小粒徑石料填筑面板堆石壩的應(yīng)用研究

林永生，曹 磊，王小紅

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)進(jìn)程的加快，貴州省內(nèi)水利水電工程也得到了大力推進(jìn)，混凝土面板堆石壩以其獨特的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于水利水電工程中[1-3]?；炷撩姘宥咽瘔沃械亩咽瘏^(qū)是保證大壩穩(wěn)定的控制結(jié)構(gòu)，堆石材料的力學(xué)特性直接關(guān)系到壩體的安全與正常運行。混凝土面板堆石壩的一個重要優(yōu)勢為就地取材，由于各地巖土材料性質(zhì)、爆破效果、施工工藝等存在較大差異，設(shè)計工作者們更多的參照類似工程經(jīng)驗或規(guī)范進(jìn)行面板堆石壩堆石材料設(shè)計，缺乏相關(guān)的理論研究，因此，研究當(dāng)?shù)囟咽牧鲜腔炷撩姘鍓渭夹g(shù)發(fā)展的重要方向。目前，國內(nèi)外科技工作者對混凝土面板堆石壩的研究集中在以下幾個方面：混凝土面板變形規(guī)律及防裂研究[4]，混凝土面板堆石壩滲流問題計算與分析[5]，新型筑壩技術(shù)與方法[8]，新型材料在混凝土面板中的應(yīng)用[6-8]等。然而，這些研究更多的是在筑壩材料滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行的(填筑材料的粒徑、級配均滿足規(guī)范要求或與已建工程相似)，而對于小粒徑筑壩材料(指質(zhì)地堅硬、最大粒徑小于100 mm，100～200 mm粒徑較少，無200～600 mm粒徑的材料)，見諸于科技文獻(xiàn)的相關(guān)研究極少[9]，對于小粒徑堆石料筑壩技術(shù)尚未形成清晰的認(rèn)識，且目前國內(nèi)外科研團(tuán)隊也未對小粒徑材料筑壩的相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。因此，探索小粒徑石料的筑壩問題，拓展小粒徑堆石料的應(yīng)用范圍以及設(shè)計理論具有重要的研究意義。

銅仁市碧江區(qū)馬巖水庫距銅仁市約14.5 km，擋水大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高63 m，壩頂總長202 m。施工階段堆石料開挖現(xiàn)場揭露石料為隱節(jié)理發(fā)育的白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r，爆破開挖后粒徑較小，少有粒徑為200 mm以上石料，石料的級配不滿足原設(shè)計要求。為充分利用原設(shè)計料場資源，節(jié)約成本，保證大壩按期截流度汛與安全，同時也為了拓展面板堆石壩材料的設(shè)計理論，增強(qiáng)面板堆石壩的適應(yīng)性，有必要針對馬巖水庫工程筑壩材料的可行性進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究結(jié)果同時可為類似工程提供參考。

1 小粒徑堆石料的物理力學(xué)試驗

在堆石壩施工階段，現(xiàn)場開挖石料已不滿足原設(shè)計要求，現(xiàn)對堆石料進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場碾壓試驗，研究這種小粒徑堆石料筑壩的可行性。根據(jù)現(xiàn)場布置的9組主堆石區(qū)的現(xiàn)場密度、滲透系數(shù)試驗以及室內(nèi)對應(yīng)的含水率、顆粒級配試驗，對本次現(xiàn)場測試成果評價如下：

(1)室內(nèi)固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度中C=62.9～79.8 kPa，Φ=39.5°～42.9°，表明該堆石料具有較高的抗剪強(qiáng)度。

(2)室內(nèi)大型固結(jié)壓縮試驗中0.1～0.2 MPa下的壓縮系數(shù)為0.018～0.024 MPa-1，壓縮模量為50.5～66.6 MPa，屬低壓縮性土，具有較高的壓縮模量及較低的壓縮系數(shù)。

(3)堆石區(qū)填筑干密度為2.13～2.24 g/cm3，平均為2.17 g/cm3，空隙率小于22%，規(guī)范要求最大不大于25%，碾壓密實性較好。

