砂巖、泥巖在貴州省興仁市響水水庫(kù)工程大壩上應(yīng)用

張關(guān)會(huì)

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550002）

1 工程概況

貴州省興仁縣響水水庫(kù)大壩工程位于興仁縣潘家莊鎮(zhèn)夏溪村夏溪河上游河段。工程任務(wù)是煙地灌溉和農(nóng)村人畜飲水，水庫(kù)總庫(kù)容129.7萬m3，水庫(kù)年可供水量136.3萬m3。水庫(kù)規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等，主要由擋水建筑物，泄洪建筑物、取水兼導(dǎo)流建筑物等組成。

初步設(shè)計(jì)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件，選定擋水建筑物為面板堆石壩，壩頂高程1566.2 m，最大壩高45.7 m，壩頂長(zhǎng)度124.27 m。

泄洪建筑物為右岸岸邊開敞式溢洪道，溢流凈寬10 m，堰頂高程。溢洪道由進(jìn)口段、控制段、泄槽段、消力池段組成，軸線總長(zhǎng)169.1 m。

取水兼導(dǎo)流放空隧洞布置在左岸，取水口通過導(dǎo)流洞改造而成，導(dǎo)流兼取水放空洞長(zhǎng)270.0 m，進(jìn)口設(shè)置攔污柵和檢修閘門，出口設(shè)置放空、生態(tài)放空閘閥。

2 填筑料的選擇

響水水庫(kù)大壩為面板堆石壩，最大壩高45.2 m，壩頂長(zhǎng)124.047 m，壩頂凈寬6.5 m，壩體總填筑量約25萬m3，壩址區(qū)5 km范圍內(nèi)出露地層巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）灰綠、紫紅色泥巖、細(xì)砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖及少量凝灰質(zhì)砂巖，泥巖、細(xì)砂巖為互層結(jié)構(gòu)，通過鉆孔取芯試驗(yàn)，區(qū)域內(nèi)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度在15.24 MPa～22.16 MPa之間，屬軟巖；砂巖樣飽和抗壓強(qiáng)度在39.85 MPa～46.87 MPa之間，屬中硬巖，泥巖砂巖石所在比例約為6∶4。

區(qū)域內(nèi)距壩址區(qū)最近的硬質(zhì)灰?guī)r主要分布在直線距離5 km以外的罩陰潭一帶，分布于工程區(qū)東南面，公路距離約9.5 km，出露地層為T1yn灰?guī)r，儲(chǔ)量豐富，可滿足本工程用量要求，通過鉆孔取芯試驗(yàn)，巖體飽和抗壓強(qiáng)度30 MPa～60 MPa，為中硬巖，容重為26.98 kN/m3～27.08 kN/m3。公路距離約9.5 km，工程造價(jià)高。

初步設(shè)計(jì)階段為選定壩體填筑材料，對(duì)罩陰潭一帶T1yn灰?guī)r堆石填料和壩址的軟巖填料進(jìn)行造價(jià)分析，軟巖填筑單方價(jià)格為48.62元/m3，硬巖填筑單方價(jià)格為70.34元/m3，按照堆石料25萬m3計(jì)算，壩體填灰?guī)r填筑料要比軟巖多543.0萬元，因此從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度選定壩體主要填筑料為壩址區(qū)的三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）泥巖、細(xì)砂巖，混凝土砂石骨料及工程所需的硬巖從工程區(qū)東南面罩陰潭取料。

3 壩體設(shè)計(jì)

根據(jù)所選料場(chǎng)的石料屬性，借鑒國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的重慶魚跳、江西大坳、云南茄子山等軟巖筑壩工程的成功經(jīng)驗(yàn)，響水水庫(kù)工程大壩上下游壩坡均為1∶1.6，壩體由上游鋪蓋區(qū)、特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、下游堆石區(qū)、大塊石護(hù)腳、下游坡面塊石護(hù)坡填筑組成，壩體分區(qū)見圖1。

圖1 壩體分區(qū)示意圖

3.1 特殊墊層料

特殊墊層料從罩陰潭料場(chǎng)開采，巖體飽和抗壓強(qiáng)度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求，設(shè)計(jì)干密度2.2 g/cm3，空隙率小于16%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數(shù)10-4cm/s～10-3cm/s。

3.2 墊層料

特殊墊層料從罩陰潭料場(chǎng)開采，巖體飽和抗壓強(qiáng)度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求，設(shè)計(jì)干密度2.1 g/cm3～2.15 g/cm3，空隙率小于20%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數(shù)10-4g/cm3～10-3cm/s。

