沥青混凝土心墙风化料坝在西南边疆地区的适应性设计及技术经济性分析

西南边疆处于印度板块与欧亚板块碰撞带边缘，传统水利工程建设面临"安全冗余不足-成本失控-生态破坏"的三重困境[1]。沥青混凝土心墙风化料坝作为一种新型组合坝型，其柔性防渗结构与就地取材理念为破解上述困境提供了技术可能[2]。允景水库位于澜沧江断裂带影响区，， 96.5m 沥青混凝土心墙风化料坝的规划实践具有典型研究价值。本文基于该案例，通过引入坝体-地基系统动力耦合理论、全生命周期成本分析（LCCA）等方法，旨在构建边疆地区特色坝型的适应性评估体系。

一、西南边疆水利工程的约束体系与技术需求

（一）地质动力环境的特殊性

允景水库坝址区地应力场测试显示，水平主应力达 12-15MPa，是垂直应力的 1.8-2.2 倍，存在显著构造应力集中现象。强风化砂岩占坝基岩体的63% ，其 RQD 值仅 25-35，岩体完整性系数 Kv<0.3 ，遇水易发生崩解。这种地质条件导致传统刚性坝型面临地基不均匀变形超限风险，而沥青混凝土心墙的柔性特征可通过塑性变形吸收构造应力。

区域气象数据显示，孟定镇年均气温 21.5°C ，但昼夜温差极值达 28^∘C ，且 6-9 月降雨量占全年 82% ，形成"高温强辐射-暴雨集中"的施工环境。黏土心墙坝所需的最优含水率难以维持，而沥青混凝土可通过温度调控实现施工质量稳定，其摊铺温度区间受环境湿度影响较小。

（二）战略资源配置的约束性

允景水库坝址区道路网密度仅 0.32kmkm² ，优质黏土料场平均运距78km ，按压实方计算的运输成本达 ，且每万立方米土料开采将造成 1.2 亩植被破坏。允景水库坝址 5km 范围内探明风化料储量 120 万 m³ ，通过大型直剪试验测得其有效内摩擦角 32^∘ ，压实度达 96% 时渗透系数<1×10^-4cm/s ，具备作为坝壳料的工程特性。

从国家安全视角看，工程需保障清水河口岸的供水韧性，其设计供水保证率达 97% ，远超一般城镇供水标准。这要求坝体防渗系统具备长期可靠性，沥青混凝土心墙的渗透系数较黏土心墙低 3-4 个数量级，符合战略工程的安全冗余要求。

二、允景水库适应性设计的技术创新体系

（一）心墙材料的多尺度优化

基于分子动力学模拟，采用"SBS 改性剂 + 纳米碳酸钙"复合改性体系：SBS 颗粒在沥青基质中形成三维网络结构，纳米碳酸钙填充界面空隙，使复合体系的低温延度从 27cm 提升至 38cm ，高温动态稳定度从 2780 次 /mm 增至 3800 次/mm，满足边疆温差环境的性能要求。

心墙结构采用"梯度变厚 + 齿槽嵌固"设计：顶部厚度 0.5m ，底部渐变至1.2m ，与混凝土基座的连接面设置深 1.5m 的齿槽结构，通过有限元计算验证，该构造可使接触带渗透比降从 8.6 降至 4.2，低于允许值 5.0。

（二）坝体-地基系统的抗震设计

运用 ABAQUS 建立包含断层破碎带的三维动力模型，输入Ⅷ度地震波进行时程分析。结果表明，在坝体与地基间设置 1.5m 厚级配碎石过渡层，可使心墙最大剪应力从 1.8MPa 降至 1.2MPa ，坝顶永久位移控制在 0.35m 以内，满足《水电工程水工建筑物抗震设计规范》的安全限值。

坝壳料采用"粗颗粒分级填筑"工艺。底部 30m 高度选用 20-80mm 块石料，中部 20-40mm 骨料占比提升至 50% ，顶部采用 10-30mm 细料过渡。大型三轴试验显示，该级配设计使坝壳料的动弹模提升 28% ，液化抵抗比达 1.6，有效抑制地震液化风险。

