５沥青混凝土心墙应力位移计算结果汇总表 二维 三维２．６ ４．８ ２９ ２９ ｌ＿０１ ０３３ ０３７ ｎ３９ １９．６ １９．８ ２４ ２４ ０．８７ ０．８８ ０＿４２ ０－４２ ０Ｉ３２ ０＿３２ １．０３ ｎ３８ ・２８・ 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ・２０１３年第３２卷第１期 游侧坝壳浮力的作用，坝体沉降略有减小，为２８ ｃｍ。竣工期坝体的向下游的水平位移最大为ｌ４ ｃｍ；蓄水后，由于水压力的作用，坝体向下游的 ｍ，右岸３０５ ｍ。根据《帷幕灌浆试验报告》确定 帷幕灌浆孔距２．０ ｍ，灌浆压力是根据地质情况、 孔序情况控制０．５ １．２ ＭＰａ。坝基防渗帷幕在左岸 与溢洪道控制段防渗帷幕连成一体，右岸与单薄 分水岭防渗幕体相接。 为加强坝基基岩的整体性及心墙基座与基础 的紧密连接。在心墙下设２排固结灌浆孑Ｌ进行固 水平位移增加到２１ ｃｍ。整个坝体的应力分布较 好：竣工期坝体绝大部分区域应力水平都较小 （小于０．５ ＭＰａ）；蓄水期，除心墙上游侧临近区域 应力水平达到０．９ ＭＰａ外，坝体其它区域的应力水 平较小（小于０．６ ＭＰａ）。 （３）竣工期沥青混凝土心墙的水平位移很小， 结灌浆，灌浆孔距３．０ ｍ，孔深６．０ ｍ。 沉降较大．沉降最大值约２９ ｃｍ，发生在最大断面 坝段的心墙中部。蓄水期，由于水压力的作用， 沥青混凝土心墙发生向下游的水平变形，位移最 大约为２０ ｅｍ．发生在最大断面坝段的心墙上部。 竣工期．沥青混凝土心墙的应力接近自重应力分 ６结语 （１）玉滩水库２００８年开工建设，２０１０年底主 坝填筑到坝顶，２０１２年水库正常蓄水，目前大坝 运行良好，经受了洪水考验。 （２）玉滩枢纽主坝采用沥青混凝土心墙软岩 石渣坝。软岩作为介于土、石之间的一种材料， 其性状有别于土、石，理论基础相对较为薄弱， 布，大主应力最大值约ｌ ＭＰａ，小主应力最大值 ０．３５ ＭＰａ。蓄水期，除墙底部应力略有减小外，其 它部位沥青混凝土心墙的应力混凝土竣工期一样， 但对于缺少理想筑坝料源的地区来讲．其利用和 推广有着广阔的空间。随着土工试验技术、大型 土工试验仪器的发展以及大功率震动平碾的使用， 对筑坝材料的限制也在逐步的突破和放宽．并尝 试采用任意石渣料筑坝。软岩筑坝技术在国内外 接近自重应力分布，大主应力最大值约０．９ ＭＰａ， 小主应力最大值０．４２ ＭＰａ。无论竣工期还是蓄水 期，沥青混凝土水平的应力水平都较小，均小于 ０．４ ＭＰａ。用应力水平来评价沥青混凝土心墙的安 全性，则沥青混凝土心墙有较大的安全裕度。 坝工界也在逐渐起步，一些大坝将软岩开挖料布 置在下游坝体干燥区。达到了一定的节省投资目 ５主坝基础处理 本工程主坝采用沥青心墙石渣坝，大（２）型水 库，根据规范，基础透水率应控制在５ Ｌｕ以下。 透水率ｑ大于５ Ｌｕ的底界高程为：左坝肩３０４ ｍ； 右坝肩３１０ ｎｌ；河床２７４ ｍ。 的。玉滩水库主坝采用了坝壳全断面软岩填筑技 术，对其他此类坝均有借鉴意义。 作者简介 陆永学 男 高级工程师 黄河勘测规划设计有限公司天 津设计院 天津３００１９１ 根据地质建议，心墙及反滤层部位基础开挖 时铁城 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公司 天津３００２２２ 至弱风化中下部岩体，其余部位适当放宽，开挖 到弱风化上部。心墙下布置灌浆帷幕，与心墙相 李 娅 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津３００２２２ 连，形成坝体、坝基的防渗体系。采用单排幕， 孑Ｌ距２ ｍ。坝基相对不透水层按透水率小于５ Ｌｕ 控制，防渗帷幕伸入相对不透水层５ ｍ。主坝帷幕 长７２４．４０ ｍ．下限高程左岸为２９５ ｍ，河床２７０ ・—— 一—・ 一李浩瑾 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津３００２２２ （收稿日期 ２０１２—１２—０６） －—・＋一＋－十一—— 一—。＋一一—’一－— 十ｒ－—十一－—・卜一—＋＾一—＋－一—卜－—卜－—・卜－—卜一——卜 ・书 讯・ 欢迎订阅《黄河龙口水利枢纽工程技术研究》 本书系统全面地介绍了黄河龙口水利枢纽工程有关勘察设计及工程技术经验成果，全书分两大部分内容．第１部分为ｌｌ： 程勘测设计，主要包括工程设计基本情况、水文及工程规划、工程地质、工程布置及建筑物、水利机械与电气、金属结构、 主要设计变更及设计优化等勘测设计成果；第２部分为工程技术论文，内容涵盖本工程有关工程规划、工程地质、工程布置 及建筑物、建筑与消防、机电设备与金属结构、施工组织与概算以及有关科研试验等相关专业技术成果。 本书内容全面，专业性强，可供水利水电工程勘查、设计施工、科研等部门技术人员和管理人员使用，同时也町供水利 水电院校师生参考使用。本书７２万字，定价８８元。预购者，直接汇至《水利水电工程设计》编辑部，地址：天津市河西区洞 庭路６０号，邮编：３００２２２，联系电话：２８７０２８５４。