軟巖筑混凝土面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)

湯洪潔

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京市 100120）

1 軟巖特性

按照巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度等級(jí)劃分，小于30MPa的巖石統(tǒng)稱軟質(zhì)巖石，代表性巖石有泥巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖、千枚巖及抗壓強(qiáng)度低于30MPa的風(fēng)化巖石。一般來講，軟巖與硬巖相比，有明顯不同的特性表現(xiàn)。

（1）對(duì)于高面板堆石壩，主堆石材料的母巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度要求大于30MPa，軟化系數(shù)大于 0.7～0.8，堆石級(jí)配中小于 5mm粒徑的顆粒含量宜保持在 1%～5%左右，相應(yīng)的不均勻系數(shù)應(yīng)大于 15。級(jí)配良好的硬巖對(duì)堆石體的壓實(shí)密度影響很大。而軟巖料在碾壓前像石料，碾壓后看來像土，因此軟巖料的級(jí)配對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用并無太多的影響，重要的是要碾壓密實(shí)，并以壓實(shí)后的級(jí)配為準(zhǔn)。

（2）軟巖料對(duì)含水率敏感，類似土的壓實(shí)特性，存在最優(yōu)含水率和最大干密度，這一點(diǎn)與硬巖料不同。

（3）軟巖料自身強(qiáng)度較低，但軟巖料在碾壓過程中顆粒破碎強(qiáng)烈，經(jīng)壓實(shí)后可達(dá)到較高的密度，從而取得較好的力學(xué)性能，在一定程度上彌補(bǔ)了軟巖強(qiáng)度的不足。

（4）軟巖料的壓縮模量和其密實(shí)程度有良好的相關(guān)性，干密度越大，其壓縮模量也越高。良好壓實(shí)的軟巖填筑料均能達(dá)到較高的壓縮模量，可以滿足筑壩的要求。但與硬巖堆石料比較，軟巖堆石料的壓縮模量明顯偏低。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際填料的壓縮模量較試驗(yàn)結(jié)果一般要高一些，壩體實(shí)際發(fā)生的壓縮變形比根據(jù)試驗(yàn)所得的壓縮模量計(jì)算的值一般要小一些。

表1 軟巖筑混凝土面板堆石壩

2 壩體分區(qū)設(shè)計(jì)

國內(nèi)外已有利用軟巖筑混凝土面板堆石壩的工程實(shí)例，大部分是放在壩軸線下游壩體或次堆石區(qū)。而將軟巖作為主體填筑材料的代表性工程較少，見表1。

根據(jù)國內(nèi)外已有的工程實(shí)踐，對(duì)于軟巖堆石12料的利用采用的原則是：保證軟巖料區(qū)的底部邊界線在大壩運(yùn)行時(shí)處于干燥區(qū)，以便壩體排水通暢，并避免軟巖遇水產(chǎn)生濕化變形；軟巖料區(qū)的下游邊界線應(yīng)通過計(jì)算分析確定合理的坡度，以保證壩體下游邊坡的穩(wěn)定，且在其外側(cè)留有不小于2m的新鮮硬巖填筑區(qū)，以防止軟巖料的繼續(xù)風(fēng)化；上部邊界線應(yīng)保證其上有不小于 5～10m的新鮮硬巖填筑層覆蓋。下游邊界線應(yīng)通過計(jì)算分析，在保證壩體施工期、運(yùn)行期的沉降量以及面板的應(yīng)力在合理范圍內(nèi)的前提下，上游邊界線盡量往壩體上游側(cè)靠近，以期能夠最大限度地利用軟巖材料。

應(yīng)注意：軟巖堆石區(qū)周圍必須用排水通暢的堆石包圍起來，以保證出現(xiàn)上游滲水時(shí)，滲水不至于進(jìn)入軟巖區(qū)。在峽谷地區(qū)的面板堆石壩，在通過二維應(yīng)力變形分析確定軟巖堆石分區(qū)范圍后，還應(yīng)進(jìn)行三維應(yīng)力變形分析，以研究岸坡約束對(duì)壩體及面板應(yīng)力變形的影響。

已建成的江西大坳面板壩采用全斷面軟巖筑壩，正在建設(shè)的四川小井溝面板壩由于料場(chǎng)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度小于30MPa的占50%以上，必須全斷面采用軟巖筑壩。兩個(gè)工程共同點(diǎn)都是在堆石區(qū)上游設(shè)置了“L”型的排水體，江西大坳排水體設(shè)計(jì)水平寬為5m～20m，四川小井溝排水體設(shè)計(jì)水平寬為5m。

