任意料在纳达水库沥青混凝土心墙土石坝中的应用研究

涂晓霞

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

纳达水库位于兴义市仓更镇境内，南盘江支流岔河下游河段，坝址以上控制集雨面积为39.4 km2，多年平均流量为0.69 m3/s。水库正常蓄水位为1 037.0 m，死水位为1 010.0 m，兴利库容为722.2万m3，校核洪水位为1 040.0 m，总库容为1 076.8万m3，是以农田灌溉、乡镇供水和农村人畜饮水等综合利用的中型水库工程，经多种坝型比较和研究，挡水坝采用沥青心墙混合土石坝，最大坝高为81.2 m，工程静态总投资为6.44亿元[1]。

坝址河谷为高山峡谷，地形呈“V”型发育，属侵～蚀剥蚀低中山区，河谷为高山峡谷地形，左岸1 031 m高程以下坡角为35°～50°，1 031 m高程以上岸坡较缓，坡度为25°～30°，右岸山体高程大于1 200 m，坡角为30°～40°。坝址左岸为斜逆向坡，坝址右岸为斜顺向坡。

第四系残坡积层(Q4edl)含碎石粉质粘土，厚约1.60～6.20 m。第四系河流冲积层(Q4al)上部为粉质粘土，下部为含泥砂砾卵石层，厚约5.0～8.0 m。

坝区基岩三叠系中统河口组上段(T2hb)细砂岩与灰质泥岩互层，河床未揭露全风化层，强风化层厚度为0.80 m左右，左岸全风化层厚度为0～22.30 m，强风化厚度为13.80～36.0 m，右岸未揭露全风化层，强风化厚度为2.80～11.20 m。坝区构造节理较发育，主要为背斜褶曲纵、横张裂隙。细砂岩饱和单轴抗压强度达Rb=64.8 MPa，属坚硬岩。灰质泥岩饱和单轴抗压强度达Rb=14.4 MPa，属软岩；
坝址弱风化细砂岩属AⅢ2类岩体，弱风化灰质泥岩属CⅣ类岩体。坝址区细砂岩夹灰质泥岩或互层，构成了坝址区软硬相间的岩体结构，灰质泥岩成为相对软岩夹层，岩体强度受软岩夹层控制。

左右岸第四系残坡积层属于中等透水～弱透水层，河床覆盖层砂卵砾石为强透水层。按透水率q≤3 Lu作为相对隔水层标准，相对隔水层左岸埋深为21.30～59.85 m，相应高程为974.37～1 023.09 m，河床埋深为24.45～60.0 m，相应高程为912.62～946.09 m，右岸埋深为30.90～56.30 m，相应高程为972.11～1 010.13 m。

工程区地震动峰值加速度为0.05g[2]，相应地震基本烈度为Ⅵ度，总体属区域构造稳定性好的地区。本工程各建筑物抗震设防烈度为Ⅵ度，可不进行抗震计算[3]。

2.1 大坝剖面设计

沥青混凝土心墙混合土石坝坝体结构分区分为碾压式沥青混凝土防渗心墙、上下游过渡层、坝体弱风化料(1A)(1B)区、强风化石渣料区、坝体混合料、排水带、反滤层等,坝体结构分区遵循变形模量由中间向两边逐渐变小的原则。大坝坝顶铺设沥青混凝土路面，上游侧设L型混凝土防浪墙，大坝防浪墙顶高程为1 042.2 m，坝顶高程为1 041.2 m，河床最低建基高程为960.0 m，大坝最大坝高为81.2 m，坝顶宽度为10 m，坝顶长为250 m。坝体上游坝坡分5级，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程设3 m宽马道并变坡，在全年围堰顶高程1 003.0 m设15 m宽马道并变坡，在枯水围堰顶高程986.9 m设7 m宽马道并变坡，自坝顶向下坡比分别为1∶2.75、1∶3、1∶3、1∶3和1∶3。下游坝坡分4级，在1 030.0 m高程、1 010.0 m高程和990.0 m高程处设3 m宽马道并变坡，自上而下坡比分别为1∶2.5、1∶2.75、1∶2.75和1∶2.75。在高程980.0 m以下设堆石排水棱体，棱体顶宽为3 m，上游面坡度为1∶1，下游面坡度为1∶1.5，在棱体上游面及棱体底层设反滤层。排水棱体与坝内水平排水形成完整的坝内排水系统(见图1)。

