塘沖水庫工程利用河床砂礫石層作壩基持力層設(shè)計(jì)探討

明 亮

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

塘沖水庫工程利用河床砂礫石層作壩基持力層設(shè)計(jì)探討

明 亮

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

由于面板堆石壩為柔性壩，對基礎(chǔ)承載能力要求不高，可充分利用當(dāng)?shù)夭牧现蔚奶攸c(diǎn)，在眾多壩型中具有一定的優(yōu)勢。本文以工程實(shí)例簡要說明了利用河床砂礫石層作為基礎(chǔ)持力層的論證過程，結(jié)果表明，在將河床礫石層作為壩基持力層設(shè)計(jì)后，需通過細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及掌握河床砂礫石層存在狀態(tài)的情況下，來滿足工程建設(shè)要求。為類似工程的設(shè)計(jì)人員提供一定的參考，希望該方面的技術(shù)成果得到更為廣泛的推廣。

面板堆石壩；砂礫石層作為基礎(chǔ)；河床砂礫石層

1 基本情況

1.1 工程概況

塘沖水庫是貴州省三穗縣六洞河第二級綜合開發(fā)利用水利工程，工程位于滾馬鄉(xiāng)塘沖村河段，壩址控制流域面積185 km2，多年平均年徑流量1.024億m3。本工程攔河大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩。大壩樞紐由面板堆石壩、岸邊溢洪道、取水建筑物、沖砂兼放空建筑物等組成。最大壩高53.5 m，總庫容5225萬m3，水庫為多年調(diào)節(jié)性能，水庫規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。壩頂寬5.5 m，壩頂上游設(shè)“T”型鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程707.7 m，下游設(shè)“L”型擋墻。根據(jù)面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范及工程類比，大壩上、下游壩坡均為1∶1.5，并在下游687.0 m高程、670.0 m高程分別設(shè)2.0 m寬馬道。大壩上游面為鋼筋混凝土面板，面板厚0.4 m，下游面為C15預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，厚0.5 m。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在堆石壩設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)堆石體各部分受力特點(diǎn)、滲流要求和各自所起的作用，對堆石體進(jìn)行適當(dāng)分區(qū)。分區(qū)的主要原則為：從上游到下游壩料變形模量依次遞減，以保證蓄水后壩體變形盡可能小，從而確保面板和止水系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性；各區(qū)之間應(yīng)滿足水力過渡要求，從上游至下游壩料的滲透系數(shù)增加，相應(yīng)下游壩料應(yīng)對其上游區(qū)有反濾保護(hù)作用；為節(jié)省投資，壩軸線下游堆石區(qū)變形模量低的部位，利用較差的堆石料，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的；分區(qū)盡可能簡單，以利于施工，便于壩料運(yùn)輸和填筑質(zhì)量控制[1]。

根據(jù)以上堆石料分區(qū)原則和壩料來源，壩體材料從上游至下游依次分為：上游防滲補(bǔ)強(qiáng)區(qū)(蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū))、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)，其大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖1所示。

墊層區(qū)位于混凝土面板下部，水平厚度為3 m。過渡區(qū)為細(xì)堆石料，它是墊層料與主堆石區(qū)的過渡料域，水平厚度3 m。主堆石區(qū)上游坡為1∶1.5，下游坡取1∶0.5，該區(qū)是面板堆石壩的主體，是承受水荷載的主要支撐體。主堆石區(qū)后設(shè)次堆石區(qū)，可利用變形模量較低的石料，粒徑可較主堆石區(qū)大，碾壓層厚亦較主堆石區(qū)大。上游防滲補(bǔ)強(qiáng)蓋重區(qū)采用棄渣回填，棄渣蓋重的水平厚度為2.5 m，上游鋪蓋區(qū)采用黏土鋪筑，水平厚度為2.5 m，填筑頂部高程均為665.0 m，共同構(gòu)成面板上游的第一道輔助防滲體[2]。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(高程單位m,未標(biāo)明單位mm)

1.3 河床砂礫石層情況

本工程整個(gè)壩址區(qū)河床砂卵礫石層厚6～6.9 m，若將整個(gè)壩區(qū)基礎(chǔ)均置于巖石基礎(chǔ)上，則需將該部位河床砂卵礫石層全部挖除，挖除方量約為15.6萬m3。若能在壩區(qū)利用下部稍密至中密砂卵礫石層作為大壩基礎(chǔ)持力層，可減少開挖方量約12萬m3，同時(shí)減少相應(yīng)壩體填筑方量?？晒?jié)省開挖投資160萬元，節(jié)省壩體填筑投資860萬元，工程經(jīng)濟(jì)效益明顯。因此，除趾板區(qū)及趾板下游水平開挖區(qū)大壩基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化基巖外，其余壩體均采用下部稍密至中密砂卵礫石層作為大壩基礎(chǔ)持力層，即清除表層1～1.5 m厚松散覆蓋層后，下部稍密至中密砂卵礫石層作為大壩基礎(chǔ)持力層。

2 河床砂礫石層作為大壩基礎(chǔ)持力層的設(shè)計(jì)過程

2.1 初步設(shè)計(jì)階段對河床砂礫石料的分析成果

初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆探、坑槽探及物探揭露情況分析，基本確定壩址區(qū)及下游河谷廣布沖洪積的砂卵礫石層，厚6～7 m，水平方向厚度較穩(wěn)定，垂直方向無分層現(xiàn)象[3]。砂礫石成分主要為變余層凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)板巖，據(jù)壩址巖石試驗(yàn)資料，平均飽和抗壓強(qiáng)度為80.5 MPa，為堅(jiān)硬巖，磨圓度較差，粒徑以5～10 cm為主，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)及取3組樣作室內(nèi)分析試驗(yàn)，級配總體較好。根據(jù)《水利水電天然建筑材料勘察規(guī)程》 及《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，現(xiàn)對試驗(yàn)成果與壩體填筑質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行對比分析，詳見表1。

