小井溝水庫軟巖筑混凝土面板堆石壩設(shè)計

程 麗，肖春麗

（1.四川省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川省水利規(guī)劃研究院，四川 成都 610072）

混凝土面板堆石壩是水利水電工程建設(shè)的主流壩型之一[1]。為充分利用壩址區(qū)的各種材料，因材設(shè)計，巖性較軟或風(fēng)化程度較高的軟巖也逐漸作為筑壩材料使用[2]。目前，利用軟巖填筑的面板堆石壩多將軟巖用于壩體的部分區(qū)域或摻入硬巖料填筑，軟巖填筑占比均小于75%。小井溝工程壩址周邊75km內(nèi)無大型硬巖料場。壩址區(qū)料場主要為砂巖料，碾壓后破碎較烈，細(xì)粒含量增多，填筑層上部易出現(xiàn)板結(jié)，充分體現(xiàn)出軟巖料的特性。針對料場料源特性，從壩體分區(qū)和壩料設(shè)計展開論證，通過壩坡穩(wěn)定性分析最終確定合理的壩體分區(qū)，實(shí)現(xiàn)了壩體堆石區(qū)全斷面采用軟巖填筑，軟巖占比高達(dá)85.7%。工程蓄水以來沉降量、壩體滲漏正常，該設(shè)計在軟巖筑高混凝土面板堆石壩方向取得了突破。

1 工程概況

小井溝水利工程坐落于四川省自貢市榮縣境內(nèi)的越溪河小井溝峽谷，工程開發(fā)任務(wù)是以城市供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和環(huán)境供水等綜合利用。水庫正常蓄水位429.00m，死水位404.00m，總庫容1.66億m3，興利庫容1.11億m3，本工程水庫樞紐為Ⅱ等工程（大（2）型）。水庫樞紐主要建筑物有：混凝土面板堆石壩、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、左岸取水洞等?；炷撩姘宥咽瘔蔚戎饕ㄖ餅?級，地震設(shè)計烈度為Ⅶ度。

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩軸線全長255.0m，壩頂高程431.60m，河床趾板建基高程344.00m，最大壩高87.60m，壩頂寬度8.0m。壩體最大底寬約293m。大壩總填筑量約139.6萬m3，其中軟巖料填筑量約119.7萬m3，軟巖料填筑占比85.7%。小井溝混凝土面板堆石壩的特點(diǎn)為：大壩堆石區(qū)不分主次區(qū)，全部為軟巖，占比高，為保證出現(xiàn)上游滲水時，滲水不至于進(jìn)入軟巖區(qū)，在堆石區(qū)上游及底部設(shè)置“L”型排水帶。

本工程于2011年6月28日導(dǎo)流洞開工，2013年1月20日開始壩體填筑，2014年7月31日壩體填筑到設(shè)計高程，進(jìn)入預(yù)沉降期，2015年10月1日混凝土面板開始澆筑，2016年3月開始蓄水，2018年7月通過下閘蓄水階段驗(yàn)收，至今運(yùn)行良好。

2 壩體分區(qū)及壩料設(shè)計考慮

2.1 料源情況

大壩壩體堆石區(qū)堆石料料源選用蚱蜢寺料場和大河壩料場，料場剝離開采后的室內(nèi)試驗(yàn)和碾壓試驗(yàn)表明：

1、由于砂巖抗壓強(qiáng)度不高，濕抗壓強(qiáng)度平均為30MPa左右，膠結(jié)類型以孔隙式為主，部分為接觸式；膠結(jié)物以泥質(zhì)和硅質(zhì)為主，壓實(shí)后破碎較大，細(xì)粒中含有一定的粘粒，因此總體滲透系數(shù)為10-3—10-4cm/s量級，屬半透水性，不能滿足堆石料自由排水要求。

