銅灌口水庫面板堆石壩壩基覆蓋層利用研究

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(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002)

銅灌口水庫面板堆石壩壩基覆蓋層利用研究

陳清松，張全意，張文勝

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002)

銅灌口水庫是西南五省(自治區(qū)、直轄市)重點水源工程和貴州省骨干水源工程之一，壩址區(qū)覆蓋層深厚，河床覆蓋層最大厚度24.6m。通過對壩基覆蓋層進行鉆孔、注水試驗、篩分、載荷試驗及物探等工作，查明其分布厚度、成因類型、分布結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)及有無粉細(xì)砂、黏性土層等地質(zhì)條件，對其作為壩基的工程地質(zhì)特性提供可靠依據(jù)；并通過三維有限元對壩體及覆蓋層進行應(yīng)力變形分析，論證河床覆蓋層上直接筑壩的安全性。本文對此加以介紹。

銅灌口水庫；面板堆石壩；壩基覆蓋層；利用研究

1 工程概況

銅灌口水庫工程位于貴州省習(xí)水縣同民河中游，工程地處自然保護區(qū)內(nèi)。壩址以上流域面積109.1km2，水庫正常蓄水位749.00m，總庫容1140萬m3，為中型水庫Ⅲ等工程。工程建設(shè)的主要任務(wù)為農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水。水庫樞紐工程主要建筑物有攔河大壩、洞室溢洪道、取水兼放空隧洞。攔河大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86m，壩頂高程756.00m，壩體填筑總量約142萬m3。

工程區(qū)地震基本烈度為6度，大壩壩基肩地層巖性主要為白堊系夾關(guān)組下段砂巖、長石巖屑砂巖及泥巖。河床及左岸坡中下部坡腳地帶分布有崩塌堆積和沖洪積堆積物。河床覆蓋層厚6.1～24.6m，主要為塊石(巨塊石)、砂卵礫石等，局部含粉細(xì)砂、腐殖物。

目前，國內(nèi)高混凝土面板堆石壩深覆蓋層地基上建壩的實例并不多，而在貴州省境內(nèi)更缺少相關(guān)的建壩經(jīng)驗。銅灌口水庫大壩位于自然保護區(qū)內(nèi)，在同類水源工程中規(guī)模較大，地形地質(zhì)條件特殊，壩基覆蓋層開挖不僅加大了壩體填筑量，還將不可避免地造成大量開挖棄渣，加大對環(huán)境的不利影響。在確保工程安全的前提下，為了盡可能減少開挖棄渣量，保護工程周邊生態(tài)環(huán)境，加快施工進度，節(jié)省投資，壩基覆蓋層的特性及其合理利用或處理是勘測、設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。在實施階段對壩基覆蓋層做了大量的勘探、試驗工作，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用三維有限單元法，研究了不同覆蓋層開挖方案時壩體、面板和接縫系統(tǒng)的應(yīng)力變形特性，確定壩基覆蓋層的合理利用設(shè)計方案。

2 覆蓋層的工程地質(zhì)特征

壩址區(qū)為山區(qū)峽谷型地貌，河谷狹窄，河床高程676.00～699.00m，谷寬50～80m，兩岸多不對稱，岸坡較陡，多為陡巖，植被較好。根據(jù)鉆孔和物探資料，左岸743.00m高程以下及河床多為崩塌堆積和沖洪積堆積物覆蓋，河床覆蓋厚6.1～24.6m，左岸坡覆蓋層厚4.0～33.7m，物質(zhì)成分以塊石(巨塊石)、砂卵礫石等為主，成層性不明顯，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強，由于覆蓋層均一性較差，存在不均一沉降變形和滲透變形問題。初步設(shè)計方案是壩基清除覆蓋層，全部坐落于基巖上。

3 覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)分析

壩基深覆蓋層的密實度和顆粒組成直接影響其強度及變形特性，更是室內(nèi)試驗力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。為了進一步研究壩基覆蓋層的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、承載力及變形特性等，此次研究開展了鉆孔、注水試驗、篩分、載荷試驗及物探等工作。同時，還進一步開展了壩基覆蓋層利用研究分析及大壩筑壩材料試驗和三維應(yīng)力變形穩(wěn)定分析。

