紅峰水庫面板堆石壩利用石碴料筑壩的研究

【摘要】紅峰水庫混凝土面板堆石壩最大壩高49.5m，由于用于大壩填筑的石料開采受限，而壩址附近堆放有大量石碴棄料， 部分壩體考慮采用石碴填筑。石碴筑壩的主要技術(shù)問題是石碴料用于大壩填筑的可行性問題。經(jīng)對(duì)石碴料進(jìn)行顆粒分析及密度等試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上開展了石碴筑壩的壩坡穩(wěn)定分析、應(yīng)力變形三維有限元分析、三維流變分析等，計(jì)算結(jié)果表明，大壩一定分區(qū)范圍內(nèi)采用石碴填筑是可行的。

【關(guān)鍵詞】石碴筑壩；紅峰水；面板堆石壩；筑壩材料

1、工程概況

紅峰水庫壩址位于遵義市匯川區(qū)板橋鎮(zhèn)西北面的西流水上，工程地處婁山關(guān)景區(qū)森林公園內(nèi)，距板橋集鎮(zhèn)8.0km，距遵義市區(qū)40km。水庫正常蓄水位1156.50m，正常蓄水位庫容96.2萬m3，總庫容111萬m3，屬小（1）型水庫。工程主要任務(wù)是向板橋集鎮(zhèn)供水，水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高59.5m，壩頂高程1159.50m，壩軸線長(zhǎng)150m，壩體填筑量約40萬m3。

壩址區(qū)地層巖性主要為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-3ls）淺灰色至深灰色薄層為主夾中厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。由于工程區(qū)（含石料場(chǎng)）地處婁山關(guān)景區(qū)，不允許大面積開采筑壩石料，為保護(hù)工程周邊生態(tài)環(huán)境、節(jié)省工程投資，考慮將壩址下游附近原崇遵高速公路建設(shè)時(shí)堆放的大量石碴料作為一部分筑壩材料。經(jīng)過對(duì)石碴料進(jìn)行顆粒分析及密度試驗(yàn)等室內(nèi)外研究，結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上開展了大壩壩坡穩(wěn)定分析、應(yīng)力變形三維有限元分析、三維流變分析，優(yōu)化壩體填筑材料，確定合理、充分利用石碴料筑壩的方案。

2、石碴料的基本特性

本工程石碴料為原崇遵高速公路——婁山關(guān)隧道開挖的棄渣，碴料巖性為白云巖，主要成份為碎石、塊石夾少量的粘土。根據(jù)試驗(yàn)成果，石碴料中巨粒料（包括碎石、塊石）即粒徑d>60mm的含量一般在18.89%～46.32%，粗粒料即粒徑 0.075mm3、壩體斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)面板堆石壩應(yīng)力變形特點(diǎn)和筑壩材料性質(zhì)，初步擬定大壩壩軸線上游為主堆石區(qū)范圍，壩軸線下游為石碴料填筑范圍，中間分界面以避免主堆石區(qū)出現(xiàn)倒懸為控制。初步擬定斷面如圖1所示。

4、壩坡穩(wěn)定分析

壩坡穩(wěn)定分析采用Morgenstern-Price法。經(jīng)計(jì)算，在正常運(yùn)用條件和兩種非常運(yùn)用條件下，壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均高于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，紅峰水庫面板堆石壩的上游壩坡1：1.5、下游石碴料填筑壩坡1：2.0設(shè)計(jì)是安全可行的。

5、大壩應(yīng)力變形三維有限元計(jì)算

本項(xiàng)目采用南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所自主研發(fā)的“土石結(jié)構(gòu)應(yīng)力固結(jié)分析程序”SCAPERS進(jìn)行計(jì)算。

5.1 竣工期

竣工期壩軸線上游側(cè)壩體向上游最大位移4.1 cm；下游側(cè)壩體向下游位移最大值5.0 cm。壩體最大沉降量約25.2 cm，約占?jí)胃叩?.51%左右，該工程壩體沉降率相比于常規(guī)面板堆石壩工程較低?？⒐て趬误w內(nèi)應(yīng)力水平普遍較低，最大應(yīng)力水平僅0.49 MPa，位于趾板下游側(cè)的堆石體內(nèi)，上述計(jì)算結(jié)果表明，竣工期壩體堆石料的應(yīng)力狀態(tài)良好，不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞等現(xiàn)象。

