礫巖料在魁龍水庫大壩工程中的研究應用

張全意，蔡 平，曾 旭

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

魁龍水庫工程位于貴州省余慶縣境內(nèi)，水庫正常蓄水位630.00m，總庫容1152萬m3，屬中型水庫，主要任務是為縣城和工業(yè)園區(qū)供水，年供水量1170萬m3/a。水庫樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、豎井旋流泄洪洞及取放隧洞等建筑物組成。大壩于2013年11月開始填筑，2014年10月填筑完成，2016年5月下閘蓄水投入運行。

壩址區(qū)附近分布地層主要為第三系(E)礫巖，其物質(zhì)成分多樣，為機械式膠結(jié)，巖性均一性差，韻律性明顯，存在軟化、崩解、離散現(xiàn)象，整體含泥量大于10%，飽和抗壓強度15～20MPa，屬軟巖料，弱風化巖體屬CⅢ類。而硬巖料分布較近的位于壩址東部，距離約10km，巖性為∈1q灰色厚層至塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，飽和抗壓強度大于40MPa，巖質(zhì)堅硬，抗風化能力強，巖石質(zhì)量較好。

針對工程區(qū)附近天然建筑材料分布及質(zhì)量、儲量和對外交通條件等因素，大壩填筑材料經(jīng)選擇“軟巖+部分硬巖料”“全部硬巖料”兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較后，采用“軟巖+部分硬巖料”設(shè)計方案，即墊層區(qū)、過渡區(qū)、豎向及橫向排水區(qū)料采用灰?guī)r料，其余堆石區(qū)為礫巖料，壩體填筑總量約60萬m3，其中灰?guī)r料20萬m3、礫巖料40萬m3。

2 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高58.5m，壩頂寬7.0m，壩頂長190.0m，壩頂高程633.50m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.56，最大壩底寬170.66m。上游采用0.45m等厚防滲混凝土面板，面板后分別設(shè)置水平寬3.0m墊層和水平寬4.0m過渡層，過渡層后在高程626.00～583.00m之間設(shè)置水平寬4.0～11.20m的豎向排水區(qū)，河床583.00m高程以下設(shè)水平排水區(qū)，豎向排水區(qū)后和水平排水區(qū)以上為堆石區(qū)(采用礫巖料填筑)，下游壩面采用混凝土預制塊護坡。面板周邊與趾板相接，趾板厚0.50m，寬5.0～4.0m，置于弱風化層上部巖基上，設(shè)φ25錨筋與基巖連接，錨入基巖4.0m，間距1.5m，趾板基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。面板和趾板采用C25混凝土，設(shè)單層雙向鋼筋，水平向配筋率為0.3%，豎向配筋率為0.45%。根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗數(shù)據(jù)，壩體各分區(qū)材料填筑要求和特性指標見表1。大壩剖面設(shè)計圖如圖1所示。

(1)墊層區(qū)，采用灰?guī)r骨料，鋪筑層厚0.5m，最大粒徑80mm，粒徑小于5mm的含量宜為30%～50%，小于0.1mm的含量宜控制在8%左右，壓實后應具有內(nèi)部滲透穩(wěn)定性、低壓縮性、高抗剪強度，干容重2.20t/m3，孔隙率15%，滲透系數(shù)為1×10-3～10-4cm/s。

(2)過渡區(qū)，采用灰?guī)r料，鋪筑層厚0.5m，最大粒徑300mm，且級配連續(xù)，壓實后應具有低壓縮性、高抗剪強度、自由排水性能，干容重2.15t/m3，孔隙率18%，滲透系數(shù)>1×10-3cm/s。

表1 材料分區(qū)特性表

大壩剖面設(shè)計圖

表2 礫巖物理力學指標表

(3)排水區(qū)，壩體過渡區(qū)后豎向排水區(qū)和河床583.00m高程以下水平排水區(qū)，均采用灰?guī)r料，鋪筑層厚1.0m，最大粒徑為800mm，壓實后應能自由排水、有較高的壓實密度和變形模量，干容重2.1t/m3，孔隙率22%，滲透系數(shù)>1×10-2cm/s。

(4)堆石區(qū)(干燥區(qū))，采用礫巖石料，鋪筑層厚0.6m，最大粒徑500mm，壓實后具有較低的壓縮性和一定的抗剪強度，干容重2.15t/m3，孔隙率19%，滲透系數(shù)>1×10-4cm/s。

3 大壩結(jié)構(gòu)分析計算

針對大壩填筑材料分區(qū)設(shè)計，其堆石區(qū)為礫巖，巖性均一性差，抗壓強度低，存在軟化、崩解、離散現(xiàn)象，整體含泥量大于10%(超過規(guī)范要求)。對礫巖料開展了室內(nèi)大型三軸試驗工作，其礫巖主要物理力學指標見表2。結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，壩體堆石區(qū)分別利用強、弱風化礫巖料填筑的情況下，對大壩應力應變、位移及壩坡穩(wěn)定等采用三維有限元進行分析計算。

3.1 計算參數(shù)

(1)混凝土材料參數(shù)

