面板堆石壩地質(zhì)影響因素分析

郅軍超

（1太原理工大學(xué)水利學(xué)院 山西太原 030024；2山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

面板堆石壩（CFRD）由于自身諸多特點(diǎn)使其在近幾十年的水利水電建設(shè)工程中廣泛應(yīng)用，近幾年山西隨著水利建設(shè)的發(fā)展需要，逐漸開(kāi)始了面板壩的設(shè)計(jì)與建設(shè)，先后建成了柏葉口水庫(kù)混凝土面板堆石壩、澤城西安水電站面板堆石壩，并有一批中小型面板堆石壩在建或設(shè)計(jì)方案優(yōu)化中。實(shí)踐中也積累了不少經(jīng)驗(yàn)。由于其涉及地質(zhì)影響因素較多，如壩址地形地貌、壩基地基地質(zhì)條件、趾板地基地質(zhì)條件、壩料選擇與綜合平衡等，如何根據(jù)壩址實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合壩型特點(diǎn)相關(guān)影響因素，為工程建設(shè)提供科學(xué)、可靠地質(zhì)技術(shù)資料，做出合理、相對(duì)最優(yōu)化決策及施工方案，對(duì)實(shí)際工程建設(shè)具有重要意義。

面板堆石壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受材料和運(yùn)輸條件制約較小，施工方便，由于較好抗滑、抗?jié)B、變形可控等諸多特點(diǎn)使其在近幾十年的水利水電建設(shè)工程中廣泛應(yīng)用，在應(yīng)用實(shí)踐中得到也積累不少經(jīng)驗(yàn)，隨著施工技術(shù)的提高，其對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性也得到了較大的擴(kuò)展。

1 面板壩壩址選擇的地質(zhì)影響因素

面板壩的選址原則上與其它類(lèi)型的土石壩類(lèi)似，主要考慮地形、地質(zhì)條件影響以及樞紐布置、施工條件、天然建材等條件。面板壩壩址應(yīng)選擇河床覆蓋層薄，便于壩基清理，壩基基巖堅(jiān)硬、巖體完整、壓縮變形較小，兩岸基巖完整，利于布置軸線(xiàn)與趾板，壩址區(qū)無(wú)大斷層通過(guò)的區(qū)域。但在實(shí)踐中完全滿(mǎn)足這些條件的壩址不多，近些年，隨著面板壩的發(fā)展，壩址選擇地質(zhì)條件有所放寬，對(duì)各種形狀的河谷，壩基巖性特征，河床覆蓋層特性，兩岸不穩(wěn)定巖體等地質(zhì)影響因素只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，都可修建面板堆石壩。地質(zhì)條件對(duì)面板堆石壩壩址選擇的影響主要是不良地質(zhì)條件對(duì)面板壩方案優(yōu)化及處理措施的影響。例如水布埡面板堆石壩工程，河床覆蓋層總體較薄，個(gè)別深槽部位覆蓋層較厚，覆蓋層總體厚度在1.4～21.7 m之間。后經(jīng)過(guò)論證，采用保留部分覆蓋層，其余部分進(jìn)行強(qiáng)夯處理，整體作為面板堆石壩壩基。山西某小型水庫(kù)，方案選擇時(shí)，擬選用面板壩方案，由于壩址區(qū)為較寬“U”型谷，地層為砂巖、泥巖互層，巖性不均一，其壩址左岸存在一崩塌體，地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)砂巖泥巖互層中存在兩層軟弱夾層，壩肩巖體存在邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，后經(jīng)過(guò)進(jìn)一步勘察計(jì)算分析，并優(yōu)化壩址區(qū)樞紐布置，采取趾板開(kāi)挖、溢洪道開(kāi)挖，支護(hù)方案，很好地采用了卸荷支護(hù)與壩體澆筑施工，樞紐布置相結(jié)合的方案，解決了左壩肩的穩(wěn)定問(wèn)題。

