株樹橋面板堆石壩建設(shè)中幾個(gè)問題的探討

余子丹

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

株樹橋面板堆石壩采用軟弱巖石筑壩，將當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚膬?yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致；采用貼坡面板，試圖構(gòu)建完整的面板防滲體系，這些設(shè)計(jì)思想都具有原創(chuàng)性。但限于面板堆石壩發(fā)展初期認(rèn)識(shí)的不徹底性，瑕疵在所難免。本文擬對(duì)該壩的壩體、壩肩變形和墊層作用問題，采用工程施工數(shù)據(jù)，對(duì)照《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL228-98）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）進(jìn)行分析討論，試圖找出成因并提出規(guī)避措施，以期有所啟示與借鑒。

1 軟巖筑壩變形問題

株樹橋面板壩壩體變形較大，最大沉降達(dá)到1449mm，為最大壩高的1.86%，超出一般范圍。過大的變形不僅對(duì)混凝土面板、下游壩坡和壩頂L墻穩(wěn)定影響明顯，同時(shí)導(dǎo)致兩岸周邊縫變形，造成止水破壞，引發(fā)大壩滲漏。

1.1 軟巖筑壩過大變形機(jī)理

限于工程建設(shè)條件，株樹橋面板堆石壩就地取材，采用軟弱巖石板巖作為次堆石區(qū)填筑料。這類板巖的飽和抗壓強(qiáng)度為（25～10）MPa，其中強(qiáng)風(fēng)化板巖的抗壓強(qiáng)度為10MPa。在（0.4～0.8）MPa壓力下，微分化板巖干密度為（1.76～1.78）g/cm3時(shí)相應(yīng)的壓縮模量為23MPa上下（表1）。

表1 株樹橋工程巖石壓縮實(shí)驗(yàn)成果表

表2列出了幾種軟巖抗剪強(qiáng)度中線性指標(biāo)φ（°）的比較結(jié)果。同是采用軟巖作為次堆石壩料，株樹橋采用軟巖的φ值最低。

表2 同類工程軟巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較表

從物理力學(xué)指標(biāo)可以看出，株樹橋面板壩次堆石區(qū)軟巖的巖性較差。對(duì)照《規(guī)范》中軟巖作為筑壩材料規(guī)定的飽和單軸抗壓強(qiáng)度30MPa的界限和較低的壓縮性的要求存在差距，這種差距是大壩產(chǎn)生過大變形的重要機(jī)理。斷面中強(qiáng)風(fēng)化板巖料填筑高度從（125～162.5）m達(dá)37.5m，是大壩沉降量異常的主要原因。然而正是株樹橋的筑壩實(shí)踐，為《規(guī)范》將軟巖作為一種筑壩材料作出的規(guī)定提供了現(xiàn)實(shí)的依據(jù)。

1.2 軟巖筑壩變形控制措施

表1列出的板巖部分壓縮實(shí)驗(yàn)成果還表明：不同類型的巖石，盡管干密度相近，但壓縮模量不同，甚至差別較大。《株樹橋水電站面板堆石壩石料補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)綜合報(bào)告》指出：“壓縮變形的大小與巖石的剛度有關(guān)，板巖剛度小于灰?guī)r，故壓縮變形比灰?guī)r大”。這里的“剛度”應(yīng)是指抗壓強(qiáng)度。這些實(shí)驗(yàn)客觀地反映了壓縮模量與巖性相關(guān)的本質(zhì)。

值得注意的是，株樹橋大壩填筑過程中，控制填筑質(zhì)量的主要指標(biāo)是干密度。施工中對(duì)強(qiáng)風(fēng)化板巖填筑區(qū)的23個(gè)抽樣中，最大干密度為2.22t/m3，最小為2.02t/m3，平均為2.13t/m3均超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，而對(duì)壓縮模量沒有提出要求，有控制措施上的缺失。

筆者認(rèn)為針對(duì)株樹橋的情況，施工中對(duì)板巖干密度進(jìn)行控制的同時(shí)，要對(duì)其風(fēng)化程度即單軸抗壓強(qiáng)度提出更高的要求；而對(duì)強(qiáng)風(fēng)化板巖提出飽和抗壓強(qiáng)度的下限指標(biāo)是控制大壩變形的有效措施。

2 壩肩變形問題

2.1 壩肩產(chǎn)生變形的機(jī)理

株樹橋面板堆石壩右岸壩段中的L12（樁號(hào)0+ 135～0+144）為填筑料上的面板，L13（樁號(hào)0+144～153）為貼坡面板。從開挖圖上查到，在高程117.0m處，0+130的填筑料厚度為 7.5m，0+140為 3.8m，0+ 150為0，填筑厚度呈直線變化。據(jù)此推算，L12面板下的填筑厚度在（5.6～2.2）m之間。在面板0+135～0+ 150區(qū)間趾板頂高程在（109.5～117.0）m之間，表明越靠近趾板，面板下的填筑厚度越小。由此可知，L12面板被敷設(shè)在一個(gè)左大右小，上大下小梯形鍥狀的填筑料上。相似的情況也出現(xiàn)在左岸貼坡面板L0與填筑面板L1之間。盡管面板L1的敷設(shè)條件好于右岸，從（96.0～148.0）m高程填筑料厚度均為4.2m，但卻成了大壩面板滲漏破壞的首要部位。

