金峰水庫大壩軟巖填筑料設(shè)計(jì)研究

廖大勇,許 剛,胡光鵬,彭明亮

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072;2.四川省武都水利水電集團(tuán)有限責(zé)任公司，綿陽 621000)

1 概況

武都引水工程是四川省的一項(xiàng)大型水利項(xiàng)目，工程以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪、通航、工業(yè)和城鄉(xiāng)供水。武都引水工程共分二期建設(shè)，其中第一期工程包括取水樞紐、總干渠和涪梓灌區(qū)渠系及沉抗囤蓄水庫等，灌溉農(nóng)田126.98萬畝，已于2002年建成；武都引水第二期工程包括武都水庫工程和二期灌區(qū)工程，武都水庫于2011年建成，武都引水第二期灌區(qū)工程是國家十三五期間172項(xiàng)重點(diǎn)水利項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)灌面積105.32萬畝，目前已基本建成。

金峰水庫是二期灌區(qū)工程中的一座囤蓄水庫，總庫容0.98億m3。大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，壩高89m，壩體分區(qū)依次為：上游石渣料區(qū)、上游砂礫石料過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游砂礫石料過渡料、砂礫石豎向排水帶、下游石渣料區(qū)及水平排水帶等。

金峰水庫大壩屬于全國在建工程中最高的全斷面采用軟巖石渣料填筑的瀝青混凝土心墻壩，壩殼料采用砂巖及砂泥巖混合石渣料，軟化系數(shù)低，濕化變形顯著，如其變形過大，可能造成防滲體系變形過大，使得防滲體產(chǎn)生裂縫，從而影響其防滲性能及工程的安全運(yùn)行。大壩設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注軟巖壩殼料對瀝青心墻的變形約束以及壩體沉降對心墻帶來的不利影響，設(shè)計(jì)主要從以下幾方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究及論證優(yōu)化工作。

2 壩殼料設(shè)計(jì)選用及優(yōu)化

2.1 壩殼料特性

金峰水庫壩殼料選用了位于水庫左岸距離大壩約1km的炮臺咀料場，料場的組成為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組(K1j)的砂巖與粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖，料場規(guī)劃開采范圍內(nèi)砂巖與粉砂質(zhì)泥巖比例約為4∶1。

根據(jù)鉆孔巖心取樣試驗(yàn)，新鮮砂巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為13.6～15.5MPa、軟化系數(shù)0.45～0.56，屬軟巖～較軟巖；強(qiáng)風(fēng)化帶中下部及弱風(fēng)化砂巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為11.6～15.3MPa、軟化系數(shù)0.44～0.53，基本屬軟巖；粉砂質(zhì)泥巖濕抗壓強(qiáng)度平均值為3.7MPa，屬極軟巖。

根據(jù)料場的分布情況，壩殼料初步設(shè)計(jì)按兩種方案擬定：①純砂巖石渣壩殼料；②砂巖、粉砂質(zhì)泥巖混合石渣壩殼料。根據(jù)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖石渣料母巖性質(zhì)，純砂巖石渣料及砂巖與粉砂質(zhì)泥巖混合石渣料的級配控制最大粒徑為400～600mm，小于5mm粒徑含量控制在10%～30%，筑壩料設(shè)計(jì)參數(shù)建議值詳見表1[2]。

表1 筑壩料設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

根據(jù)試驗(yàn)成果，粉砂質(zhì)泥巖的塊體密度大于砂巖的塊體密度，因而砂巖與粉砂質(zhì)泥巖混合石渣料的壓實(shí)干密度大于純砂巖石渣料的壓實(shí)干密度；純砂巖石渣料具有中～低壓縮性和較高的抗剪強(qiáng)度；砂巖與粉砂質(zhì)泥巖混合石渣料為中等壓縮性，隨粉砂質(zhì)泥巖含量的增加抗剪強(qiáng)度有所降低。

2.2 筑壩料選取

由于泥巖料屬于極軟巖，極易風(fēng)化及濕化變形崩解，泥巖石渣的抗剪指標(biāo)低于砂巖石渣料，壓縮變形也明顯高于砂巖石渣料，后期濕化變形影響也較大。本工程在實(shí)施階段開展了現(xiàn)場碾壓取樣試驗(yàn)檢測抗剪指標(biāo)、壩殼料的濕化及流變試驗(yàn)研究、壩坡穩(wěn)定計(jì)算對比分析以及壩體有限元計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算可知：壩體最大沉降為102.81cm，見表2。最大沉降位置在壩高的1/3～1/2部位，根據(jù)料場泥巖分布及開采規(guī)劃，若利用砂泥巖混合料上壩，粉砂質(zhì)泥巖上壩部位接近壩體最大沉降部位，對壩體沉降變形顯然是不利的。

表2 河床壩段瀝青混凝土心墻壩壩體應(yīng)力應(yīng)變特征值[3]