2 面板壩趾板的地質(zhì)影響因素

趾板與上部面板共同構(gòu)成立體防滲帷幕，形成完整的防滲體系，作為面板壩重要部分，傳統(tǒng)要求趾板地基置于堅(jiān)硬、可灌性較好的弱風(fēng)化至新鮮基巖上，一般完全符合這種地質(zhì)要求的趾板地基比較少，實(shí)際工程建設(shè)中不可避免遇見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化巖層、不均勻巖層、趾板下部卸荷體、裂隙發(fā)育、次生泥充填且發(fā)育層間剪切破碎帶、軟弱地基，甚至是的斷層，泥化夾層、溶洞等不利地質(zhì)條件。各種不利地質(zhì)條件直接影響了趾板建基面位置，分段處理措施、灌漿處理深度及防滲體整體性以及與上部面板連接的形式。根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化巖層，裂隙發(fā)育巖層，綜合研究其滲透性與可灌性，采取相應(yīng)的處理措施能夠滿(mǎn)足防滲要求，對(duì)于斷層，泥化夾層，斷層剪切破碎帶、溶洞則需要采取換填，固結(jié)置換等相應(yīng)的工程措施。趾板設(shè)計(jì)方案初步設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分查明壩址處影響趾板地基巖體穩(wěn)定、防滲穩(wěn)定，滲流路徑，巖體滲透比降等地質(zhì)因素，采取少挖、修固、補(bǔ)差等方式，利用巖體自身的工程特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工。例如紫坪鋪大壩，趾板跨越一向斜構(gòu)造，基礎(chǔ)為含煤粉、細(xì)砂巖、頁(yè)巖的不等厚互層，且發(fā)育層間剪切破碎帶，地基均一性差；河床部位向斜核部受構(gòu)造擠壓巖體較破碎，尤其是層間剪切破碎帶強(qiáng)度低。巖體風(fēng)化較弱。巖體強(qiáng)卸荷帶在河床部位較淺為0～8 m，而在兩岸較深，左岸垂直深度為20～30 m，右岸為15～20 m。趾板建基面開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)按設(shè)計(jì)選用的容許滲透比降相對(duì)應(yīng)的巖體質(zhì)量確定為弱風(fēng)化中部巖體[1]。對(duì)趾板地基卸荷巖體松弛、裂隙發(fā)育、次生泥充填且發(fā)育層間剪切破碎帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，加強(qiáng)了地基處理。將左岸建基面抬高8 m，右岸建基面抬高4～13 m。將弱風(fēng)化上段強(qiáng)卸荷層大部分挖除，對(duì)穿越趾板的斷層、煤質(zhì)頁(yè)巖等逐條進(jìn)行處理，采用開(kāi)挖后回填混凝土塞、表面封閉的措施。并在下游設(shè)反濾料保護(hù)措施。結(jié)合地質(zhì)條件，充分利用巖體自身的滲透穩(wěn)定性，固弱補(bǔ)差，優(yōu)化趾板結(jié)構(gòu)，構(gòu)成較好的防滲體系。

