心墙坝设计(参考资料)

坝内排水包括褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。但是主要问题，褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低，网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。
（4）综合式排水
实际工程中，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。
2.1.2 坝顶宽度
坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用10~15m，因此取坝顶宽度为13m。
2.1.3 坝顶高程设计
2.1.3.1坝顶超高计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，坝顶超高值按下式计算：
（2-1）
式中： —坝顶超高，m；
（2）生理的适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生的观点来看，对其应用于水库完全没有异议。
（3）抗冻性：因为沥青混凝土具有极小的孔隙率，因此水就没有进入这些构件的机会，所以冰冻作用不会影响到沥青材料，故沥青构件不需要防水保护。
（4）冰冻时期的铺筑：如果铺盖层的厚度适当，在零度以下都可以铺筑沥青混凝土，这就允许在高海拔的地方有较长的施工工期，这点特别适用于新疆。
3.2.2.2 下游护坡
下游护坡的主要形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡主要考虑的因素有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。
根据具体情况，下游护坡同样采用干砌石护坡，护坡厚度1m。
3.2.3 排水方式
3.2.3.1 坝顶排水
下部直心墙上部斜心墙的第三种型式特点介于前两种之间，虽然可以有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游的干燥区域，有利于增加坝体深层滑动的稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用的是浅层滑弧，所以采用这样复杂的心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量较大。
3.2坝体细部构造
3.2.1 坝顶构造
大坝路面为了排除雨水，坝顶面向大坝下游侧倾斜，倾斜坡度设为2%。坝面虽然没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆的通行，因此路面采用混凝土结构形式。坝顶结构图如图3-2。
图3-2坝顶结构图
3.2.2 护坡
土石坝的上下游坡面一般均需设置护坡，但上、下游护坡的形式应根据工程的具体情况进行选择。
在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定，棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m，顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度，应避免在棱体上游坡脚处出现锐角，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0至1：1.5，外坡为1:1.5至1:2.0。
3.2.2.1 上游护坡
上游护坡的常用形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土板、沥青混凝土等。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况。上游坝坡主要考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。
根据工程的具体情况，上游护坡采用干砌石护坡，护坡厚度1m，护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为：将块石错缝竖砌，紧靠密实，填塞稳固，表面平整、美观。
棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可以和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可以发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。
（3）坝内排水
（4）正常蓄水位1820.00m加非常运用情况的坝顶超高加地震安全加高。
经计算，最终确定坝顶高程为1826.00m，防浪墙顶高程1827.20m，最大坝高165m。具体计算过程详见计算书。
2.1.3.3 防浪墙设计
防浪墙尺寸如图2-1。
图2-1防浪墙横剖图
防浪墙的具体计算过程见附录。
2.1.4 马道设置
直心墙具有以下优点：在坝基和坝壳沉降大的情况下适应性好，在心墙出现裂缝后有利于自愈，与岸坡及坝基防渗墙衔接相对容易。墙体位于大坝中心部位，受温度影响很小，有利于早期蓄水。同时便于与不同部位混凝土防渗墙和左、右岸衔接，便于基础处理和工程布置。心墙与河床段连接处如图3-1所示。
图3-1心墙与河床段连接图
—波浪爬高，m；
—最大风壅水面高度，m；
—安全加高，m。
2.1.3.2坝顶高程确定
坝顶高程等于水库静水位加坝顶超高。并按下列四种情况计算，取其最大值。
（1）设计洪水位1821.65m加正常运用情况的坝顶超高。
（2）正常蓄水位1820.00m加正常运用情况的坝顶超高。
（3）校核洪水位1823.64m加非常运用情况的坝顶超高。
第三章坝体构造设计
3.1防渗体设计
3.1.1心墙材料选择
沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力以及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选取沥青混凝土作为心墙材料，主要原因有以下几点：
（1）施工时间：可以以相当快的速度铺筑沥青混凝土，非常经济适用。沥青混凝土一经压实，立即可以防水，特别是在潮湿的季节施工时，这一点非常重要。
（2）沥青混凝土心墙处于坝体中间，坝体的渗透性从中间向上下游逐步增大。
（3）坝体填料的变形模量从中间向上下游协调过渡。
（4）坝址区砂砾料储量丰富，经比较，砂砾料填筑较经济，坝壳填筑以砂砾料为主。
（5）充分利用开挖材料，就近取材。
2.2.2大坝分区
根据各坝料的特性和大坝各部位不同的工作条件，坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料区，上游砂砾料区，上游过渡层区，沥青砼心墙，下游过渡层区，下游砂砾料区，下游爆破料区。按坝体抗震和结构要求，其分区见坝体标准横剖面图2-2。
4
冶勒水电站
125.5
堆石料
1:2.0/1:1.8
9
2005
沥青砼心墙坝
5
瀑布沟水电站
186
堆石料
1:2、1:2.25/1:1.8
8
2009
砾石土心墙坝
覆盖层厚75m
6
糯扎渡水电站
261.5
爆破料
1:1.9/1:1.8