表1 塘沖水庫砂礫料試驗(yàn)成果與填筑質(zhì)量指標(biāo)對比表

根據(jù)上述對比分析，砂礫料質(zhì)量滿足規(guī)范要求，可作為筑壩材料，可以該砂礫石層作為大壩基礎(chǔ)持力層。

2.2 施工圖階段對河床砂礫石料的進(jìn)一步論證

結(jié)合現(xiàn)場趾板區(qū)開挖揭示情況及主堆石區(qū)清除1～1.5m松散覆蓋層后情況，進(jìn)行了現(xiàn)場取樣分析，取樣點(diǎn)分別位于填筑區(qū)域上游側(cè)、中部、下游側(cè)，以及左岸側(cè)、中部、右岸側(cè)。

在主堆區(qū)砂礫石層共檢測10個(gè)試坑，含水率2.8%～6.1%，平均含水率4.4%;濕密度2.19～2.36 g/cm3，平均濕密度2.24 g/cm3；干密度2.09～2.22 g/cm3，平均干密度2.1 g/cm3。顆粒級配共測試18組，其中1#～6#、7#-1、8#-1為試坑料，位于水位以上，7#-2～7#-5、8#-2～8#-5位于水位以下，水位以下試樣采用挖機(jī)挖到地面上進(jìn)行試驗(yàn)，在挖取試樣過程中小顆粒部分隨水流留在試坑內(nèi)，導(dǎo)致檢測成果中小顆粒含量減少，與實(shí)際含量有一定偏差。小于5 mm含量大多在20%以內(nèi)，另外5組均小于25%；小于0.075 mm含量均小于3%。顆粒級配只有兩組不良，其他均為良好[4]。

經(jīng)對主堆石區(qū)河床砂卵礫石層做了鉆探、坑探及現(xiàn)場取樣試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)認(rèn)為河床砂卵礫石層在清除表層1～1.5 m厚松散覆蓋層后，下部稍密至中密砂卵礫石層的幾項(xiàng)主要指標(biāo)，如干密度、孔隙率、滲透系數(shù)、顆粒級配等能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的指標(biāo)要求，可作為大壩基礎(chǔ)持力層。

結(jié)合現(xiàn)場取樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，可以得到河床砂卵礫石層的幾項(xiàng)主要指標(biāo)：①干密度為2.09～2.15 g/cm3(10個(gè)樣中僅一個(gè)樣為2.09 g/cm3)；②孔隙率為17%～22%；③滲透系數(shù)為3.21×10-3～2.62×10-2cm/s；④小于5 mm顆粒含量平均值P5=8.74%～35.31%，僅1#樣偏高(分析為在取樣過程中額外摻入了外部局部泥團(tuán))；剔除1#樣后，P5=8.74%～24.82%，大部分取樣位于20%以下；⑤小于0.075 mm顆粒含量平均值P0.075=0.11%～2.02%；⑥河床砂卵礫石層砂卵石大、小顆粒分布均勻，無集中或成層較軟弱夾粉砂含泥層帶。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 228-2013)及初設(shè)、施工圖設(shè)計(jì)依據(jù)規(guī)范《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 228-98)要求：壩體堆石料最大粒徑不超過壓實(shí)層厚度，P5≤20%，P0.075≤5%，主堆石料壓實(shí)后的孔隙率宜為20%～25%，滿足自由排水性(滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)宜>10-3cm/s)。根據(jù)以上指標(biāo)分析，設(shè)計(jì)認(rèn)為河床砂卵礫石層在清除表層松散層后可作為主堆石區(qū)建基面，能夠滿足工程的需要。

2.3 實(shí)施效果

本工程于2013年8月開始進(jìn)行大壩主堆石區(qū)及下游堆石區(qū)填筑工作，于2015年10月完成面板澆筑工作，于2016年10月完成水庫蓄水安全鑒定工作。從大壩填筑質(zhì)量來看，均能滿足規(guī)范要求[5]。

3 結(jié) 論

由于面板堆石壩為柔性壩，對基礎(chǔ)承載能力要求不高，可充分利用當(dāng)?shù)夭牧现?。在遇到基礎(chǔ)覆蓋層較厚的壩址位置，若能充分利用覆蓋層作為大壩基礎(chǔ)，可以帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益，對工程施工進(jìn)度也有很大的提高。但基礎(chǔ)覆蓋層是否能作為大壩基礎(chǔ)持力層，需按規(guī)范要求作好充分的論證工作，必需以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，不可盲目照搬照套。本文以工程實(shí)例簡要說明了利用河床砂礫石層作為基礎(chǔ)持力層的論證過程，為類似工程的設(shè)計(jì)人員提供一定的參考，利于該方面的技術(shù)成果得到更為廣泛的推廣。

[1] 高超.山西省天鎮(zhèn)縣石佛寺水庫大壩壩基及壩肩處理工程設(shè)計(jì)[J]. 水利建設(shè)與管理,2016(8)：33-35，47.

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[4] 陳海全．寧夏吳忠市同心縣丁家二溝水庫除險(xiǎn)加固工程壩基防滲墻設(shè)計(jì)[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(11):152.

[5] 劉茂祥．磨盤山水庫壩基防滲工程設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)[J]．黑龍江水利科技，2012(3)：159-160.

明 亮(1978-),男,黎族,貴州鎮(zhèn)寧人,高級工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)方面工作。E-mail：377301377@qq.com。

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