5.2 蓄水期

蓄水初至蓄水未在壩體內(nèi)產(chǎn)生顯著的位移增量，其變形現(xiàn)象與當(dāng)前對(duì)50 m級(jí)面板堆石壩工作機(jī)理的認(rèn)識(shí)相符，石碴筑壩與常規(guī)堆石筑壩在水平位移和沉降方面相當(dāng)。蓄水后壩軸線上游側(cè)壩體內(nèi)應(yīng)力水平有所降低，整個(gè)壩體最大應(yīng)力水平僅0.35 MPa，表明蓄水期壩體應(yīng)力狀態(tài)良好，不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。此外，在面板垂直縫的張拉變位值計(jì)算中，面板垂直縫基本上處于壓緊狀態(tài)，最大張拉變位值為4.2 mm。由計(jì)算結(jié)果可以看出，面板周邊縫和垂直縫的三向變位較小，均在止水結(jié)構(gòu)可以承受的范圍之內(nèi)。

6、大壩長(zhǎng)期應(yīng)力變形分析

壩體填筑及蓄水完成后堆石體將持續(xù)發(fā)生變形（流變），堆石體流變?cè)诤暧^上表現(xiàn)為：高接觸應(yīng)力—破碎和顆粒重新排列—應(yīng)力釋放、調(diào)整和轉(zhuǎn)移的循環(huán)過程。

6.1 壩體位移

由于下游石碴料的流變量要大于主堆石料，故軸向流變位移峰值區(qū)位于石渣區(qū)的頂部，故順河向流變位移全部指向下游，且隨著高程的增加而增大，最大順河向流變位移約4.0 cm，位于河床壩段的壩頂部位。堆石料流變引起的壩體沉降也隨著高程的增加而增大，最大流變量約7.1 cm，占?jí)胃叩?.14%，亦位于河床壩段最大剖面壩頂部位。

6.2 面板變形與應(yīng)力

面板變形與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，盡管考慮壩料流變后面板的軸向位移和撓度以及軸向應(yīng)力與順坡向應(yīng)力均有所增長(zhǎng)，但面板應(yīng)力狀態(tài)始終處于較好的三向受壓條件，面板的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均未超過混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

6.3 接縫變位

經(jīng)計(jì)算，兩岸周邊縫剪切位移指向河谷中央，周邊縫沉陷均指向壩內(nèi)，最值區(qū)仍位于右岸岸坡底部附近。左、右兩岸壩肩部位的面板垂直縫處于張拉狀態(tài)，最大張拉變位值為9.9 mm；河谷中央部位面板垂直縫處于壓緊狀態(tài)。由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，即使考慮堆石料流變，面板周邊縫和垂直縫的三向變位值仍然較小，均在止水結(jié)構(gòu)可以承受的范圍之內(nèi)。

7、結(jié)語

上述分析計(jì)算成果表明，本工程面板堆石壩采用石碴料作為下游堆石區(qū)筑壩材料是安全可靠的?？紤]到試驗(yàn)樣品與現(xiàn)場(chǎng)施工差異性，工程實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)筑壩材料的篩選與利用，嚴(yán)格控制上壩堆石料質(zhì)量與石渣區(qū)范圍。通過對(duì)石碴料筑壩的研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，在確保工程安全、質(zhì)量的前提下，石碴料的利用，大大減少了料場(chǎng)開挖，消化工程棄渣約17萬m3，同時(shí)節(jié)省工程投資約500萬元，更減輕了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響和破壞，對(duì)類似工程設(shè)計(jì)有較好借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 南京水利科學(xué)研究院，遵義匯川區(qū)紅峰水庫工程混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究報(bào)告[R]，南京， 2016.05。

[2] 中華人民共和國(guó)水利部，混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL228-2013[S]， 2013-01-22發(fā)布，2013-04-22實(shí)施。

作者簡(jiǎn)介：晏長(zhǎng)軍（1990-）男，貴州省正安縣人，助理工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)與研究工作。