3.3 過渡料

特殊墊層料從罩陰潭料場(chǎng)開采，巖體飽和抗壓強(qiáng)度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求，設(shè)計(jì)干密度2.1 g/cm3～2.15 g/cm3，空隙率小于22%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數(shù)10-2cm/s。

3.4 排水區(qū)

排水區(qū)堆石料從罩陰潭料場(chǎng)開采后直接上壩碾壓，設(shè)計(jì)干密度2.2 g/cm3，空隙率小于22%，小于0.075 mm顆粒組含量小于8%，滲透系數(shù)10-2cm/s。

3.5 下游堆石料

下游堆石料采用弱風(fēng)化砂巖、泥巖，巖體飽和抗壓強(qiáng)度22 MPa～60 MPa，設(shè)計(jì)干密度2.0 g/cm3～2.10 g/cm3，空隙率小于23%，小于0.075 mm顆粒組含量小于8%，滲透系數(shù)10-2cm/s。

4 碾壓施工

4.1 碾壓實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步復(fù)核堆石料設(shè)計(jì)級(jí)配及填筑標(biāo)準(zhǔn)的控制指標(biāo)和確定碾壓控制參數(shù)，在填筑之前根據(jù)大壩的填料分區(qū)和填料特性，分為兩個(gè)階段開展碾壓實(shí)驗(yàn)，第一階段在壩上開展硬巖填筑的特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)，第二階段在軟巖料場(chǎng)完成砂泥巖填筑的下游堆石區(qū)實(shí)驗(yàn)。

（1）特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)

特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)碾壓實(shí)驗(yàn)在壩上開展，碾壓設(shè)備為20 t振動(dòng)碾壓機(jī)，從碾壓試驗(yàn)成果來看，碾壓實(shí)驗(yàn)基本能滿足，也符合硬巖堆石壩的常規(guī)，通過碾壓實(shí)驗(yàn)對(duì)碾壓參數(shù)進(jìn)行修正，最終控制指標(biāo)見表1。

表1 特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)壩體填筑參數(shù)

（2）下游堆石區(qū)碾壓試驗(yàn)

下游堆石區(qū)碾壓試驗(yàn)在軟巖料場(chǎng)堆料場(chǎng)進(jìn)行，場(chǎng)地寬18.0 m，長(zhǎng)23.0 m。通過對(duì)巖石比重測(cè)試填筑料比重的加權(quán)平均值為2.66 g/cm3。碾壓設(shè)備為20 t振動(dòng)碾壓機(jī)，鋪料厚度按照90 cm控制，靜碾2遍、動(dòng)碾2、動(dòng)碾4、動(dòng)碾6、動(dòng)碾8、動(dòng)碾10、動(dòng)碾12、動(dòng)碾14的碾壓順序挖坑檢測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程中，分別對(duì)靜碾2遍+動(dòng)碾6、8、10、12遍時(shí)的試坑進(jìn)行篩分試驗(yàn)，小于5 mm的粒粒含量為2.79%～7.74%之間，小于0.075 mm的顆粒含量為0.12%～0.42%之間，滿足規(guī)范要求，碾2遍+動(dòng)碾8遍時(shí)，干密度為2.05 g/cm3，對(duì)應(yīng)孔隙率為22.9%，靜碾2遍+動(dòng)碾10遍時(shí)，干密度為2.07 g/cm3，對(duì)應(yīng)孔隙率為22.3%，靜碾2遍+動(dòng)碾12遍時(shí)，干密度為2.08 g/cm3，對(duì)應(yīng)孔隙率為21.9%，堆石料干密度隨碾壓遍數(shù)增加而增大，從碾壓12遍至14的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，干密度和孔隙率增加量不大。從挖坑檢測(cè)的情況來，碾壓12遍后試坑內(nèi)壁穩(wěn)定、密實(shí)，無架空現(xiàn)象。

從沉降來看，靜碾2遍、動(dòng)碾2、動(dòng)碾4、動(dòng)碾6、動(dòng)碾8、動(dòng)碾10、動(dòng)碾12、動(dòng)碾14遍所對(duì)應(yīng)的沉降量為21 mm、39 mm、31 mm、19 mm、11 mm、5 mm、2 mm、2 mm，沉降隨碾壓遍數(shù)增加而減小，到碾壓12遍～14遍趨于穩(wěn)定。