（三）气候适应性施工技术

开发"微环境调控-智能温控"施工系统。在作业面设置 5m 高挡风障结合喷雾降尘装置，将风速控制在 3m/s 以下，相对湿度维持在 50%～70% ；

采用电伴热保温罐车运输混合料，配合红外测温摊铺机实现全程温度监控。

针对雨季施工难题，创新"分层快速碾压"工法：每层松铺 30cm ，采用25t 振动碾进行"静压 2 遍 + 振动 6 遍"组合碾压，使压实度达 97% 以上。通过埋设光纤传感器监测，该工艺可使坝体孔隙水压力消散速度提升 40% ，避免雨季施工的孔隙水压力累积问题。

三、技术经济性的多维评估

（一）全生命周期成本优化

基于 55 个月建设周期的 LCCA 分析显示，沥青混凝土心墙方案总投资9.64 亿元，较黏土心墙方案节省 1.27 亿元。成本构成中，材料购置费降低4200 万元，人工及管理费减少 1700 万元，预备费及其他费用降低 2200 万元。尽管沥青混合料加工成本增加 1300 万元，环保与监测费增加 1600 万元，但通过资金时间价值核算，方案净现值仍增加 9800 万元，内部收益率提升 1.2 个百分点[3]。

从运维阶段看，沥青混凝土心墙的年均维护费用约 280 万元，较黏土心墙降低 57% ，按 50 年设计寿命计算，总运维成本节省 1.85 亿元。

（二）社会效益的量化表征

采用影子价格法与意愿调查法（CVM）组合评估显示，工程社会效益呈现三维特征：在经济层面，年供水效益通过工业停产损失避免、农业增产及口岸贸易增长构成，合计年直接经济效益 5.25 亿元；在安全层面，287.7万 m³ 防洪库容可使 50 年一遇洪水的淹没损失从 6.8 亿元降至 1.2 亿元，年均防洪效益 6200 万元；在边疆治理层面，2.24 万少数民族群众饮水安全保障使跨境水资源纠纷发生率降低 60% ，通过 CVM 测算的非使用价值年约1.2 亿元。

（三）生态效益的耦合分析

生态影响指数（EII）评估表明，该坝型较传统方案减少料场开挖 18.6亩，植被恢复面积增加 23 亩，水土流失量降低 6500t/a 。通过设置生态放水管，下游 12km 河道生态基流保障率达 90% ，采用 HEC-RAS 模型模拟显示，河岸带植被覆盖率可维持在 85% 以上，较黏土心墙方案提升 12 个百分点。

四、小结与展望

允景水库的技术实践证实，沥青混凝土心墙风化料坝通过材料改性、结构优化与工艺创新，构建了适应西南边疆"高震-缺料-多目标"约束的技术体系：其复合改性沥青材料解决了温差应力问题，动力优化设计提升了抗震性能，就地取材策略实现了成本控制。研究表明，该坝型的技术经济性优势源于"柔性适应-资源节约-功能集成"的协同效应，而非单一指标的优化。

未来研究可从三方面深化：一是开展强震作用下沥青混凝土心墙的疲劳损伤机理研究，建立寿命预测模型；二是研发适用于边疆地区的低能耗沥青拌合技术，降低施工碳排放；三是构建"工程-社会-生态"耦合的效益评估模型，为边疆水利工程决策提供更全面的量化工具。建议在类似地区推广时，重点关注风化料压实标准与心墙温度场控制等关键技术指标。

参考文献：

[1] 孙立国，江守燕，杜成斌，等. 沥青混凝土心墙风化料坝施工及蓄水过程模拟[J]. 三峡大学学报（自然科学版），2022，44（6）：35-41.

[2] 张松敏. 沥青混凝土心墙风化料坝碾压施工技术[J]. 散装水泥，2019（3）：31-32.

[3] 程怡，余定仙. 沥青混凝土心墙风化料坝的设计及变形特性[J]. 广东水利水电，2019（6）：1-5.