3.1 鉆孔、注水試驗

此次研究在河床堆石區(qū)范圍內(nèi)布置10個鉆孔，鉆孔內(nèi)共做注水試驗22段。鉆孔勘探及注水試驗成果見表1。

表1 覆蓋層鉆孔勘探及注水試驗主要成果

3.2 跨孔聲波CT探測

在鉆孔ZK1～ZK10內(nèi)進行跨孔聲波CT探測，形成測試剖面6個(見圖1)。

圖1 聲波CT探測鉆孔布置

通過跨孔聲波CT探測，測試深度1.0～3.2m左右，聲波波速在1510～2070m/s之間，推測巖性為塊石夾砂質(zhì)土、細(xì)砂等；測試深度2.0～7.2m左右，聲波波速在1820～2530m/s之間，推測巖性為塊石夾礫石、細(xì)砂等；測試深度6.0～12.0m左右，聲波波速在2440～3040m/s之間，推測巖性為塊石夾卵石、細(xì)砂等；測試深度9.0～12.0m左右，聲波波速在2870～3420m/s之間，推測巖性為強風(fēng)化砂巖、粉砂巖等。

3.3 覆蓋層的顆粒組成分析

此次研究對河床內(nèi)隨機選取了4個取樣點進行顆粒級配及含泥量試驗，取樣深度均在現(xiàn)場開挖地表面以下1m左右。試驗結(jié)果見表2。

表2 覆蓋層顆粒級配試驗成果

從表2數(shù)據(jù)看，4組樣品中大于5mm的顆粒含量為77.37%～89.77%，0.075～5mm的顆粒含量為7.68%～20.12%，小于0.075mm的顆粒含量為2.18%～2.72%。覆蓋層主要以粗顆粒為主，粉粒、黏粒極少，細(xì)顆粒含量均在3%以下。

3.4 載荷試驗

該研究共在河床選取了3個載荷試點，各點測試結(jié)果見表3。

表3 淺層平板載荷試驗成果

根據(jù)測試結(jié)果分析，選取的3個試點承載力的特征值均大于400kPa，其承載力取400kPa；試點2處的變形模量顯著高于其余2個試點，推測由測點下臥大孤石所致，其覆蓋層變形模量大于70MPa。

3.5 主要結(jié)論

a.鉆孔及孔內(nèi)跨孔聲波檢測揭露，覆蓋層厚度為7.8～15.7m，其中頂部為松散的人工堆積層，厚0.5～2.1m，下部主要為塊石，含卵石、細(xì)砂等，覆蓋層主要以粗顆粒為主，粉粒、黏粒極少，工程地質(zhì)條件較好。

b.跨孔聲波CT探測顯示，覆蓋層波速為1510～3040m/s，從上至下均勻增大，推測為覆蓋層越往下越密實，不存在黏土層、淤泥質(zhì)等不良地質(zhì)體的集中分布，工程地質(zhì)條件較好。

c.鉆孔內(nèi)共做注水試驗22段，滲透系數(shù)k=1.1×10-3～1.7×10-2cm/s,僅局部點達9×10-4cm/s，滲透系數(shù)可滿足主、次堆石區(qū)填筑堆石料的技術(shù)要求。

d.3個試點均是受反力限制終止測試，根據(jù)測試結(jié)果分析，河床覆蓋層的承載力取400kPa，變形模量均在70MPa以上，高于國內(nèi)同類工程的覆蓋層變形模量，總體承載力較高，壓縮變形較小，具有覆蓋層上直接筑壩的條件。

4 壩基覆蓋層利用研究

4.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

壩頂寬7.50m，壩頂長202.00m，最大壩高86.00m，上游壩面綜合壩坡1∶1.506，下游壩坡結(jié)合大壩填筑施工上料方便，按 “之”字形公路布置，路寬6.5m，綜合坡比1∶1.57。壩體填筑材料分區(qū)從上至下分別為墊層(水平寬3m)、過渡層(水平寬4m)、主堆石區(qū)及次堆石區(qū)。壩體分區(qū)材料設(shè)計參數(shù)及壓實標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 壩體分區(qū)材料設(shè)計參數(shù)及壓實標(biāo)準(zhǔn)

4.2 覆蓋層利用分析計算

根據(jù)壩基覆蓋層檢測的上述物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)等，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用三維有限單元法，對河床覆蓋層利用研究了4種方案，即覆蓋層開挖范圍從趾板以下分別按40m、70m、100m及全開挖進行計算分析。

上述三維有限元計算結(jié)果表明：由于覆蓋層的變形模量要高于主、次堆石料，故開挖范圍越小，即河床砂礫石層利用越多，壩體、面板的變形和接縫的三向變位越小，且面板的軸向和順坡向拉壓應(yīng)力始終未超過面板混凝土的強度，大壩的應(yīng)力變形性狀相比大范圍開挖反而更加有利。因此，對于銅灌口水庫混凝土面板堆石壩而言可優(yōu)先考慮在覆蓋層上直接筑壩。其中覆蓋層開挖范圍為趾板下游40m時：