2、從填筑場開槽和碾壓試驗(yàn)場挖坑揭示情況來看，施工過程中的每一層鋪填（厚度80cm）經(jīng)過碾壓后大體分為三層：①細(xì)化層，主要以小于5mm顆粒為主，約占40%—60%，層厚0—5cm不等，且不連續(xù)。細(xì)化層顆粒組成以砂粒為主，粉粒次之，含有一定粘粒。擊實(shí)得到的最大干密度為1.95—1.97g/cm3；最優(yōu)含水率為10.6%—10.8%?，F(xiàn)場含水率對應(yīng)的干密度為1.91—1.88g/cm3，按此條件控制直剪非飽和抗剪強(qiáng)度C=0.066—0.084MPa，φ=30.1°—34.1°；飽和抗剪強(qiáng)度C=0.010—0.018MPa，φ=27.0°—27.7°，飽和條件下的抗剪強(qiáng)度低于非飽和。②壓碎層，最大粒徑100—200mm，小于5mm顆粒含量主要范圍25%—35%，厚度15—20cm不等。壓實(shí)后的干密度為2.06—2.18g/cm3，說明顆粒破碎和擠密作用使其具有更高的密實(shí)度，而且具有較高的抗剪強(qiáng)度。③影響層（即壓碎層以下），基本保持原級配，少量破碎擠密。最大粒徑400—600mm，小于5mm顆粒含量為14.3%—21.0%，壓實(shí)后的干密度為2.08—2.11g/cm3，壓實(shí)后小于5mm含量的增量不大，因此以擠密作用為主，少量顆粒破碎，具有較高的抗剪強(qiáng)度。

堆石區(qū)填筑砂巖料抗壓強(qiáng)度不高，飽和抗壓強(qiáng)度平均為30MPa左右，碾壓后小于0.075mm細(xì)顆粒增量大于20%，碾壓層表面細(xì)化嚴(yán)重，滲透系數(shù)A×10-3—10-4cm/s，屬半透水性。充分體現(xiàn)出軟巖料壓實(shí)后破碎較烈，細(xì)粒含量增多，填筑層上部易出現(xiàn)板結(jié)，滲透系數(shù)較小的特性，不滿足堆石料排水要求。小井溝混凝土面板堆石壩除墊層料、過渡料、排水帶、反濾料外，堆石區(qū)全斷面采用軟巖填筑。

2.2 壩體分區(qū)

上游壩坡1:1.4，高程385.00m以下為堆石蓋重體，蓋重體頂寬4m，面板和堆石蓋重區(qū)之間設(shè)粉煤灰鋪蓋，水平厚1.0m，起輔助防滲作用，鋪蓋外部堆石對鋪蓋起壓重保護(hù)作用，堆石體頂寬3.0m，堆石壓重保護(hù)邊坡為1:1.9；壩體下游壩坡1:1.5，共設(shè)兩級馬道，馬道高程分別是401.60m和371.60，馬道寬度均為4.0m，在下游坡358.80m高程以下設(shè)壓腳區(qū)，壓腳區(qū)頂寬20m，高于下游校核洪水位357.57m，下游坡1:2。

壩體從上游至下游分別是：上游壓重、粉煤灰鋪蓋、C25鋼筋混凝土面板、墊層料（水平厚度3m），過渡料（水平厚度3m），“L”型排水帶（垂直排水帶水平厚度5m、水平排水帶厚5m），堆石料、下游塊石堆砌、壓腳區(qū)。壩體分區(qū)位置示意圖1。

圖1 最大壩高斷面壩體分區(qū)圖

2.3 壩料考慮

1、上游輔助防滲鋪蓋(1A)及蓋重區(qū)(1B)；

上游輔助防滲鋪蓋采用粉煤灰。蓋重區(qū)采用任意料填筑。

2、墊層區(qū)(2A)、特殊墊層區(qū)（2B）；

墊層區(qū)（2A）和特殊墊層區(qū)（2B）均采用中壩料場不連續(xù)斷級配砂卵石人工破碎，飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa。 墊層區(qū)（2A）最大粒徑為100mm，壓實(shí)后小于5mm含量30%—50%，小于0.075mm含量控制不大于8%且級配連續(xù)。墊層料壓實(shí)后干密度不小于2.3g/cm3，滲透系數(shù)為A×10-2—10-4cm/s。特殊墊層區(qū)（2B）最大粒徑控制為40mm，壓實(shí)后小于0.075mm含量不大于8%且級配連續(xù)。

