關門巖水庫大壩壩體軟硬巖填筑技術研究

王知曉，2 王琦凱 陳崇德

(1.湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門 448156；2.湖北瑞洪工程管理有限公司，湖北 荊門 448156)

1 概 述

關門巖水庫位于長江一級支流清江水系漁洋河上游河段，地處五峰土家族自治縣漁洋關鎮(zhèn)柴埠溪風景區(qū)內，距五峰縣城25km。水庫集水面積63.70km2，最大壩高85.6m，壩長295m，壩頂寬7m，總庫容1440萬m3，其中有效庫容1184萬m3，死庫容63萬m3，大壩按50年一遇洪水標準設計、1000年一遇洪水標準校核，為Ⅲ等中型工程。水庫是以城鎮(zhèn)供水為主，結合農業(yè)灌溉、防洪、旅游開發(fā)等綜合利用的中型水庫，城鎮(zhèn)供水設計保證率95%，灌溉設計保證率75%。

關門巖水庫工程主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，主要由墊層區(qū)(2A區(qū))、過渡區(qū)(3A區(qū))、主堆石區(qū)(3B區(qū))、次堆石區(qū)(3C區(qū))組成，總填筑量169萬m3。大壩壩體填筑的材料均從料場開采，料場巖性為白云質灰?guī)r及泥質白云巖，巖體呈強至弱風化狀，抗壓強度13～138MPa，軟化系數0.61～0.836，屬軟硬互層特性，整體強度偏低。碾壓試驗表明，可以滿足大壩填筑穩(wěn)定性的要求。

2 大壩填筑料的特點

2.1 軟巖料的特點分析

a.級配試驗。軟巖料干濕循環(huán)試驗結果表明：由于軟巖料抗壓強度低、軟化系數小，受氣候、環(huán)境(干濕、碾壓)變化影響，巖塊易發(fā)生崩解，細粒(小于5mm)含量增加，而且干濕循環(huán)與碾壓次數越多，巖塊崩解越劇烈，細粒含量增加越多。因而本工程對軟巖級配不做要求，以碾壓層面上不出現泥化板結、彈簧土，載重車經過后車輪不沉陷為限制條件。

b.壓實性試驗。當軟巖料細粒(小于5mm)含量較多、含水量(或稱加水率)較低時，顆粒表面水膜薄，摩阻力大，不易壓實；當含水量達到一定范圍時，顆粒表面水膜增厚，摩阻力減小，易于壓實。同時，軟巖料平鋪在硬巖料之上，軟巖料在振動碾壓過程中顆粒破碎強烈，壓實后可達到較高的密度且相應孔隙率減小。

c.滲透性試驗。當軟巖料的級配和密度相同時，其水平向滲透系數比垂直向滲透系數大。其原因為：?壓實層上部的顆粒破碎強烈，細顆粒含量增多，粗顆粒的孔隙被細粒(小于5mm)充填，故垂直滲透系數較低；?壓實過程中，填筑層上部和下部所受到的壓實功能不同，填筑層下部的壓實干密度低于上部，細顆粒含量(小于5mm)下部也比上部少，故壓實層水平滲透系數大于垂直滲透系數。

d.壓縮性試驗。軟巖料的孔隙比與土體壓力值曲線表現為比較光滑的曲線，沒有突變點，說明軟巖料在垂直壓力作用下是隨壓力增大而破碎的，在試驗垂直壓力范圍內(p≤3.2MPa)，不會發(fā)生突然沉降變形。

e.強度與變形特性。料場為白云質灰?guī)r與薄層泥質巖互層，兩種巖性風化差異較大。應嚴格按照大壩填筑指標控制并做好排水體系。

2.2 軟巖料利用的原則

a.壩體主堆石區(qū)作為支撐面板的主體，一般采用較好的硬巖堆石，軟巖一般用在壩體下游的次堆石區(qū)(3C區(qū))。

b.軟巖堆石料區(qū)的下游邊界線在大壩運行時，處于干燥區(qū)，以便壩體排水通暢，避免軟巖遇水產生濕化變形。

c.下游邊界線應保證壩體下游邊坡的穩(wěn)定，且在其外側留有不小于1m的新鮮硬巖填筑區(qū)，防止軟巖料的繼續(xù)風化。

d.軟巖堆石料區(qū)的上游邊界線應有不小于5～10m的新鮮硬巖填筑層覆蓋。

e.上游邊界線應通過分析計算，在確保壩體施工期、運行期的沉降量以及面板的應力在合理范圍內的前提下，盡可能往壩體上游側靠近，最大限度地利用軟巖材料填筑。

2.3 壩體填筑材料試驗控制指標

壩體填筑材料試驗控制指標見表1。

表1 壩體填筑料試驗指標

3 大壩壩體填筑

3.1 大壩填筑施工程序

3.1.1 填筑料開采

嚴格按爆破設計方案對料場進行爆破開采，在裝料過程中，對料場內的軟硬巖進行簡單的挑選。

3.1.2 大壩填筑施工程序

施工程序見圖1。

圖1 大壩填筑單元施工程序

3.1.3 鋪料順序及方法

壩前區(qū)填筑攤鋪順序為堆石料上升一層，過渡料和墊層料上升兩層；堆石料鋪好后，清除上游30cm以上的塊石，鋪填過渡料；過渡料鋪填好后，清除上游8cm以上的塊石，鋪填墊層料。擠壓邊墻的施工與過渡料的施工同時進行，待過渡料鋪填完成和擠壓邊墻施工完畢后進行墊層料的施工。壩前區(qū)填筑料攤鋪順序見圖2。