究其原因是株樹橋面板堆石壩在筑壩中對(duì)于壩肩穩(wěn)定的處理存在不足：一是對(duì)貼坡面板運(yùn)用的認(rèn)識(shí)不足。面板L1實(shí)際敷設(shè)在下部為光面巖石的“夾心餅干”上。有資料表明：“堆石與光滑巖面的抗剪強(qiáng)度小于堆石間的抗剪強(qiáng)度，堆石與巖板的內(nèi)磨擦角比堆石的小8度”。與河床部位填料上的面板比較，面板L1穩(wěn)定性更差。二是周邊縫特殊墊層區(qū)施工存在缺陷。首先在面板周邊縫處巖石基礎(chǔ)坡面到填筑料坡面的過渡區(qū)，存在填筑料厚度較小和突變現(xiàn)象，有發(fā)生不均勻沉降的誘因。其次異形填料區(qū)采用常規(guī)施工方法，填料密實(shí)度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，極易產(chǎn)生超過常規(guī)的變形。這可以從對(duì)L12、L13的原觀測(cè)數(shù)據(jù)上得到佐證。J2觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的變形量一直較大。在滲漏除險(xiǎn)工程初步完成不到兩年內(nèi)，面板L12底周邊縫處又出現(xiàn)面板變形、止水拉裂，滲漏量重新增大的情況，直到采取特殊填料加固措施后才趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)行混凝土面板堆石壩施工規(guī)范（DL/T5128-2001），對(duì)“周邊縫下特殊墊層區(qū)應(yīng)人工配合機(jī)械薄層攤鋪”，有每層填料攤鋪厚度不超過20cm、采用振動(dòng)平板、小型振動(dòng)碾、振動(dòng)沖擊夯等機(jī)械壓實(shí)的具體要求。限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)與條件，株樹橋工程未對(duì)此作特殊處理。同時(shí)受地形等條件限制，周邊縫處的填筑料壓實(shí)密度可能比其它部位的指標(biāo)還要低些。

2.2 減小變形的控制措施

綜上所述，要有效減少壩肩變形應(yīng)特別重視兩岸的地形地質(zhì)條件，當(dāng)條件不符合要求時(shí)，應(yīng)采取開挖、修補(bǔ)等工程措施，達(dá)到漸變的要求。同時(shí)在施工中采用合適的級(jí)配填筑料，采用特殊碾壓工具及方法，提高其壓實(shí)性是減少壩肩變形的有效途徑。

3 對(duì)墊層料作用的看法

對(duì)株樹橋面板堆石壩填筑的墊層料，學(xué)界存在不同的看法。有人認(rèn)為：大壩墊層料中小于5mm顆粒含量僅為25.1%，最大也只有29.4%，相應(yīng)滲透系數(shù)均值為6.18×10-2cm/s，達(dá)不到半透水性（10-3～10-4）cm/s的要求，因此墊層不能起到第二道防線作用。另有意見認(rèn)為：大壩墊層料的Cu>40，Cc=1～3，是級(jí)配良好的材料。粗細(xì)粒組符合層間系數(shù)要求滿足內(nèi)部滲透穩(wěn)定條件，屬于非管涌土。但在較高水壓力作用下，仍然可能發(fā)生滲透破壞細(xì)料流失。一旦止水系統(tǒng)失效，半透水墊層亦不能起到第二道防滲幕的作用。兩種觀點(diǎn)因?yàn)閷?duì)墊層的作用和要求不同，所以對(duì)所用墊層優(yōu)劣的評(píng)價(jià)自然也不相同。但兩者都提到了墊層是否應(yīng)該成為“第二道防線”的問題。

《規(guī)范》對(duì)此作了如下規(guī)定：“墊層區(qū)”是面板的直接支承體，向堆石體均勻傳遞壓力，并起輔助滲流控制作用?！皦|層壓實(shí)后應(yīng)具有內(nèi)部滲透穩(wěn)定性、低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度，并應(yīng)具有良好的施工特性”。與原導(dǎo)則（DL5016-93）相比，關(guān)于墊層區(qū)的要求的一個(gè)明顯變化，就是取消了滲透系數(shù)為（1×10-3～1×10-4）cm/s的要求。理由是“由于各工程對(duì)墊層料要求不同，可以采取透水或半透水墊層”。

規(guī)范規(guī)定墊層區(qū)具有“輔助滲流控制作用”的功能是有前提條件的。當(dāng)面板混凝土開裂或周邊縫止水破壞，滲流水頭不高，滲量較小，滲漏時(shí)間不長時(shí)，墊層區(qū)應(yīng)該發(fā)揮“輔助滲流控制作用”。而在較高水頭作用下，墊層區(qū)的滲透破壞則是不可避免的。規(guī)范更加強(qiáng)調(diào)墊層區(qū)對(duì)面板的支撐作用。所以對(duì)墊層料最重要的要求是應(yīng)具有高壓縮模量即低壓縮性，用以直接支承面板減少變形。壩越高，對(duì)墊層料壓縮模量的要求越高。因此，墊層料應(yīng)采用堅(jiān)硬碎石砂料，不含粉砂，少含極細(xì)砂。通過增加墊層料中5mm以下細(xì)粒，降低墊層滲透系數(shù)的做法，將導(dǎo)致降低墊層的壓縮模量指標(biāo)和削弱其穩(wěn)定性，因而是有害無益的。

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