a.水庫蓄水后壩體的軸向位移分別為8.9cm(指向左岸)和6.4cm(指向右岸)；壩體的順河向位移分別為3.7cm(指向上游)和16.6cm(指向下游)；沉降為53.2cm，約占壩高的0.62%，其變形均在同類工程的常見位移量值范圍內(nèi)。大壩竣工期和蓄水期，壩體的應(yīng)力水平均未超過1，壩料不會出現(xiàn)剪切破壞。

b.面板指向左岸和指向右岸的軸向位移均為1.9cm；面板撓度約16.3cm，撓曲率為1.12‰，亦在常見范圍內(nèi)。除兩岸坡附近和河床壩段面板底部外，面板絕大多數(shù)區(qū)域處于三向受壓的良好應(yīng)力狀態(tài)，軸向和順坡向壓應(yīng)力極值分別為2.88MPa和3.62MPa，軸向和順坡向拉應(yīng)力分別為0.20MPa和0.68MPa，均低于面板混凝土的抗壓和抗拉強度，故面板不會出現(xiàn)壓碎或拉裂。

c.周邊縫的最大剪切、沉陷和張拉分別為5.8mm、14.7mm和18.6mm；垂直縫的最大張拉為1.9mm，接縫變位均未超出現(xiàn)代止水材料的可承受范圍。

另外，經(jīng)三維有限元分析計算，上、下游壩坡最危險滑弧的安全系數(shù)分別為1.773、1.711，均高于允許值1.25。

4.3 壩基覆蓋層利用

通過上述壩基覆蓋層分析計算成果，該工程在實施階段設(shè)計的壩基河床僅挖除趾板區(qū)及趾板下游50m范圍(含40m低壓縮區(qū))的覆蓋層，其余壩基覆蓋層保留利用，減少壩基開挖和填筑工程量均在20萬m3以上，降低了施工強度，可確保度汛目標(biāo)(見圖2)。

圖2 壩基覆蓋層利用大壩剖面

為使壩基覆蓋層具有較好的反濾性、透水性和排水效果，對主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)河床覆蓋層基礎(chǔ)以上設(shè)置2m厚過渡層和2m厚排水區(qū)。

5 結(jié) 語

a.深厚覆蓋層具有勘探與試驗工作難度大、工程特性復(fù)雜及工程處理困難等特點，銅灌口水庫工程采取多種方法進行勘探、試驗，研究其工程特性，對其作為壩基的工程地質(zhì)特性提供可靠依據(jù)。

b.通過三維有限元對壩體及覆蓋層進行應(yīng)力變形分析，論證結(jié)論為可優(yōu)先考慮在河床覆蓋層上直接筑壩。

c.根據(jù)河床覆蓋層利用研究成果，壩基河床僅挖除趾板區(qū)及趾板下游50m范圍(含40m低壓縮區(qū))的覆蓋層，其余壩基覆蓋層保留利用，減少開挖和填筑工程量，降低了截流至度汛期間的施工強度；減少棄渣量及棄渣場征地，有利于簡化或加快施工進度，縮短建設(shè)工期，保護工程所在自然保護區(qū)環(huán)境。

d.通過大量的試驗研究，針對壩基不同部位覆蓋層提出的挖除、保留利用等綜合處理措施，工程技術(shù)可行并節(jié)省工程投資。

[1]南京水利科學(xué)研究院.銅灌口水庫工程大壩基礎(chǔ)砂礫石層利用研究分析報告[R].南京:2013,8.

[2]遵義水利水電勘測設(shè)計研究院.銅灌口水庫工程大壩優(yōu)化設(shè)計報告[R].遵義:2013,9.

[3]SL 228—2013 混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范[S].

ResearchonApplicationofPanelRock-fillDamFoundationCoveringLayerinTongguankouReservoir

CHEN Qing-song, ZHANG Quan-yi, ZHANG Wen-sheng

(ZunyiSurveyandDesignInstituteofWaterConservamcyandHydropower,Zunyi563002,China)

Tongguankou Reservoir is one of key water source projects in five southwestern provinces (autonomous regions and municipalities) and backbone water source projects in Guizhou Province. Dam area has deep covering layer. The riverbed layering layer is as deep as 24.6m. The distribution thickness, cause type, distribution structure, physical and mechanical properties, presence of fine sand, sticky soil layer and other geological conditions are identified through drilling, water injection testing, screening, load testing and geophysical prospecting test and other work in dam foundation laying layer, thereby providing reliable basis as project geological characteristics of dam foundation. In addition, stress deformation analysis is conducted on the dam and covering layer through three-dimensional finite element. Safety of directly constructing dam on the riverbed covering layer is discussed. The condition is introduced in the paper.

Tongguankou reservoir; panel rock-fill dam; dam covering layer; utilization research

TV223

B

1673-8241(2014)08-0057-05