(4)現(xiàn)場滲透系數(shù)為0.28～0.43 cm/s，平均為0.34 cm/s，設(shè)計要求為大于0.1 cm/s，滿足堆石料自由排水的要求。

(5)最大填筑粒徑小于碾壓層厚，小于5 mm粒徑的平均含量為11.23%，規(guī)范要求不宜超過20%，設(shè)計要求為0～20%，滿足要求；小于0.075 mm粒徑平均含量為0.72%，規(guī)范及設(shè)計要求為小于5%，滿足要求。從顆粒級配包線來看，所檢測的9組試樣中，大于20 mm粒徑顆粒處于反濾料下包線～堆石料上包線之間，不滿足原設(shè)計要求，宜結(jié)合料場石料其他指標(biāo)進(jìn)行控制。

根據(jù)試驗結(jié)果推薦施工參數(shù)：在各碾壓試驗塊，碾壓8遍及以上的干密度、孔隙率、滲透系數(shù)等均滿足設(shè)計要求，但綜合考慮現(xiàn)場施工熟練程度及機(jī)械人員配置力量，現(xiàn)暫推薦各填筑區(qū)施工參數(shù)見表1。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 滲流計算分析

采用Autbank7.0軟件計算堆石體內(nèi)的浸潤線、單寬滲透量和滲透坡降。有限元計算模型邊界取為上下游邊界距壩軸線均約160 m，底部邊界距壩頂180 m。模型網(wǎng)格重點對防滲體系進(jìn)行了細(xì)化處理，頂部高程為壩頂高程283.00 m。有限元計算網(wǎng)格如圖1所示。

表1 推薦施工參數(shù)

注：碾壓設(shè)備在實際施工中采用Ⅰ檔運行，速度為2 km/h．

圖1 有限元計算網(wǎng)格

根據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合面板壩特點，分別計算下列工況：①上游正常蓄水位與下游相應(yīng)尾水位(消能防沖水位/正常尾水位)；②上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)設(shè)計洪水位；③上游校核洪水位與下游相應(yīng)校核水位。由于篇幅有限，本文只給出工況③的水力坡降線和滲透流速計算結(jié)果，如圖2和圖3所示。

圖2 校核洪水位水力坡降線

圖3 校核洪水位滲透流速

根據(jù)計算結(jié)果可知，面板壩在以上3種工況中，單寬滲透流量為0.064～0.068 L/s，滲流量不大。由滲透剖面等勢線圖及滲透坡降等值線圖可知，滲透坡降主要由混凝土面板承擔(dān)，浸潤線在混凝土面板處迅速下降，在其他堆石區(qū)滲透坡降很小，在主堆石區(qū)域浸潤線基本與下游水位齊平，滲透坡降為0.004 75～0.005 02，遠(yuǎn)小于實驗值的臨界坡降1.7，故下游坡面不會因滲流而失穩(wěn)。

2.2 壩坡穩(wěn)定計算分析

本次計算采用Autbank7.0軟件分別對面板堆石壩上、下游邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析。采用瑞典圓弧法、簡化畢肖普法，分別計算不同工況下相對應(yīng)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。計算工況為：①正常蓄水位穩(wěn)定滲流期(下游壩坡)；②死水位穩(wěn)定滲流期(上游壩坡)；③竣工期工況上、下游無水(上、下游壩坡)；④水位降落期非穩(wěn)定滲流上游壩坡穩(wěn)定(正常蓄水位降到死水位)。壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果見表2。

表2 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果

從表2可知，混凝土面板堆石壩上下游壩坡在各工況下，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，表面混凝土面板堆石壩是安全可靠的。

3 大壩運行監(jiān)測分析

3.1 壩后坡表面變形觀測

(1)面板頂部變形監(jiān)測。在大壩面板頂部281.00 m高程共布置了5個表面變形觀測墩，位置分別為壩橫右0+054、壩橫右0+030、壩橫0+000、壩橫左0+030、壩橫左0+054，監(jiān)測日期從2016年7月～2017年9月。通過監(jiān)測結(jié)果可知，觀測期內(nèi)累積最大變形為垂直方向的沉降變形，最大位移為18.4 mm，位于壩軸線附近，量值較小，變形主要發(fā)生在2016年7月～11月，變形分布規(guī)律與類似工程比較無異常。