3、過渡區(qū)（3A）；

過渡料采用東風(fēng)料場天然砂卵石料，飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa。最大粒徑控制為300mm，壓實(shí)后小于5mm含量10%—20%，小于0.075mm含量不大于5%，壓實(shí)后相對密度不小于0.80。過渡料壓實(shí)后干密度不小于2.25g/cm3，滲透系數(shù)不小于A×10-2cm/s。

4、堆石區(qū)（3B）；

堆石區(qū)采用蚱蜢寺料場黃灰色砂巖料和大河壩料場的砂巖料填筑，最大粒徑控制為800mm，壓實(shí)后小于5mm含量小于15%，小于0.075mm含量不大于5%。堆石料壓實(shí)后干密度不小于2.07g/cm3。

5、下游護(hù)坡（保護(hù)料）區(qū)（P區(qū)）

下游護(hù)坡（P區(qū)）采用蚱蜢寺料場有用層砂巖大塊石，飽和抗壓強(qiáng)度大于30MPa。

6、排水帶

“L”型排水帶采用中壩料場斷級配砂卵石料，飽和抗壓強(qiáng)度大于40MPa。 最大粒徑控制為800mm，壓實(shí)后小于5mm含量控制不大于10%，小于0.075mm含量不大于5%，級配連續(xù)。排水帶壓實(shí)后干密度不小于2.05g/cm3，滲透系數(shù)不小于A×10-2cm/s。壓實(shí)后相對密度不小于0.8。

7、壓腳區(qū)（3C）

本區(qū)采用蚱蜢寺料場砂巖料填筑。干密度2.00g/cm3，最大粒徑控制為600mm，小于5mm含量小于20%。貼坡排水體用于排水帶外側(cè)壓坡并排水，采用灰?guī)r料。

3 壩坡穩(wěn)定分析

軟巖料抗壓強(qiáng)度低，一般具有遇水易崩解、軟化并產(chǎn)生變形的特征[3]。受到振動碾壓及灑水濕化等作用，出現(xiàn)顆粒破碎，進(jìn)而在碾壓層表面產(chǎn)生泥化板結(jié)現(xiàn)象的特性。現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)成果表明：每層（80cm）碾壓后，由上至下產(chǎn)生了0—5cm厚的細(xì)化層、15—20cm厚的壓碎層、50—60cm厚的影響層，符合軟巖料一般規(guī)律。綜合考慮細(xì)化層對邊坡穩(wěn)定的影響，取細(xì)化層厚度5cm、堆石厚75cm加權(quán)平均綜合參數(shù)。

壩坡穩(wěn)定分析根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，采用畢肖普法進(jìn)行，地震穩(wěn)定性分析根據(jù) 《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（SL203-97）采用擬靜力法進(jìn)行，計算參數(shù)采用非線性指標(biāo)。計算結(jié)果見表1所示。計算結(jié)果表明，上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在靜、動力情況下安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表1 壩坡穩(wěn)定計算成果表

4 壩體應(yīng)力應(yīng)變分析

面板壩壩體應(yīng)力應(yīng)變分析計算采用河海大學(xué)的autobank軟件進(jìn)行二維有限元計算，應(yīng)力應(yīng)變計算特征值見表2所示。竣工期、蓄水期沉降量均滿足規(guī)范要求。

表2 壩體應(yīng)力應(yīng)變計算特征值表

5 軟巖填筑的特點(diǎn)