3 面板壩堆石體地基的地質(zhì)影響因素

面板壩主壩體是非剛性的結(jié)構(gòu)，面板壩堆石體是壩體穩(wěn)定的主體，堆石體地基巖體結(jié)構(gòu)變形、抗滑及滲透穩(wěn)定性是壩基的主要地質(zhì)問(wèn)題，其位置布局選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)、地形條件、地基特性，選擇堅(jiān)硬、完整，均一性較好的地基。為盡量減小壩體和壩基的沉降變形，根據(jù)壩基地質(zhì)情況確定合理的清基范圍。趾板下游至約1/6壩底寬區(qū)域內(nèi)，受水荷載最大，其變形將直接影響到面板變形，要求將表土及松散風(fēng)化巖清挖至較完整的基巖面。近些年施工技術(shù)逐漸成熟，對(duì)于該范圍內(nèi)較厚的覆蓋層，尤其是沖積砂卵石層，只要其厚度均一，現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)確定其變形模量遠(yuǎn)大于上部壩體堆石體，其下沒(méi)有軟弱夾層，或易液化砂層，可僅清除其表面范圍內(nèi)松散體，大部分主體留下，作為該段堆石體地基。上游壩基約1/6底寬至壩軸線(xiàn)部分，其清基要求盡可能清至較完整基巖，對(duì)表層松散覆蓋層及松散狀全強(qiáng)風(fēng)化層，要求做適當(dāng)?shù)那宄?。地基若存在較厚砂卵石層則需要在查明砂卵石及軟弱夾層的分布、性狀、抗剪強(qiáng)度等工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對(duì)砂卵石層作為壩基的抗滑穩(wěn)定性、沉降和不均勻變形、滲漏和滲透變形、砂層的震動(dòng)液化作出正確的評(píng)價(jià)并根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案采取局部清除置換、加固、固結(jié)灌漿、防滲封閉等措施處理。壩軸線(xiàn)下游部分的壩基由于其上部堆石體壩體主要是為了穩(wěn)定下游壩體及壩坡，其變形對(duì)面板影響比較小，地基穩(wěn)定性、變形要求相對(duì)較寬，可充分利用河床原有的覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖，進(jìn)行表層清除處理，適當(dāng)進(jìn)行加固、壓密，作為下游壩基。例如柏葉口水庫(kù)面板堆石壩，壩基壩址區(qū)工程勘察中查明壩基主要為下太古界界河口群一段灰、灰白色混合花崗巖、變粒巖巖組河谷基巖中局部穿插條帶狀、脈狀大理巖、變質(zhì)輝長(zhǎng)巖及變質(zhì)花崗巖或變質(zhì)偉晶巖。基巖全強(qiáng)風(fēng)化層厚0～10 m，一般厚度1～5 m，一般右側(cè)風(fēng)化程度較左側(cè)大。址板線(xiàn)上游側(cè)及下游側(cè)分別存在一節(jié)理密集帶，帶內(nèi)全強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為20～30 m。上部覆蓋層為全新統(tǒng)洪沖積物，巖性表層為低液限粉土和砂層，厚0～1 m，其下為卵石混合土、混合土卵石，局部為砂層透鏡體。厚度一般7～8 m，在河床中間深槽部位勘探深度最大15.1m。在右岸坡腳表層坡積物分布部位埋深12～13m。砂層分布不連續(xù)，呈透鏡體狀分布。根據(jù)壩基地基對(duì)地層要求的差異采取了不同壩基開(kāi)挖處理措施，趾板下游至約1/6壩底寬區(qū)域內(nèi)，清除上部覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化層或部分強(qiáng)風(fēng)化層1～3 m，針對(duì)左右壩基風(fēng)化程度不同，采取不同的開(kāi)挖深度，上游壩基約1/6底寬至壩軸線(xiàn)部分試驗(yàn)分析壩基下部原狀卵石混合土、混合土卵石層，壓縮系數(shù) av1-2在 0.0305～0.0455 MPa-1，具低壓縮性；局部有砂層透鏡體，層薄且不連續(xù)。經(jīng)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算分析，為不可液化土層。采取清除表層0～2 m土層夾砂層，下部砂卵石層采取固結(jié)灌漿處理。壩軸線(xiàn)下游地基采取清除表層0～1 m松散層，下部進(jìn)行碾壓夯實(shí)作為壩基。柏葉口水庫(kù)已竣工正常運(yùn)行三年，運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 面板壩壩料的選擇地質(zhì)影響因素

面板堆石壩壩料的選取應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、料場(chǎng)地質(zhì)條件、料的質(zhì)量要求，及導(dǎo)流方式、壩料綜合平衡等多種因素進(jìn)行規(guī)劃。

1）堆石料的選擇

壩料中堆石料用量較多，種類(lèi)選擇性較寬，一般都因地制宜，選擇低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度新的堆石料，一般從強(qiáng)度不足10 MPa的低強(qiáng)度軟巖，到強(qiáng)度超過(guò)200 MPa的高強(qiáng)度硬巖都被可用作壩體堆石料。堆石料的質(zhì)量選擇主要考慮其密度、級(jí)配特點(diǎn)、壓縮性、工程壓實(shí)性以及滲透性。堆石料一般選用巖石飽和抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的硬巖，采用爆破后的爆破料或開(kāi)挖料要求最大粒徑以600～800 mm為宜，小于5 mm的粒徑含量不宜超過(guò)20%[2]，以滿(mǎn)足自由排水要求。堆石料場(chǎng)的選取在充分考慮地形、運(yùn)距、工程規(guī)?；疽髸r(shí)，要從工程地質(zhì)特性方面出發(fā)，選擇區(qū)域內(nèi)中硬巖，研究其巖體風(fēng)化程度、整體剝蝕率，通過(guò)研究其開(kāi)采方式，爆破成塊率，爆破后各粒徑相應(yīng)級(jí)配特點(diǎn)，上壩填筑利用率等因素確定料場(chǎng)的規(guī)模與質(zhì)量。山西省柏葉口水庫(kù)面板堆石壩的堆石料的選取，因地制宜地選擇了壩址下游右側(cè)溝谷距壩址約1 km的下太古界界河口群一段混合花崗巖、變粒巖為堆石料，在料場(chǎng)范圍內(nèi)根據(jù)巖體風(fēng)化程度對(duì)巖石試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了分層（強(qiáng)風(fēng)化層、弱微風(fēng)化層）。強(qiáng)風(fēng)化層抗壓強(qiáng)度為12～36 MPa，平均值為27 MPa，弱微風(fēng)化層抗壓強(qiáng)度為25～123 MPa，平均值為56 MPa。料場(chǎng)范圍內(nèi)緩坡處全風(fēng)化層厚度一般為0.5～2.0 m，多呈松散的砂粒狀；料場(chǎng)內(nèi)弱微風(fēng)化巖層可以作為堆石料的料源使用，也可用于加工墊層料和過(guò)渡區(qū)石料，同時(shí)采用洞室加孔內(nèi)復(fù)式爆破的方法，減收二次爆破率，最大限度地提高塊石料的上壩率。最終確定該料場(chǎng)區(qū)剝離層約占儲(chǔ)量的0.6%，全強(qiáng)風(fēng)化層約占19.9%，若不考慮采用強(qiáng)風(fēng)化層料，該主料場(chǎng)利用率約為80%，若考慮采用30%的強(qiáng)風(fēng)化層料作為次堆石區(qū)堆料，則該區(qū)料場(chǎng)利用率約86%。同時(shí)結(jié)合樞紐開(kāi)挖研究其開(kāi)挖料可利用性，綜合利用了導(dǎo)流洞和溢洪道的部分開(kāi)挖料，作為堆石料，提高了綜合利用率。