金峰水庫大壩壩殼料填筑量約300萬m3，根據(jù)料場揭示以及實(shí)際開采情況，獲得大壩填筑工程量僅需開挖粉砂質(zhì)泥巖約30萬m3。金峰水庫若全部利用砂巖上壩，將開挖的粉砂質(zhì)泥巖堆放在壩體上游壩坡死水位以下部位，將有效減少壩體后期沉降及濕化變形影響，同時增加上游壩坡穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)在金峰水庫實(shí)施階段通過設(shè)計(jì)變更，將大壩填筑料全部調(diào)整為砂巖石渣料，進(jìn)一步提高了金峰水庫安全可靠性。

2.3 砂礫石增模區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)及本工程試驗(yàn)結(jié)果，瀝青混凝土的模量K=300～400，壩殼石渣料的模量數(shù)K=360～400，過渡區(qū)和排水帶采用的砂礫石K=1000～1100。瀝青混凝土與壩殼石渣料模量接近，壩殼石渣料對瀝青混凝土心墻順河向的支撐與約束較差。

根據(jù)大壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，在大壩下游未設(shè)置砂礫石增模區(qū)的情況下，僅底部水平排水帶處設(shè)置砂礫石區(qū)，瀝青混凝土心墻最大撓跨比發(fā)生在下游砂礫石排水帶頂高程以上部位，該部位為水平位移單位增量長度最大位置，撓跨比最大值達(dá)到2.42%，對瀝青混凝土有較高的柔性要求。同時變形增量最大部位接近瀝青混凝土心墻與混凝土底板連接部位，可能造成心墻底部發(fā)生錯動及止水破壞，影響大壩防滲安全。

為此，設(shè)計(jì)在基本不改變浸潤線高度的前提下，將水平排水帶前部的位置加寬抬高，利用變形模量較大的砂礫石代替模量較小的壩殼石渣料，形成砂礫石增模區(qū)，可以較好地改善心墻底部的應(yīng)力條件，增強(qiáng)心墻順河向的變形約束。增模區(qū)具體布置為：在豎向水平帶下部增設(shè)30m長20m高范圍的梯形砂礫石排水帶，頂部高程為410.00m，頂部寬度3m，以坡比1∶2.0向下游放坡。增設(shè)增模區(qū)后，瀝青混凝土心墻最大撓跨比約1.5%，心墻受力變形有了明顯改善[1]。

3 設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

3.1 壩殼料設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司在長期的對四川紅層地區(qū)軟巖筑壩料的試驗(yàn)過程中，進(jìn)行了反復(fù)論證研究，提出了以壓實(shí)度控制大壩填筑料而不是單一采用孔隙率控制碾壓質(zhì)量的理念。

金峰水庫在2014年開始大壩碾壓填筑，根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：土質(zhì)防滲體分區(qū)壩和瀝青混凝土心墻壩的堆石料，孔隙率宜為20%～28%。本工程壩體填筑石渣料為軟巖，料場天然巖石孔隙率較高，約為18%～22%，碾壓后巖石破碎率較高，特別是大于5mm含量顯著增加，為獲得滿足規(guī)范要求的孔隙率，設(shè)計(jì)按以下方法進(jìn)行了孔隙率折算：因5mm以上的巖塊較大程度上保留了巖塊的本身密度，將5mm以上的粒徑按照重量除以塊體密度、5mm以下的粒徑按照重量除以顆粒密度，并按各自權(quán)重計(jì)算后得到孔隙率，孔隙率在20%附近，符合規(guī)范要求。

壩殼料孔隙率計(jì)算較為繁瑣，需按粒徑分布進(jìn)行加權(quán)計(jì)算獲得，實(shí)際碾壓過程中較難操作。由于石渣料有類似于土的性質(zhì)，我院采用了室內(nèi)表面振動器法獲得石渣料對應(yīng)級配的最大干密度，乘以設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度，以此作為現(xiàn)場碾壓控制干密度，操作簡便，且符合工程實(shí)際[4- 5]。

金峰水庫大壩為高壩，水庫庫容接近1億m3，大壩提高一級按照2級建筑物設(shè)計(jì)，壩殼料填筑壓實(shí)度按照0.98控制。

3.2 壩殼料碾壓施工參數(shù)選取

金峰水庫大壩壩殼料為軟巖料，碾壓后易破碎，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)雺簩雍褚话阈∮谟矌r料，碾壓遍數(shù)多于硬巖料。因此，碾壓試驗(yàn)時，碾壓層厚從100cm開始逐級向下進(jìn)行80cm、60cm試驗(yàn)，碾壓遍數(shù)從8遍開始逐級增加，依次進(jìn)行12遍、14遍，16遍等多組試驗(yàn)。

通過試驗(yàn)組合發(fā)現(xiàn)，碾壓層厚在100cm和80cm情況下，均不能獲得設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度和干密度，采用碾壓層厚60cm碾壓時，隨著碾壓遍數(shù)數(shù)量增加，干密度逐步提升，在12遍和14遍附近可以獲得設(shè)計(jì)需要的控制干密度，同時隨著碾壓遍數(shù)增加，巖石破碎率越大，大于5mm的含量可達(dá)40%以上，碾壓層表層形成了明顯的板結(jié)層，滲透系數(shù)可達(dá)10-5cm/s，而抗剪指標(biāo)有所減少。針對此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)對本工程需要獲得盡可能高的抗剪指標(biāo)還是壓實(shí)程度進(jìn)行了分析研究。