從碾壓前后填筑料檢測(cè)資料顯示，碾壓前800 mm～600 mm的粒徑含量在0～7.05%之間，碾壓8遍后含量為0；碾壓前600 mm～400 mm的粒徑含量在8.15%～13.99%之間，碾壓8遍后粒徑含量在0～8.5%之間，碾壓10遍后含量為0～7.5%，碾壓12遍后含量為0；碾壓前400 mm～200 mm的粒徑含量在13.08%～18.24%之間，碾壓8遍后粒徑含量在13.2%～15.55%之間，碾壓10遍后含量為10.75%～16.23%，碾壓12遍后含量為9.59%～14.48%，碾壓14遍后含量為8.77%～10.84%；碾壓前200 mm～100 mm的粒徑含量在14.43%～19.76%之間，碾壓8遍后粒徑含量在25.42%～29.38%之間，碾壓10遍后含量為25.59%～30.71%，碾壓12遍后含量為17.45%～19.24%，碾壓14遍后含量為17.66%～19.84%；碾壓前小于100 mm的粒徑含量在51.46%～56.06%之間，碾壓8遍后粒徑含量在46.57%～61.39%之間，碾壓10遍后含量為53.05%～63.67%，碾壓12遍后含量為66.6%～71.17%，碾壓14遍后含量為71.39%～72.89%之間。

通過對(duì)碾壓前后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，隨著碾壓遍數(shù)的增加大粒徑填料所占比重減少，碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加，填石料顆粒的變化符合試驗(yàn)中堆石料在灑水和陽(yáng)光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現(xiàn)象。

碾壓前后小于5 mm的粒徑含量在3.07%～3.91%之間，小于0.075 mm的粒徑含量在0.09%～0.22%之間，碾壓12遍后小于5 mm的粒徑含量在5.12%～6.01%之間，小于0.075 mm的粒徑含量在0.17%～0.25%之間，碾壓前后小粒徑有所增加，但是變化不大，小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結(jié)和泥化現(xiàn)象是一致的。

從碾壓前后填筑料的級(jí)配分析，碾壓后大粒徑的壩料與設(shè)計(jì)相比減小，小粒徑的含量比設(shè)計(jì)含量小。

圖2 下游堆區(qū)料前后顆粒級(jí)配曲線對(duì)比圖

圖3 下游堆區(qū)料設(shè)計(jì)與碾壓后顆粒級(jí)配曲線對(duì)比圖

根據(jù)碾壓實(shí)驗(yàn)的成果，結(jié)合響水水庫(kù)的時(shí)間情況，最終下游堆石區(qū)的碾壓參數(shù)按照表2控制。

表2 下游堆石區(qū)的填筑參數(shù)

4.2 碾壓填筑

壩體填筑施工，裝料采用1.2 m3挖掘機(jī)裝料，采用20 t自卸車運(yùn)輸運(yùn)至工作面，采用SD160推土機(jī)鋪料，碾壓采用20 t振動(dòng)碾，振動(dòng)頻率為28 Hz，對(duì)于較狹窄部位和距離建筑物較近的部位，采用人工鋪料或機(jī)械配合人工鋪料、手扶式振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓夯實(shí)。

壩料填筑按照碾壓實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制，墊層料每次鋪料層厚45 cm，靜壓2遍+強(qiáng)震碾壓8遍；特殊墊層料每次鋪料層厚22 cm，靜壓2遍+強(qiáng)震碾壓6遍；過渡料每次鋪料層厚45 cm，靜壓2遍+強(qiáng)震碾壓8遍；排水區(qū)每次鋪料層厚90 cm，靜壓2遍+強(qiáng)震碾壓10遍；堆石體料每次鋪料層厚800 cm，靜壓2遍+強(qiáng)震碾壓10遍，碾壓平行于壩軸線方向進(jìn)行，碾壓行走速度為1.0 km/s～2.0 km/s，碾壓搭接寬度不小于0.3 m～0.5 m，在壩體與岸坡接觸部位及邊角區(qū)域，采用蛙式打夯機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，下游堆石區(qū)施工過程共檢測(cè)15個(gè)試坑，干密度為2.07 g/cm3～2.2 g/cm3，對(duì)應(yīng)孔隙率為21.8%～22.3%，檢測(cè)數(shù)據(jù)均滿足控制指標(biāo)的要求。