江西大坳面板壩應(yīng)力、變形分析成果見表2。

表2 江西大坳面板壩應(yīng)力應(yīng)變分析

可以看出，全面利用軟巖筑壩雖然壩體變形和面板應(yīng)力均增加較多，但仍然在結(jié)構(gòu)安全允許的范圍之內(nèi)。實(shí)測(cè)資料表明，實(shí)際變形和應(yīng)力水平均較理論計(jì)算的低一些。說明江西大坳全斷面利用軟巖及排水體結(jié)構(gòu)等分區(qū)設(shè)計(jì)是合理的

四川小井溝面板壩的建設(shè)正在進(jìn)行中，應(yīng)力、變形分析計(jì)算結(jié)果見表3。根據(jù)國內(nèi)已建工程經(jīng)驗(yàn)，建議根據(jù)高程加厚上游排水帶水平厚度；下游應(yīng)有一定厚度的新鮮砂巖保護(hù)，防止?jié)窕冃渭袄^續(xù)風(fēng)化。壩體下游干燥區(qū)可設(shè)置一定范圍的次堆石區(qū)，次堆石區(qū)的填筑質(zhì)量要求可比主堆石區(qū)略低，小于5mm的顆粒含量可略高，但前提是不致導(dǎo)致壩體變形過大，引起面板應(yīng)力增加。

表3 四川小井溝面板壩應(yīng)力應(yīng)變分析

3 筑壩材料要求

3.1 壩料反濾關(guān)系

根據(jù)墊層料、過渡料、排水帶料及主堆石料的顆粒級(jí)配曲線，按太沙基反濾準(zhǔn)則，從以下三個(gè)方面核算反濾保護(hù)的合理性。

（1）對(duì)于墊層料平均級(jí)配曲線按過渡料平均級(jí)配曲線核算反濾。

（2）對(duì)于過渡料平均級(jí)配曲線按5mm以下顆粒排水堆石料平均級(jí)配曲線核算反濾。

（3）對(duì)于過渡料平均級(jí)配曲線按5mm以下顆粒主堆石料平均級(jí)配曲線核算反濾。

應(yīng)滿足 D15/d15≥5，D15/d85≤4～5。

D15：反濾料的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的15%。

d85：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的85%。

d15：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的15%。

3.2 壩料填筑施工控制

《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）（SL228—2013）中對(duì)筑壩材料的填筑標(biāo)準(zhǔn)要求見表4。

表4 壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)

在施工過程中，常用最大干密度及干密度標(biāo)準(zhǔn)差來控制壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，建議將表面振動(dòng)器法試驗(yàn)的最大干密度乘以0.96～0.98的壓實(shí)度作為設(shè)計(jì)控制干密度，并作為施工填筑控制干密度下限。干密度標(biāo)準(zhǔn)差反映了堆石填筑的均一性，建議控制在0.05g/cm3以下。

在《設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計(jì)堆石干密度可用孔隙率和巖石密度換算。這項(xiàng)規(guī)定對(duì)于堅(jiān)硬巖石是合適的，軟巖則對(duì)堆石孔隙率、干密度的計(jì)算影響較大，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)偏低。應(yīng)在施工期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)得出相對(duì)密度、孔隙率與干密度的關(guān)系，及時(shí)修正設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。

為使軟巖堆石體蓄水后不致產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)通過提高堆石體的密度，降低孔隙率而提高堆石體壓縮模量的方式來實(shí)現(xiàn)。軟巖的填筑標(biāo)準(zhǔn)要求比硬巖應(yīng)高一些。例如：江西大坳面板壩原設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范提出主、次堆石區(qū)的孔隙率為21%和 24%。根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)要求主堆石體孔隙率小于 19%，次堆石區(qū)孔隙率小于21%～24%。實(shí)際施工達(dá)到的孔隙率分別為19.4%和 21.5%。

4 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力變形分析

4.1 分析方法

邊坡穩(wěn)定分析是采用條分法利用極限平衡理論計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。根據(jù)土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，面板堆石壩的邊坡穩(wěn)定分析一般均采用簡(jiǎn)化畢肖普法。

面板壩的壩體應(yīng)力變形分析通常采用非線性有限元分析方法進(jìn)行。計(jì)算分析時(shí)，一般先對(duì)集中不同的分區(qū)方案進(jìn)行二維應(yīng)力變形有限元計(jì)算，在分析計(jì)算結(jié)果優(yōu)選一種方案的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行三維有限元計(jì)算，以進(jìn)一步對(duì)所選方案分析研究。