根據(jù)各種碾壓遍數(shù)下的抗剪指標(biāo)分析，在遍數(shù)達(dá)到一定程度(大于12遍)后，抗剪指標(biāo)均能滿足壩坡穩(wěn)定計(jì)算要求。金峰水庫作為軟巖筑壩，最關(guān)心的是壩體的變形過大，從而對瀝青混凝土心墻帶來不利影響，因此應(yīng)盡可能獲得較高的壓實(shí)度。根據(jù)碾壓試驗(yàn)，碾壓遍數(shù)達(dá)到16遍后，由于表層細(xì)粒料過多，出現(xiàn)了部分沉降回彈的現(xiàn)象。

因此，金峰水庫的碾壓參數(shù)確定為：

(1)碾壓施工參數(shù)：碾壓機(jī)具為22t自行式振動平碾，鋪料厚度60cm，碾壓遍數(shù)為靜碾2遍+振碾14遍。

(2)填筑料級配及填筑要求：上壩料小于5mm含量不宜超過30%，最大粒徑不超過碾壓層厚，中間級配應(yīng)連續(xù)；避免粗、細(xì)石渣料集中攤鋪，不能形成架空或集中突起。

3.3 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

大壩壩殼石渣料碾壓質(zhì)量采取設(shè)計(jì)指標(biāo)和施工參數(shù)雙控制。

碾壓控制合格標(biāo)準(zhǔn)：碾壓機(jī)具為22t自行式振動平碾，鋪料厚度60cm，碾壓遍數(shù)為靜碾2遍+振碾14遍；上壩碾壓后壓實(shí)干密度應(yīng)不小于1.90t/m3，且壓實(shí)度不低于0.98。

質(zhì)量檢測：對現(xiàn)場碾壓結(jié)果應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行抽檢，并滿足相關(guān)規(guī)范要求，碾壓干密度檢查合格率為100%。

施工時應(yīng)嚴(yán)格控制和保障施工碾壓參數(shù)，并對鋪料厚度及碾壓遍數(shù)做詳細(xì)記錄。過程記錄作為質(zhì)量是否合格的評判依據(jù)，絕不允許任意調(diào)整施工參數(shù)。

3.4 壩殼料含水率控制

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論，壩殼料獲得最大干密度對應(yīng)的含水率為11%±2%，而現(xiàn)場碾壓石渣料采用的天然含水率，其范圍一般在6%～9%。根據(jù)南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行的壩殼料流變和濕化變形試驗(yàn)，其結(jié)論為“現(xiàn)場碾壓時適當(dāng)提高含水量可減少蓄水后的濕化變形”。

加水對控制碾壓密實(shí)度及減少后期濕化變形是有利的，但加水控制要求較高，需要制定嚴(yán)密的加水措施，并進(jìn)行及時的檢測，避免加水集中和過量的問題，否則加水會帶來較大施工質(zhì)量隱患，并影響施工進(jìn)度。根據(jù)對天然含水率填筑料進(jìn)行的現(xiàn)場檢測，現(xiàn)場碾壓干密度均達(dá)到了設(shè)計(jì)干密度。因此，設(shè)計(jì)認(rèn)為通過確定的施工參數(shù)及檢測指標(biāo)作為碾壓質(zhì)量的控制要素，是能夠保證壩殼料填筑質(zhì)量的。

4 結(jié)論

金峰水庫全斷面采用軟巖石渣料筑壩，設(shè)計(jì)首先查明料場分布情況，通過室內(nèi)試驗(yàn)取得各種組合下筑壩料的物理力學(xué)參數(shù)，再進(jìn)行大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算及有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，分析利用軟巖料進(jìn)行瀝青混凝土心墻設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，以及存在的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)，并通過計(jì)算分析對大壩分區(qū)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

土石壩設(shè)計(jì)指標(biāo)及施工質(zhì)量控制是土石壩成功的關(guān)鍵，金峰水庫采用施工參數(shù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)雙控制的要求。通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)確定了合適的施工參數(shù)，再通過室內(nèi)試驗(yàn)取得各巖層最大干密度，按照壓實(shí)度指標(biāo)確定碾壓干密度，能夠有效控制碾壓填筑質(zhì)量。

金峰水庫大壩于2020年6月填筑至壩頂，目前已蓄水高80m，大壩瀝青混凝土心墻及壩殼料監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常，壩體最大沉降量僅66cm，較計(jì)算值偏小，證明了設(shè)計(jì)選用的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)是合適的。金峰水庫大壩的設(shè)計(jì)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)可為軟巖填筑的瀝青混凝土心墻壩提供設(shè)計(jì)參考和依據(jù)。