图1 纳达大坝沥青混凝土心墙混合土石坝典型横剖面示意(单位：m)

沥青混凝土垂直心墙[4]顶高程为1040.2 m，最低墙底高程为966.0 m。沥青混凝土心墙厚度呈阶梯型布置，从上至下分别为0.6 m、0.9 m、1.2 m，厚度变化处高程分别为991.0 m、1 016.5 m，厚度变化处采用1.5 m高斜坡渐变连接。混凝土基座顶以上3 m高度内为沥青混凝土加厚段，基座顶部心墙宽度为 3 m。沥青混凝土心墙的基座采用梯形断面，基座厚度为3 m，底部宽度为6 m。

2.2 坝基处理

在坝基填筑前，对基座开挖槽至上下游坡脚线(包括围堰坡脚线)外5 m范围内的树木、草皮、树根等全部清除整平后，采用20 t以上碾压设备振动碾压10遍以上，方可填筑上层筑坝料。

河床坝段混凝土基座开挖至弱风化层上部，开挖宽度为6 m。左岸的帷幕灌浆上、下游侧各布置1排，排距为4 m，孔间距为3.0 m，灌浆长度为6 m或10 m。

大坝及溢洪道沿坝轴线布置1排帷幕灌浆孔，帷幕深入相对隔水层(q≤3 Lu)5 m，左、右坝肩帷幕伸入正常蓄水位与相对不透水层(q≤3 Lu)相交处，坝肩帷幕采用灌浆平洞灌浆，帷幕中心线总长约为 460 m，孔距为2 m，防渗面积为1.49万m2。

2.3 筑坝材料

坝体材料分区主要是在保证大坝安全运行的前提条件下，根据坝体各部位工作和受力条件、填料来源及其强度、渗透性、压缩性等特性，分别提出不同的要求，以充分利用建筑物开挖料，力争降低工程造价，简化施工，缩短施工工期。

坝体材料主要由混合料、强风化石渣料、弱风化料、堆石排水棱体、过渡料、排水反滤料、垫层料等土石料填筑而成，分层碾压密实，总填筑量为190.37万m3[5]。

1) 土石混合料和强风化石渣料

土石混合料和强风化石渣料填筑总量约为142.67万m3，优先充分利用大坝、溢洪道开挖的土石料填筑坝体，开挖利用料80.56万m3，其中直接上坝12.59万m3，二次转运67.97万m3；
不足部分就近开挖库内料场的土料和强风化料，库内土石混合料场料62.11万m3，距离坝址约500 m，可直接上坝。

2) 弱风化料

弱风化填筑料约为32.23万m3，为就近开采库内混合料场的弱风化料直接上坝。运距约为500 m。

3) 过渡层、排水反滤料、堆石排水棱体

过渡料、排水反滤料和堆石棱体料填筑总量约为15.47万m3，均采用质密、坚硬、抗风化、耐侵蚀的灰岩料，料源从仁家湾石料场开采，运距约为14 km。

3.1 坝体渗流分析

根据坝体断面，建立了大坝典型横剖面(河床最大坝高剖面)的二维渗流模型，分析各工况下渗流场特性。坝体材料渗透参数依据地质及试验建议取值，渗透系数见表1所示，渗流计算成果见表2和图2。

表1 渗流计算主要参数

表2 各渗流工况下的上、下游水位

图2 正常蓄水位稳定渗流流网示意

根据计算可知,大坝典型横剖面(河床最大坝高剖面)浸润线在坝体内部已经下落到水平排水体内，不会从坝体下游坡逸出；
坝体心墙、砼帷幕、坝基砂卵砾石渗透比降均小于其允许渗透比降，满足渗透稳定要求，坝体渗流出逸点较低，对坝体稳定较有利。设计采取的渗控措施合理，库水入渗流量较小，处于可接受水平。

3.2 稳定计算

1) 由于坝体填壳料采用任意料，主要来源于建筑物开挖料中的残破积土料、全风化土料和强风化细砂岩与灰质泥岩，强度较低，大坝坝坡宜采用相对较缓的坡比以保证坝坡稳定。

2) 根据坝体填筑料物理力学试验确定的抗剪强度参数，通过抗滑稳定计算，确定满足抗滑稳定需要的坝体断面和坝坡。

坝坡稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，坝体浸润线均采用渗流计算成果。根据坝体填料的室内物理力学试验，并参考类似工程经验，确定大坝稳定计算的物理力学参数见表3。