2）墊層料的選擇

壩料中墊層料采用半透水料，應(yīng)具有高強(qiáng)度、低壓縮性和較大的變形模量、半透水性、高抗?jié)B透穩(wěn)定性、保砂性及抗分離性。墊層料的滲透系數(shù)K一般要求10-3～10-4cm/s，墊層料應(yīng)選用質(zhì)地新鮮、堅(jiān)硬、耐久性好的石料[2]。其場(chǎng)地要盡量選擇壩址附近，一般天然砂礫石料是首選，但由于天然砂礫石料其級(jí)配是自然的，特征粒徑對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)具有敏感性，若直接采用會(huì)造成級(jí)配，壓縮性、壓實(shí)性和滲透性，不穩(wěn)定，且易造成5 mm以下顆粒含量不足，一般需要采取篩分摻配等措施。若滿(mǎn)足墊層料要求，可直接作為墊層料筑壩。也可將部分堆石料進(jìn)行再加工，通過(guò)破碎、摻配細(xì)料，加工合格的墊層料。

柏葉口水庫(kù)壩體墊層料根據(jù)墊層料特點(diǎn)，綜合選取壩址下游附件河谷天然砂礫石作為墊層料料場(chǎng)，依據(jù)規(guī)范，按av1-2的值進(jìn)行壓縮性判斷，試料在對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度情況下，墊層料試樣為低壓縮性料。墊層料在干密度為2.12～2.13 g/cm3時(shí)，滲透系數(shù)為10-3cm/s數(shù)量級(jí)，基本小于5 mm粒徑組含量為48.29%，小于0.075 mm粒徑組含量為2.97%，顆粒含量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但不均勻系數(shù)Cu為50.70，曲率系數(shù)Cc為0.205，不同時(shí)滿(mǎn)足Cu≥5和1≤Cc≤3，顆粒級(jí)配連續(xù)的條件，為級(jí)配不良料。后通過(guò)分析計(jì)算，在小于100mm各粒徑組中每100 kg，增加5～10 mm粒徑組20 kg，同時(shí)增加2.5～5 mm粒徑組10 kg。增加粒徑組重量后，小于5 mm粒徑組含量為44.84%，小于0.075 mm粒徑組含量為2.29%，不均勻系數(shù)Cu為20.05，曲率系數(shù)Cc為1.34，顆粒含量和顆粒級(jí)配均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)天然砂礫石料的篩分、摻配，生產(chǎn)合格的墊層料，最大限度地提高壩址附近建材用料的利用率。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上分析面板堆石壩壩型選擇及修建應(yīng)結(jié)合多方面因素，綜合考慮，通過(guò)作者近年來(lái)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，著重總結(jié)分析了面板堆石壩地質(zhì)影響因素主要方面，但不同工程實(shí)際，情況各不相同，可根據(jù)具體情況，有側(cè)重，多方面，綜合分析，解決實(shí)際工程問(wèn)題。