軟巖堆石料強(qiáng)度一般在15—30MPa之間，具有變異性。在外荷載作用下極易破碎、細(xì)化。軟巖細(xì)化后，石料的塊徑變小，細(xì)顆粒含量增多，加之施工中灑水碾壓的作用，軟巖填筑料表面容易形成細(xì)化層。軟巖施工措施不當(dāng)，可能加劇異化，促使相對不透水層（板結(jié)）的形成。同時，軟巖細(xì)化的變異特性，又使軟巖堆石體存在可壓實(shí)得比硬巖堆石體更大的密度、更小孔隙率的可能，在一定程度上補(bǔ)償了軟巖強(qiáng)度低的弱點(diǎn)。

軟巖料填筑施工的關(guān)鍵：一是必須保障填筑上壩的軟巖料具有較高的壓實(shí)度，減少壩體在運(yùn)行期間的沉降量，使大壩能夠在允許的變形范圍內(nèi)安全運(yùn)行；二是在填筑施工過程中盡量減少軟巖料細(xì)化和泥化現(xiàn)象的產(chǎn)生，以提高軟巖填筑料的承載能力和壩體穩(wěn)定性，同時也可增大軟巖填筑料滲透系數(shù)和排水能力。

軟巖強(qiáng)度低，碾壓后易破碎、滲透系數(shù)偏小[4]。碾壓后每一層碾壓層可分為細(xì)化層、壓碎層、影響層。細(xì)化層對堆石的穩(wěn)定和變形影響較大，必須進(jìn)行處理。每層處理后才能進(jìn)行下一層鋪料，施工過程中尤其要注意對豎向排水區(qū)的專門保護(hù)。

6 大壩運(yùn)行情況

大壩于2013年1月20日開始填筑，2014年7月31日填筑到頂，2015年10月1日大壩面板開始澆筑，壩體施工沉降期為14個月。2014年3月31日至2016年1月6日，觀測最大累計垂直位移為53.9cm，此時位移量發(fā)展速率已逐漸減緩，約為6mm/月，變化規(guī)律正常。2016年2月開始導(dǎo)流洞下閘封堵改造，3月開始蓄水。自2016年3月1日至2022年4月5日，壩體最大累計沉降量為33.35cm，為壩高的0.38%，沉降率小于1%。

壩體向下游最大累計水平位移量87.5cm，沿壩軸線方向最大累計向左岸偏移51.1cm。設(shè)計在混凝土面板縱向接縫處共布設(shè)測縫計12支，面板接縫開合度最大值為靠右岸的J6測點(diǎn)，測值為4.36mm，相應(yīng)溫度為10.6℃，靠近兩岸接縫開合度稍大于河床部位，接縫開合度與溫度呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，觀測期間面板接縫開合度處于冬季增大夏季減小的現(xiàn)象趨勢。蓄水后在水壓作用下，接縫開合度靠近河床較小，靠近兩岸將逐漸增大。面板應(yīng)力在允許值范圍內(nèi)。目前排水帶運(yùn)行良好，大壩下游量水堰滲漏量穩(wěn)定，約7L/s。

7 結(jié)論

混凝土面板堆石壩在國內(nèi)發(fā)展迅速，分布廣泛，目前已建的采用軟巖筑壩的面板堆石壩，軟巖多布置在下游及中部次堆區(qū)，或軟巖和硬巖摻配填筑。小井溝大壩為高占比軟巖混凝土面板堆石高壩，除墊層料、過渡料、排水帶、反濾料外，堆石區(qū)全斷面采用軟巖填筑，軟巖填筑料占比高達(dá)85.7%，充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，體現(xiàn)了“因材設(shè)計，料盡其用”的土石壩設(shè)計基本原則。在工程設(shè)計中，針對軟巖特性進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)及筑壩材料設(shè)計，并在碾壓施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，既保證了軟巖筑混凝土面板堆石壩的施工及運(yùn)行期的安全性，又為工程合理利用當(dāng)?shù)夭牧稀⒐?jié)省工程投資創(chuàng)造了良好條件。目前各項監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，大壩運(yùn)行狀態(tài)良好，工程對軟巖筑壩技術(shù)發(fā)展有重要意義，可為其他工程借鑒。