混凝土面板與趾板按線彈性模型考慮，其彈性模量、泊松比和密度分別為：E=28GPa，μ=0.167，ρ=2.40g/cm3。

(2)堆石料參數(shù)

墊層料、過渡料和排水區(qū)料的材料參數(shù)參考同類工程成果選取，礫巖堆石料參數(shù)選用平均線級配、密度2.12g/cm3時的三軸試驗結(jié)果作為基準方案選取，各材料參數(shù)見表3。

表3 壩料的雙屈服面模型參數(shù)

表4 接觸面模型參數(shù)

(3)接觸面參數(shù)面板與墊層間無厚度接觸面單元模型參數(shù)見表4。

3.2 分析計算結(jié)果

根據(jù)壩體填筑材料分區(qū)設(shè)計和巖石的實驗指標，按大壩填筑質(zhì)量控制指標要求，對堆石區(qū)采用強、弱礫巖風化料填筑兩種條件下進行三維有限元分析計算，其大壩變形與應力特征值、壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表5。

從表5數(shù)據(jù)可知，堆石區(qū)在分別采用強、弱風化礫巖料兩種條件下，壩體和防滲體的應力變形指標均未發(fā)生明顯變化。壩體順河向位移最大值12.7cm，最大沉降值42.3cm，占壩高的0.72%，壩體的主應力和應力水平變化較小。面板最大壓應力2.66MPa、最大拉應力0.97MPa，其位移和撓度值均較小，均未超過混凝土材料的抗壓和抗拉強度。面板周邊縫的最大剪切、沉陷和張拉量分別為4.4、27、15.7mm；垂直縫的張拉變位量3.0mm，均在設(shè)計止水材料的變形允許值內(nèi)。上、下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)兩種組合條件下均大于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)1.25。

根據(jù)上述三維有限元分析計算成果，壩體堆石區(qū)可采用強、弱風化礫巖料填筑，施工中降低了料場的開采強度，加快施工進度，并可充分利用樞紐區(qū)的開挖料，減少棄渣量及渣場征地，節(jié)省工程投資，減輕了工程施工對周邊環(huán)境的影響。

4 大壩安全監(jiān)測

根據(jù)SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求，針對本工程大壩堆石區(qū)填筑材料的特性，為了及時掌握大壩在施工期和運行期各工況下的安全情況，對大壩外部變形，壩體內(nèi)部垂直和水平位移，面板垂直縫、周邊縫，壩體滲水量等布設(shè)相關(guān)觀測設(shè)備進行監(jiān)測。大壩施工期至運行期監(jiān)測成果見表6。

表5 堆石區(qū)(礫巖料)不同風化程度時的主要計算結(jié)果表

表6 施工期至運行期大壩監(jiān)測成果表

從表6中監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，大壩垂直最大累積沉降量36.69cm(其中施工期28.38cm，蓄水運行期8.31cm)，為壩高的0.63%。壩體內(nèi)部水平位移值為1.82～5.78cm，基本表現(xiàn)為向下游方向，水庫蓄水后，堆石體水平位移計變化量均較小。面板相對趾板的開合、剪切、沉降位移量無突變等異?，F(xiàn)象，周圍邊縫變化基本正常，面板相對趾板開度基本呈現(xiàn)閉合趨勢，最大開度1.01mm，最大閉合值-2.26mm。面板混凝土兩向應變基本為壓應變，最大總壓應變值-196.26με，變化量在14.24～112.3με之間。面板脫空變形量0.0～7.18mm、剪切變形值-0.91～1.72mm，水庫蓄水后的累積變形量及變化量均較小，表明脫空計測點附近面板與擠壓邊墻未發(fā)生明顯脫空。大壩蓄水至正常蓄水位630.00m，下游量水堰滲漏量在0.70～2.30L/s之間，且量水堰流量水位變化平緩，量級較小。

通過大壩施工期和運行期觀測成果分析，大壩變形值在正常范圍內(nèi)，且已趨于穩(wěn)定；水庫蓄水后面板豎直縫及滲壓計測值未見明顯變化；面板周邊縫開合、沉降方向位移量較小，測值基本穩(wěn)定；壩基滲透水位與下游壩腳水位基本一致，蓄水期左、右岸趾板無明顯滲漏情況。

5 結(jié)語

魁龍水庫大壩堆石區(qū)主要利用就近礫巖料填筑，經(jīng)大壩施工期及蓄水運行期安全監(jiān)測成果資料分析，與前期“壩體筑壩材料試驗及三維有限元分析”計算成果基本一致，其力學性質(zhì)滿足壩體強度和變形要求，大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，水庫大壩運行安全，為同類建設(shè)條件下混凝土面板堆石壩設(shè)計提供借鑒作用。但由于礫巖的物質(zhì)成分多樣化，并多為機械式膠結(jié)，其巖性均一性差，韻律性明顯，存在軟化、崩解、離散現(xiàn)象，且整體含泥量大，滲透性差，抗壓強度低，適宜作為壩體干燥區(qū)的填筑材料，并須作好礫巖料堆石區(qū)前緣豎向和低部水平排水等措施的結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計。