銅灌口水庫壩基覆蓋層的研究及利用

王 益，張全意，陳清松

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州遵義 563002)

1 工程概況

銅灌口水庫位于貴州省習(xí)水縣西南面自然保護區(qū)內(nèi)，工程建設(shè)任務(wù)為農(nóng)田灌溉、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水。壩址以上流域面積109km2，水庫正常蓄水位749.00m，總庫容1140萬m3。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高86m。

壩址區(qū)河谷狹窄，河床高程676～699m，河谷呈“V”形，谷寬50～80m，兩岸不對稱，左岸在744m高程以下坡度為40～65°、以上為陡巖，右岸多為陡坡地形，兩岸及河床基巖由白堊系夾關(guān)組下段K2j1的砂巖、長石巖屑砂巖夾泥巖等組成，巖層產(chǎn)狀N35～45°E/SE∠5～8°，傾下游偏右岸。據(jù)前期勘探揭示，壩址河床覆蓋厚10.5～24.6m，主要為崩塌堆積物和河床沖洪積物，為大(巨)塊石、卵礫石等組成，其結(jié)構(gòu)松散，滲透性強，均一性差，存在不均勻沉降和滲透變形等問題，河床段大壩基礎(chǔ)設(shè)計初步設(shè)計方案是上游趾板及低壓縮區(qū)開挖至弱風(fēng)化巖體上部，其余堆石區(qū)范圍將清除覆蓋層，全部坐落于基巖上。

由于工程區(qū)兩岸山高坡陡，施工條件差，在確保工程安全的前提下，為了減少壩基開挖和壩體填筑量，降低施工強度，節(jié)省工程投資，并減少對工程區(qū)環(huán)境影響，在實施階段對壩基覆蓋層進行了大量勘探、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，研究了河床段堆石區(qū)不同范圍覆蓋層開挖方案時，不同設(shè)計工況下，對壩體、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的設(shè)計方案。

2 壩基覆蓋層結(jié)構(gòu)

結(jié)合壩址區(qū)工程地質(zhì)條件，為了進一步查清壩基覆蓋層的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的物理力學(xué)特性等，對銅灌口水庫大壩堆石區(qū)河床范圍內(nèi)覆蓋層布置鉆探、注水試驗、跨孔聲波、顆粒級配分析、載荷及其他物理力學(xué)試驗等工作。

2.1 鉆孔及注水試驗

在初步設(shè)計階段勘探資料基礎(chǔ)上，沿河床壩軸線附近布置10個鉆孔，為了滿足跨孔聲波檢測要求，孔距控制20m以內(nèi)(采用梅花形布置)。

根據(jù)鉆孔揭露覆蓋層厚度為9.6～16.7m，其中頂部為松散的堆積層，厚為0.5～2.1m，下部為塊石、卵石、沙等，鉆孔內(nèi)除局部存在腐殖物分布外未見黏土、淤泥，不存在掉鉆等其他導(dǎo)?，F(xiàn)象。

順河流向選擇8個鉆孔作注水試驗，其滲透系數(shù)k=1.1×10-3～1.7×10-2cm/s，僅局部點為9×10-4cm/s，屬中等透水。覆蓋層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成果

2.2 聲波檢測

在鉆孔ZK1～ZK10內(nèi)進行跨孔聲波CT探測，測試深度1.0～3.2m左右，聲波波速在1510～2070m/s之間，為塊石含細(xì)沙等;測試深度2.0～7.2m左右，聲波波速在1820～2530m/s之間，為塊石、卵礫石、含細(xì)沙等;測試深度7.0～15.0m左右，聲波波速在2440～3040m/s之間，為塊石、卵礫石含細(xì)沙等;測試深度9.6～15.7m左右，聲波波速在2870～3420m/s之間，推測巖性為砂巖、粉砂巖等。

由上述跨孔聲波探測數(shù)據(jù)，其河床覆蓋層從上至下均勻性增加，波速較高，均大于1500m/s，推測為覆蓋層越往下越密實，且不存在黏土層、淤泥等不良地質(zhì)的集中分布，工程地質(zhì)條件較好。

2.3 顆粒級配分析及容重試驗

河床內(nèi)隨機選取了4個取樣點進行顆粒級配分析，其中1號、2號、3號取樣點均位于河床左側(cè)，4號取樣點位于河床右側(cè)，取樣深度均在現(xiàn)場開挖地表面以下1m左右。各樣點顆粒級配見表2。

表2 河床覆蓋層顆粒級配試驗

上表中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，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，小于0.075mm細(xì)顆粒含量均在3%以下?，F(xiàn)場抽取4組樣同時作容重測試，其干容重為2.17～2.36t/m3。

2.4 載荷試驗

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選取了3個載荷試點。各點測試結(jié)果詳見表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，試點2的變形模量明顯高于其余兩個試點，推測由測點下臥大孤石所致，其余覆蓋層試點變形模量大于70MPa。

3 壩基覆蓋層利用

3.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

大壩設(shè)計壩頂寬7.50m，壩頂高程756.00m，壩頂長202.00m，最大壩高86.00m，最大壩底寬252.39m，壩頂上游設(shè)L形防浪墻，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)，其中墊層料、過渡料為弱風(fēng)化砂巖料，主堆石為弱風(fēng)化砂巖料(含10% ～20%強風(fēng)化砂巖及泥巖料)，下游堆石為弱風(fēng)化砂巖料(含20% ～30%強風(fēng)化砂巖及泥巖料)。防滲面板和趾板采用C25混凝土，抗?jié)B及抗凍等級分別為W8、F100。壩體分區(qū)材料設(shè)計參數(shù)及壓實標(biāo)準(zhǔn)見表4及大壩剖面示意圖。

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

3.2 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，對河床覆蓋層利用選擇了四種方案，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，其計算成果見表5。

大壩剖面示意圖

表5 不同覆蓋層開挖范圍時大壩的應(yīng)力變形指標(biāo)

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，即河床覆蓋層利用越多，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。該水庫大壩可優(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。大壩竣工期和蓄水期，壩體的水平應(yīng)力均小于1.0，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之外，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1.77、1.71，均高于允許值1.25。

3.3 壩基覆蓋層利用

通過上述壩基覆蓋層分析計算成果，本工程在施工圖階段設(shè)計壩基河床僅挖除趾板及40m低壓縮區(qū)范圍的覆蓋層，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，確保度汛目標(biāo)。河床趾板區(qū)基礎(chǔ)開挖揭露覆蓋層結(jié)構(gòu)和勘探成果基本一致。

為使壩基具有較好的反濾性、透水性及排水效果，對主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)河床部分設(shè)置2.0m厚過渡層和3.0m厚排水區(qū)。

4 結(jié)語

銅灌口水庫工程壩基通過大量勘探、試驗工作，在查清覆蓋層結(jié)構(gòu)及相關(guān)物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，對河床堆石區(qū)范圍內(nèi)覆蓋層不同開挖方案進行計算分析后，采用壩基只挖除上游趾板附近的覆蓋層方案，完全滿足了設(shè)計要求。這不僅減少了開挖量和壩體填筑量，降低了施工強度，減少了對棄碴征地和周邊自然保護區(qū)影響，實現(xiàn)了保護工程區(qū)環(huán)境、節(jié)省工程投資、縮短工期的綜合效益，同時還為覆蓋層的利用積累了經(jīng)驗。◆

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

2 南京水利科學(xué)研究院.習(xí)水縣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］.2013，8.

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