4.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

壩坡穩(wěn)定分析中堆石料抗剪強(qiáng)度采用線性還是非線性，取決于堆石材料的巖性、顆粒形狀、級(jí)配和密度等。對(duì)于堅(jiān)硬、渾圓且級(jí)配優(yōu)良的砂卵石，其顆粒在較大的應(yīng)力下仍不會(huì)破碎，因此，其強(qiáng)度包線在較高的應(yīng)力水平下仍可保持近似的直線關(guān)系。而對(duì)于棱角尖銳的堆石而言，由于顆粒破碎的影響，其強(qiáng)度包線在相對(duì)較小的應(yīng)力下即發(fā)生了彎曲，因而呈現(xiàn)出非線性的特征。

相關(guān)資料表明，同一非線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)隨壩高的增加而降低，這個(gè)規(guī)律符合壩越高越不安全的實(shí)際情況。用線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)隨壩高增加沒有變化，不符合實(shí)際。

而采用非線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)要高于采用線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)。因此，可以建議非線性強(qiáng)度計(jì)算壩坡穩(wěn)定，允許安全系數(shù)可提高8%。

4.3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）面板撓度控制標(biāo)準(zhǔn)

筆者根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建議根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），按照L/400～L/450考慮?？蓞⒄毡?中數(shù)據(jù)。

表5 面板撓度控制標(biāo)準(zhǔn)

L是指一塊板的長(zhǎng)度，高壩如果分期澆筑面板，可根據(jù)分期接縫間的面板長(zhǎng)度綜合考慮撓度安全值。

天生橋一級(jí)面板壩最高 178m，蓄水期裂縫較蓄水前增加了 10倍。蓄水后面板出現(xiàn)了102.3cm的很大水平位移，產(chǎn)生了 89.8cm的撓度，由于過大的撓曲變形，使面板混凝土的壓應(yīng)變超過了混凝土的極限壓應(yīng)變，使面板成為類似余弦曲線的形狀而出現(xiàn)兩個(gè)反彎點(diǎn)，從而產(chǎn)生了彎矩、拉應(yīng)力及壓應(yīng)變，直至產(chǎn)生一系列裂縫。

（2）沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

硬巖面板堆石壩施工期最大沉降量與壩高之比一般僅為 0.5%左右。江西大坳堆石壩施工期沉降量約占?jí)胃叩?.02%，偏大，說明軟巖的壓縮性較大。根據(jù)國內(nèi)外實(shí)測(cè)資料，竣工后沉降量小于壩高的1%時(shí)都沒有發(fā)生裂縫，大于3%的有裂縫。因此，可確定總沉降量小于壩高的1.5%～2%為安全控制標(biāo)準(zhǔn)。沉降量包括壩高和壩基的總沉降量。

江西大坳壩填筑到壩頂直至蓄水前的沉降速率在半年內(nèi)即將為1～2mm/月，表明軟巖料的變形也是以瞬時(shí)發(fā)生為主，施工期結(jié)束后壩體的沉降變形很快趨于穩(wěn)定，這也是軟巖筑壩提高壓實(shí)密度的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（3）應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

按照面板混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)控制，見表6。

表6 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa（N/mm2）

5 碾壓施工技術(shù)

5.1 碾壓存在的問題

軟巖強(qiáng)度低，碾壓后易破碎，諸多軟巖碾壓試驗(yàn)表明易出現(xiàn)以下問題。

（1）現(xiàn)場(chǎng)灑水時(shí)，水滲透很慢，表面流淌。需等十幾個(gè)小時(shí)后方可進(jìn)行碾壓。碾壓過程中出現(xiàn)粘碾、涌土、彈簧土等現(xiàn)象，影響該料的壓實(shí)性及施工進(jìn)度。

（2）天然含水率不能太小，天然含水率低于4%時(shí)，干密度很難達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。

（3）碾壓后滲透系數(shù)偏小，在 10-3～10-4cm/s。

（4）碾壓施工后每一層大體可分為三層。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)；壓碎層：最大粒徑100mm～200mm，小于5mm顆粒含量主要范圍25%～35%，厚度15cm～20cm不等；影響層：基本保持原級(jí)配，少量破碎擠密。

5.2 施工技術(shù)處理

（1）加水工藝

適量灑水有助于軟巖料的碾壓密實(shí)，但軟巖料灑水會(huì)濕化、軟化、泥化，因此灑水要適量。在碾壓前灑水，碾壓時(shí)粘碾嚴(yán)重，不利碾壓。碾壓前要提前灑水，灑水可在料場(chǎng)或途中進(jìn)行，如在壩面灑水要使碾壓前有較長(zhǎng)的漫潤(rùn)實(shí)踐。