在建
粘土心墙堆石坝
拟定上游坝坡为1:2.5，下游坝坡从上到下为1:2、1:2、1:1.7。
坝壳料分区：坝址区砂砾料储量丰富，经分析比较，砂砾料填筑较经济合理，坝壳填筑以砂砾料为主，砂砾料区布置在上、下过渡料区外侧，坝壳砂砾料填筑至1790.0m高程，上、下游砂砾料区顶部宽8m，与堆石料的分界坡为1:1.8。在上下游砂砾料区外部设置了堆石料填筑区，利用堆石料休止角高的特点，增加坝坡的抗震稳定性。爆破料来源于P1、P2石料场开采的石料，弱风化及新鲜岩石开挖料可作为利用料，填筑在上下游爆破料区。砂砾石料填筑相对密度不低于0.85，爆破料及利用料填筑孔隙率小于19%。
2.2 坝体分区
2.2.1大坝分区原则
（1）利用天然砂砾石料抗压强度较高，不易破碎，无论天然和饱和情况下，都具有较高的承载能力，压缩模量较大，坝体沉降较小的特点，在坝体变形较大部位采用砂砾石料填筑，可以减少坝体的沉降变形，减小河床坝段和岸坡坝段的变形差；利用堆石料具有的较高的抗剪强度指标和良好的抗震性能，将堆石料布置在砂砾石料外侧，以得到较陡的上、下游坝坡，节省坝体方量，同时可使坝体获得较高的抗震稳定性能。
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求，土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道，且马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.5m。
根据以上要求，上游坝坡处设置2道马道，高程设在1776m、1706m处，马道宽度分别为5m和5m。下游坝坡2道马道，分别在高程1776m、1716m处，马道的宽度均设置为5m。
图2-2坝体分区横剖图
防渗体：碾压沥青砼心墙为垂直式，墙体轴线偏向上游。心墙顶高程1825.0m，最低墙底高程1660.0m。心墙宽1m。
过渡层：位于沥青混凝土心墙两侧，顶高程1825.0m，过渡层水平宽度为3m，等宽布置，过渡层填筑至心墙顶部，底部建在弱风化基岩建基面上，采用C3料场砂砾石料筛分，相对密度不低于0.85。
综合以上分析，从抗震、沥青心墙与基础防渗墙和两岸岩石的衔接等角度分析，阿尔塔什水利枢纽工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙。
3.1.4心墙的断面尺寸
根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T5411-2009）第8.0.2条的规定：“沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于40cm，心墙底部的厚度宜为坝高的1/70～1/130。”。参考国内外工程的经验，考虑到阿尔塔什坝址地处高地震烈度区和坝基的深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为1m。该值满足规范的要求。
表2-1高心墙坝坝坡资料
序号
工程名称
坝高（m）
坝料
上/下游坝坡
地震设防烈度
建设期
备注
1
下板地
78
砂砾料
爆破料
1:2.2/1:2.0
9
2008
沥青砼心墙坝
2
五一水库
103.7
砂砾料
1:2.5/1Fra Baidu bibliotek2.0
8
在建
沥青砼心墙坝
3
三峡茅坪溪
104
石渣料
1:2.25/1:2.0、1:2.25
7
2003
沥青砼心墙坝
ATS水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高（8度设防）、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点，结合目前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定采用碾压式沥青混凝土。
3.1.3心墙布置型式
在心墙布置上，有直心墙，斜心墙，下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达100m，设计采用混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合的垂直防渗形式，防渗墙顶部高程为1661~1665m，斜心墙受力条件好，但不能满足与基础防渗墙所有部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高，一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形，沥青混凝土心墙出现开裂，斜心墙不易检修和检查。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现的剪切变形也较大。
第一章 绪论
1.1 前言
1.2 设计基本资料
1.2.1工程概况
1.2.2 气象水文资料
1.2.2.1气象条件
1.2.2.2径流
1.2.2.3洪水
1.2.2.4泥沙
1.2.2.5冰情
1.2.2.6水化学
1.2.3工程地质条件
1.2.3.1区域地质概况
1.2.3.2库区工程地质条件
1.3设计内容
1.4 设计依据
3.1.2 心墙型式
沥青混凝土心墙有两种型式，一种为碾压式沥青混凝土心墙，一种为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在国内有不少成功先例，如黑龙江的西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林的白河坝；碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采用的形式。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用碾压式沥青混凝土心墙。
为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%。每隔100m设直径10cm的排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。
3.2.3.2 坝面排水
沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡布置，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20到40cm，本设计取30cm。
3.2.3.3 坝体排水
常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。
（1）贴坡排水
贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。
（2）棱体排水
第二章坝体剖面设计
2.1基本剖面拟定
断面设计的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及基本尺寸。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据，并考虑本工程的具体情况，对本工程的各项数据设计如下。
2.1.1 坝坡
上下游坝坡根据已建工程经验和本工程的坝料特性及计算分析确定。已建工程上下游坝坡如表2-1所示。