5 運(yùn)行情況分析

響水水庫(kù)工程大壩自2017年3月開始填筑，于2017年10月25日封頂，2018年11月12日完工，于2019年4月15日開始蓄水，于2019年9月13水滿溢洪，水庫(kù)蓄水后大壩運(yùn)行良好。從施工期至蓄水期觀測(cè)數(shù)據(jù)來看，內(nèi)部沉降變形正常，符合大壩變形規(guī)律。

大壩沉降主要發(fā)生在施工期，最大的沉降量為16 cm，最大沉降發(fā)生在1551.00 m高程壩橫0+069.000 m斷面，響水水庫(kù)大壩沉降規(guī)律性較好，內(nèi)部沉降過程特點(diǎn)和壩體填筑過程特點(diǎn)相符合，施工結(jié)束壩體沉降基本穩(wěn)定趨勢(shì)，壩體沉降量與壩體設(shè)計(jì)估算的沉降量小23.4 m。1531.00 m高程和1551.00 m高程的沉降實(shí)測(cè)過程線見圖4和圖5。

圖4 1531.00m高程沉降過程線圖

圖5 1551.00m高程沉降過程線圖

通過壩體實(shí)測(cè)水平位移數(shù)據(jù)分析，壩體1531.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-0.84 mm（SE1）、0.22 mm（SE2）、3.38 mm（SE3）、2.76 mm（SE4）；1551.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-2.64 mm（SE5）、0.84 mm（SE6）、3.52 mm（SE7），與面板澆筑完成后位移量相比較，測(cè)點(diǎn)位移量呈減小趨勢(shì)，目前壩體水平位移呈基本穩(wěn)定趨勢(shì)?？梢钥闯觯裨O(shè)在上游墊層料區(qū)測(cè)點(diǎn)SE1、SE5表現(xiàn)向上游方向位移，下游主堆石區(qū)測(cè)點(diǎn)SE2、SE3、SE4、SE6、SE7表現(xiàn)為向下游位移。壩體水平位于實(shí)測(cè)過程線見圖6和圖7。

圖6 1531.00m高程水平位移實(shí)測(cè)過程線圖

圖7 1531.00m高程水平位移實(shí)測(cè)過程線圖

從面板的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，實(shí)測(cè)最大脫空、剪切位移量分別為-1.88 mm（TKJ2-1）、-1.77 mm（TKJ2-2），脫空及剪切量均較小，面板測(cè)縫計(jì)的面板縫開度均較小，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大值2.1 mm，符合對(duì)是堆石壩變形規(guī)律。

圖8 水庫(kù)初期運(yùn)行照片

6 結(jié)論

（1）通過砂、泥巖筑壩在響水水庫(kù)大壩上實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)及運(yùn)行狀況分析，泥巖、砂巖互層的巖體結(jié)構(gòu)作為堆石料在碾壓12遍后能獲得大于2.07 g/cm3干密度和22.3%的空隙率，水庫(kù)蓄水正常運(yùn)行證明堆石料能滿足壩體承載和變形的要求。

（2）本工程泥巖飽和抗壓強(qiáng)度在22.16 MPa～15.24 MPa之間，屬軟巖；砂巖飽和抗壓強(qiáng)度39.85 MPa～46.87 MPa之間，屬中硬巖，泥巖砂巖石所在比例約為6∶4，能為軟、硬巖混合筑壩提供一定混合比例參考。

（3）通過對(duì)碾壓前后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，隨著碾壓遍數(shù)的增加大粒徑填料所占比重減少，碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加，填石料顆粒的變化符合試驗(yàn)中堆石料在灑水和陽(yáng)光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現(xiàn)象，碾壓前后小粒徑有所增加，但是變化不大，小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結(jié)和泥化現(xiàn)象是一致的。

（4）通過運(yùn)行期監(jiān)測(cè)資料分析，壩體沉降已呈基本穩(wěn)定趨勢(shì)，響水水庫(kù)大壩沉降規(guī)律性較好，最大沉降量為16.0 cm，約為壩高的0.35%。

（5）響水水庫(kù)蓄水運(yùn)行良好，說明泥巖、細(xì)砂作為主要的填筑壩料在響水水庫(kù)工程大壩上應(yīng)用是成功的，響水水庫(kù)采用壩料設(shè)計(jì)分區(qū)、料場(chǎng)特性、碾壓參數(shù)等參數(shù)能為類似的工程提供一定的技術(shù)參考。