在缺水或寒冷地區(qū)不能加水時(shí)，可以采用減少填筑厚度和加大壓實(shí)功能作為補(bǔ)償，如十三陵上池壩（風(fēng)化安山巖），在冬季不能加水時(shí)，填筑層厚由80cm減為60cm，并增加碾壓遍數(shù)。

（2）細(xì)化層的處理

細(xì)化層對(duì)堆石壩的穩(wěn)定和變形影響較大，必須進(jìn)行處理。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)不同厚度的細(xì)化層進(jìn)行如下處理。

對(duì)于5cm以下很薄的細(xì)化層，在上一層鋪料前灑水，沖洗軟化板結(jié)層，可使上層石棱嵌入下層。

對(duì)于較薄的細(xì)化層（5～10cm），采用履帶式推土機(jī)、拖拉機(jī)在板結(jié)層表面行走的方式，使層面翻起和錯(cuò)位，也可加工功能相同的專用工具進(jìn)行處理。

對(duì)于大于 10cm厚的細(xì)化層，可采用推土機(jī)的鏟刀將板結(jié)層刮掉的方式。細(xì)料可推至兩岸壩肩處，還可改善壩坡結(jié)合處的防滲作用。

6 主要結(jié)論

本文根據(jù)國內(nèi)外軟巖筑壩的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了軟巖筑面板堆石壩設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的相關(guān)技術(shù)問題，以期能促進(jìn)國內(nèi)水利工程中軟巖筑壩技術(shù)的發(fā)展，為類似工程提供可借鑒的資料。

（1）軟巖強(qiáng)度低、軟化系數(shù)小、壓縮模量低、濕化變形大。軟巖料經(jīng)壓實(shí)后可達(dá)到較高的密度，從而取得較好的力學(xué)性能，在一定程度上彌補(bǔ)了軟巖強(qiáng)度的不足。良好壓實(shí)的軟巖填筑料均能達(dá)到較高的壓縮模量，可以滿足筑壩的要求。壩體實(shí)際發(fā)生的壓縮變形比根據(jù)試驗(yàn)所得的壓縮模量計(jì)算的值一般要小一些。

（2）壩體分區(qū)設(shè)計(jì)要在保證壩體施工期、運(yùn)行期的沉降量以及面板應(yīng)力在合理范圍的前提下，軟巖料的邊界線進(jìn)行控制，保證軟巖料區(qū)在大壩運(yùn)行時(shí)處于干燥區(qū)，避免軟巖遇水產(chǎn)生濕化變形，防止軟巖料的繼續(xù)風(fēng)化，同時(shí)最大限度地利用軟巖材料，節(jié)省工程投資。

（3）堆石壩中墊層料、過渡料、排水帶料及主堆石料應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配曲線，按太沙基反濾準(zhǔn)則進(jìn)行反濾保護(hù)核算。主堆石料的填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)在施工期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)得出相對(duì)密度、孔隙率與干密度的關(guān)系，及時(shí)修正設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。滿足設(shè)計(jì)要求的填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)通過提高堆石體的密度，降低孔隙率而提高堆石體壓縮模量的方式來實(shí)現(xiàn)。

（4）壩體穩(wěn)定分析采用非線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)要高于采用線性強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)。堆石壩面板撓度控制標(biāo)準(zhǔn)百米級(jí)可按照不大于35cm控制；沉降量可按照不大于壩高的 1.5%～2%控制；面板應(yīng)力可按照混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值標(biāo)準(zhǔn)控制。

（5）軟巖強(qiáng)度低，碾壓后易破碎、滲透系數(shù)偏小。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(duì)堆石壩的穩(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)行下易破碎、滲透系一層鋪料，實(shí)際施工中尤其要注意對(duì)豎向排水區(qū)的專門保護(hù)。（6）隨著水利工程的建設(shè)，利用軟巖料筑壩技術(shù)會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)了解軟巖的特性，并針對(duì)其特性進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)及筑壩材料的設(shè)計(jì)，并在碾壓施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，既保證了軟巖筑面板堆石壩的施工及運(yùn)行的安全性，又為工程合理利用當(dāng)?shù)夭牧?、?jié)省工程投資創(chuàng)造了良好的條件。

1. 《軟巖筑面板壩技術(shù)》 蔣濤、付軍、周小文。 中國水利水電出版社ISBN978-7-5084-7191-4