(2)壩后坡表面變形觀測。在壩后坡兩級馬道上共布置7個表面變形觀測墩，其中238 m高程馬道3個、263 m高程馬道4個。238.0 m高程馬道向下游最大位移9.73 mm；最大沉降1.42 mm。263.0 m高程馬道向下游最大位移4.93 mm；最大沉降16.77 mm。從量值來看，位移變化不顯著。從分布規(guī)律來看，263 m高程馬道的累計位移大于238 m高程馬道的累計位移，壩體中部測點沉降量大于靠近岸坡的測點，分布情況符合一般規(guī)律。

3.2 大壩內(nèi)部變形

(1) 壩體垂直位移。在240 m高程，壩橫0+000條帶共布置5個水管式沉降儀測點、5個引張線式水平位移計測點。沉降測點VM1-1、VM1-2、水平位移測點HM1-1、HM1-2位于上游壩體內(nèi)，沉降測點VM1-3、水平位移計測點HM1-3位于壩軸線，沉降測點VM1-4、VM1-5、水平位移測點HM1-4、HM1-5位于下游壩體內(nèi)。測點檢測值從2015年5月～2017年5月。從過程線看，沉降變形主要發(fā)生在施工期及2015年5月～11月，2016年以后沉降變化曲線趨于平緩。在觀測期內(nèi)，最大累計沉降量為217.28 mm(VM1-2測點，縱上0+025)，約為最大壩高的0.36%，小于國內(nèi)外同類材料筑壩的沉降，說明堆石體提供了可靠的支撐，證明壩體安全可靠。在264 m高程共設(shè)置左、中、右3條條帶，每條條帶各布置3個沉降測點和3個水平位移測點。截止到2017年5月，最大累計沉降量為203.84 mm(VM2-2的點，壩橫0+000、壩縱0+000)，且趨于穩(wěn)定。

(2)壩體水平位移。從實測成果看，240 m高程水平位移量最大的是HM1-1測點(壩橫0+000、縱上0-060)，其值為-421.25 mm；264 m高程位移最大的是SE8測點(壩橫0+000，縱上0+016)，其值為148.2 mm，截止到目前，位移變化趨于穩(wěn)定，壩體的變形狀態(tài)表明壩體安全可靠。

3.3 壩基、趾板滲壓監(jiān)測

在大壩壩基、趾板共布置8支滲壓計。大壩上游反向排水管于2016年5月7日封堵、導(dǎo)流洞于2018年2月3日封堵以后，壩基水位逐漸升高，截至目前，上游庫水位高程為239.00 m。2月底的監(jiān)測成果見表3。

目前水庫蓄水至239.00 m，壩體內(nèi)最高水位僅228.81 m，表明堆石區(qū)滲透性較好，能達(dá)到自由排水的效果。

4 結(jié) 論

本文針對馬巖水庫工程研究了小粒徑堆石料筑壩的可行性，拓寬了石料在筑壩方面的應(yīng)用范圍。主要研究成果如下：

(1)通過室內(nèi)及現(xiàn)場碾壓試驗，證明了小粒徑石料經(jīng)過一定施工技術(shù)手段可使小粒徑石料的密度、透水性、孔隙率的參數(shù)達(dá)到面板堆石壩的填筑要求，根據(jù)試驗結(jié)果推薦的施工參數(shù)可為類似工程體用經(jīng)驗參考。

表3 壩基滲壓計水位高程變化統(tǒng)計

(2)在以上試驗的基礎(chǔ)上，對壩體的滲流、壩坡穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果表明，壩坡面不會因滲流而失穩(wěn)且上、下游壩坡在各工況下，最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求。

(3)監(jiān)測結(jié)果表明，壩體的變形主要集中在施工期，之后變形趨于穩(wěn)定，變形分布規(guī)律與類似工程比較無異常，進(jìn)一步證明了壩體的可靠性。

(4)馬巖水庫小粒徑堆石料的試驗研究成果，對貴州白云巖分布地區(qū)充分利用當(dāng)?shù)夭牧闲拗姘宥咽瘔尉哂幸欢ǖ慕梃b意義。