表3 稳定计算主要参数

各工况的计算结果汇总见表4，计算结果表明，上游坝坡稳定由骤降工况控制，下游坝坡稳定由地震工况控制，上、下游坝坡的稳定安全系数均大于允许值，大坝坝坡是稳定的。

表4 大坝坝坡稳定计算结果汇总

3.3 应力应变分析

为了进一步验证坝体结构断面的合理性，建立了“河谷—大坝”三维有限模型，考虑了渗流与坝体的耦合，对大坝填筑过程及主要控制工况进行了数值仿真，分析大坝主要分区的应力和变形、沥青心墙的工作状态和检验水力劈裂。

1) 计算参数

河谷地基和混凝土采用弹性本构，沥青心墙及其他坝体分区采用邓肯—张本构[6-9],主要参数取值见表5和表6。

表5 帷幕灌浆盖重力和河谷主要参数取值

表6 坝体主要分区材料参数取值

2) 坝体应力、变形计算成果与分析

三维静力计算成果见表7 和图3～图5，大坝上下游区位移关于坝轴线大致呈对称分布，且均指向坝外，其中上游坝坡向上游方向最大水平位移为12.6 cm；
下游坡向下游移动的最大水平位移为14.5 cm，均发生在2/3坝高的坝坡附近处；
上游坝坡最大竖向沉降40.5 cm，下游坝坡最大竖向沉降40.2 cm，约为坝高的0.675%，均发生在1/2～2/3坝高坝壳料附近，符合一般土石坝沉降规律，说明坝体的分区和填筑设计是合理的。蓄水期的坝体相对于完建情况上抬，且上游坝坡抬升较下游坝坡大。这是因为挡水情况下，坝体存在渗流场，孔隙水压力和超孔隙水压力作用下产生向上、向下游的浮托力，且上游浮托力大于下游浮托力，所以坝体的有效应力相对于完建期减少了，且上游坝体有效应力减少量大于下游坝体。

表7 坝体变形、应力极值成果

蓄水期，在水压力的作用下，坝体水平变形整体向下游位移。由于过渡层和弱风化料与坝壳料模量相差比较大，坝体内部变形较小，而坝壳混合料的变形则相对较大，会引起坝体的应力重分配，过渡层的应力明显比混合料提高。

3) 心墙变形、应力和应变分析

各工况沥青心墙的变形见表8和图6～图7。

表8 沥青心墙变形、应力极值成果

心墙沿顺河向水平位移最大值完建期为向上游4.4 cm，蓄水期为向下游3.0 cm，其最大挠跨比约为0.05%，心墙不会发生挠曲破坏。心墙应力极值均出现在完建期，第一主应力最大值为拉应力为15.18 kPa，小于沥青混凝土心墙的抗拉强度480 kPa；
最大压应力1 110 kPa，小于沥青混凝土心墙的抗压强度2 580 kPa。蓄水期最大拉应力为12.40 kPa，小于沥青混凝土心墙的抗拉强度660 kPa[10-11]，心墙不会发生水力劈裂[12-14]。

兴义市纳达水库工程为Ⅲ等中型工程，在挡水坝设计上应用了沥青混凝土防渗和全断面土、石混合任意料筑坝两项新技术，是贵州省第一座利用弃渣任意料填筑的沥青心墙坝、也是截至目前贵州省最高的沥青心墙混合土石坝。根据开挖料的物理力学特性和坝体各部位对坝料的不同要求，为充分合理利用建筑物开挖料，通过计算各种可能工况下大坝上、下游坝坡的抗滑稳定，深入分析大坝在施工期、运行期的应力和变形，以及大坝的渗流场特性，科学合理地确定了大坝的断面、坝体材料分区和设计指标。2018年3月20日大坝开始施工，2019年12月18日大坝封顶，2022年6月1日水库正式下闸蓄水，目前水库已蓄至死水位1 010.0 m左右，大坝运行正常。纳达水库沥青混凝土心墙土石坝的建成，可为类似工程提供经验和借鉴。

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