圖2 擠壓邊墻、墊層、過渡層、堆石區(qū)填筑順序注 ①～⑤為填筑區(qū)分類。

3.1.4 碾壓方法

a.碾壓設備：墊層料、過渡料、堆石區(qū)采用22t自行式振動碾，特殊墊層區(qū)采用蛙式打夯機。

b.碾壓方法：振動碾行走方向與壩基坑平行，行走速度1.5～2km/h，碾壓采用錯距法。

3.1.5 壩料填筑

a.堆石區(qū)填筑：按照一層過渡料(40cm)、一層墊層料(40cm)、一層主堆石料(80cm)，再一層過渡料(40cm)、一層墊層料(40cm)的次序，逐層上升，當填筑垂直高度達到5.8m時，上游坡面進行削坡。

b.塊石護坡及壩后加寬區(qū)填筑：每層鋪填厚度0.8m，第一層鋪填完畢后在上面鋪填一層細骨料作為第二層填筑的自卸車施工便道；壩后加寬區(qū)填筑采用一臺1.6m3的反鏟機施工，主要是在護坡處挑選比較平整的大塊石，塊石大面朝外，坡面誤差±10cm；各層的護坡塊石與壩后加寬填筑同層的堆石料采用交替填筑的方法。

c.擠壓邊墻混凝土施工：施工流程為：作業(yè)層面平整→測量放樣→邊墻混凝土施工→墊層料攤鋪→墊層料碾壓→回填檢查合格后進入下一層施工。

d.墊層料填筑：墊層料由砂石骨料加工系統(tǒng)生產，鋪料時先把過渡料上游坡面大于40cm的填料清除到下游面，并在上游方向超鋪30～40cm，并設擋渣板，墊層料與同層的過渡料一起碾壓。

e.過渡料填筑：過渡料主要從料場爆破開采，鋪料時先把堆石料區(qū)滾落到過渡區(qū)邊緣的大于30cm的塊石清除。

3.2 填筑質量

3.2.1 現場碾壓檢測成果匯總

成果匯總見表2，從表2可以看出，大壩填筑質量滿足設計要求。

3.2.2 壩體沉降變形監(jiān)測

a. 549m高程水管式沉降儀各測點于2016年5月埋設，2017年6月22日取基準值，TA1～TA5各沉降測點至2019年3月最大累計絕對沉降量分別為25.1cm、28.6cm、49.8cm、31.5cm、24.3cm；各測點近9個月的月沉降量值均小于2mm。各測點在大壩堆石體施工期累計沉降率分別是TA1為0.87%，TA2為1.00%，TA3為1.77%，TA4為1.13%，TA5為0.89%(見圖3)。

表2 壩體填筑現場試驗成果(平均值)

圖3 549m高程水管式沉降儀各測點沉降變化曲線

b. 571m高程水管式沉降儀各測點于2017年1月埋設，2017年6月21日取基準值，TA6～TA8各沉降測點至2019年3月最大累計絕對沉降量分別為54.5cm、48.6cm、67.3cm；各測點近9個月的月沉降量值均小于2mm。各測點在大壩堆石體施工期累計沉降率分別是TA6為1.09%，TA7為0.98%，TA8為1.36%。月沉降量值均小于2mm。壩體整體的沉降已趨于穩(wěn)定(見圖4)。

圖4 571m高程水管式沉降儀各測點沉降變化曲線

3.2.3 壩體內部水平位移監(jiān)測

a.土體位移計測點ID1～ID5于2016年5月埋設，及時取得測值，前期各測點觀測值為相對于ID5測點(壩橫樁號0+132.728，壩縱樁號0+068.20)的位移量，2017年6月后為各測點相對于基點的位移量。

b.土體位移計測點ID6～ID8于2017年1月埋設，及時取得測值，前期各測點觀測值為相對于ID7測點(壩橫樁號0+132.728，壩縱樁號0+028.20)的位移量，2017年6月后為各測點相對于基點的位移量。

c.截至2019年4月，測得的土體位移計各測點(ID1～ID8)累計位移分別為-343.54mm、-331.20mm、-202.60mm、-98.55mm、-3.38mm、-194.29mm、-155.78mm、11.74mm。從土體位移計觀測成果表可以看出，近期水平位移變化逐漸趨于穩(wěn)定，變化曲線平穩(wěn)(見圖5、圖6)。

圖5 549m高程土體位移計各測點位移變化曲線

圖6 571m高程土體位移計各測點位移變化曲線

d.壩基滲透壓力監(jiān)測和繞壩滲流監(jiān)測。埋設于壩前帷幕前后的滲壓計(P1～P5)，受水庫地下水位及基坑積水的影響；埋設在河床的滲壓計(P6～P10)測值穩(wěn)定，近期無滲水壓力，說明河床部位透水性良好；埋設在554.80m高程的滲壓計(P11、P12、P13)與埋設在570.00m高程的滲壓計(P14、P15、P16)測值穩(wěn)定，基本無滲水顯現。

e.應力應變監(jiān)測。已埋設的混凝土面板右L2、右L6、左L4的二向、三向應變計及無應力計共計7組，目前變化量符合面板混凝土應力應變變化規(guī)律。

4 結 語

關門巖水庫大壩填筑實踐證明：采取就地取材的原則，利用附近的軟硬巖材料填筑大壩壩體，主要是做好壩體填筑材料的分區(qū)及各分區(qū)填筑標準的研究，并在施工中嚴格按照設計標準實施。既節(jié)省了工程投資，縮短了施工時間，提高了水庫效益，也保證了水庫建設的質量，為類似大壩的建設積累了經驗，值得推廣應用。