高土石壩復(fù)雜材料筑壩技術(shù)新進(jìn)展

姚 虞，王富強，楊澤艷

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

0 引 言

當(dāng)前，我國正在大力開展抽水蓄能電站建設(shè)，抽水蓄能電站項目分布范圍廣，電站建設(shè)面臨的地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，為了滿足生態(tài)環(huán)境要求需要盡量減少棄渣，提高開挖料利用率，因此，絕大多數(shù)抽水蓄能電站采用土石壩壩型。利用軟巖、全強風(fēng)化料等復(fù)雜材料筑壩的問題變得突出，近年來，通過大量研究與工程實踐，高土石壩復(fù)雜材料筑壩技術(shù)取得了新進(jìn)展。

1 高土石壩復(fù)雜材料筑壩經(jīng)驗

土石壩作為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，其筑壩材料受工程場地地質(zhì)條件影響較大，有時難以避免采用強度和模量較低的筑壩材料。早在20世紀(jì)，國內(nèi)外高土石壩已開始應(yīng)用含軟巖料筑壩，也逐漸積累了相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗[1-2]。表1、2列舉了國外和國內(nèi)部分含軟巖料筑高土石壩的工程案例。由表1、2可知，國外、國內(nèi)都已將軟巖作為筑壩材料應(yīng)用到壩高超過150 m的高土石壩中，我國在壩高超過200 m的水布埡混凝土面板堆石壩中使用了軟巖。

表1 國外部分含軟巖高土石壩工程

表2 國內(nèi)部分含軟巖高土石壩工程

表3列出了典型含軟巖面板堆石壩的運行情況[3]。由表3可知，壩高不超過110 m的壩總體運行良好；但2010年以前建成的壩高超過150 m的含軟巖面板堆石壩基本上都出現(xiàn)了面板結(jié)構(gòu)性裂縫或垂直擠壓破損現(xiàn)象。隨著軟巖筑壩技術(shù)在不斷發(fā)展完善，100 m級高土石壩軟巖筑壩技術(shù)已基本成熟，150 m級高土石壩軟巖筑壩技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，2010年建成的壩高150 m的董箐混凝土面板堆石壩沒有出現(xiàn)面板結(jié)構(gòu)性裂縫和擠壓破損問題。

表3 典型含軟巖面板堆石壩運行狀況統(tǒng)計

通過大量研究和工程實踐，在軟巖筑壩料物理力學(xué)特性、壩體斷面和填筑料設(shè)計、軟巖料填筑施工等方面均取得了一定的經(jīng)驗和成果，形成了針對軟巖筑壩較為完整的技術(shù)體系。

對于軟巖筑壩料的物理力學(xué)特性要求，上壩軟巖料飽和抗壓強度宜大于15 MPa，不宜小于10 MPa。軟巖料經(jīng)壓實后，小于5 mm顆粒含量增加較大，多具有強～中等透水性，壓縮模量多在20～70 MPa之間。與硬巖料相比，軟巖料的抗剪強度較低，濕化特征更為明顯，流變特性還有待更多的經(jīng)驗積累。

對于壩體斷面和填筑料設(shè)計，軟巖堆石體的壩坡宜適當(dāng)放緩，并結(jié)合壩坡穩(wěn)定計算確定。軟巖料多置于壩軸線下游干燥區(qū)，或與中硬以上巖石混用，但范圍不能過大，與硬巖料的密實度差異也不能過大。利用軟巖料筑壩一般應(yīng)結(jié)合壩高、料源情況和特性進(jìn)行充分的試驗研究。當(dāng)壩高超過150 m時，軟巖料盡可能用于變形和應(yīng)力較小的部位；當(dāng)壩高超過200 m時，應(yīng)慎用軟巖料。筑壩材料含軟巖時，更應(yīng)重視壩體變形控制，做好壩體排水。含軟巖面板堆石壩的輪廓規(guī)劃和斷面分區(qū)除充分借鑒已有工程經(jīng)驗外，需在試驗的基礎(chǔ)上擬定參數(shù)。通過壩坡穩(wěn)定分析驗證壩坡的適宜性；通過有限元計算，針對不同軟巖料區(qū)位置進(jìn)行壩體應(yīng)力變形特點分析，從中找出滿足壩體變形和面板應(yīng)力變形要求的最大軟巖料區(qū)應(yīng)用范圍；通過壩體滲流特性分析，確保壩體能自由排水并滿足料間反濾準(zhǔn)則。

軟巖料的開采爆破、填筑碾壓、施工工藝、質(zhì)量控制均有其特殊性，需在充分研究軟巖料特性的基礎(chǔ)上，有針對性的進(jìn)行爆破和碾壓試驗。在填筑施工過程中，注意檢查有無彈簧土、泥化和板結(jié)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題需及時進(jìn)行處理。施工時序上，需達(dá)到設(shè)計要求的預(yù)沉降指標(biāo)后再開始面板混凝土的施工，宜采用預(yù)沉降時間和速率雙指標(biāo)控制。

2 高土石壩復(fù)雜材料筑壩技術(shù)新進(jìn)展

近年來，抽水蓄能電站建設(shè)中遇到的復(fù)雜材料筑壩問題日益突出，包括全強風(fēng)化料筑壩、碎石土填庫等帶來的大壩變形、穩(wěn)定及防滲體系安全問題。在解決這些問題的過程中，復(fù)雜材料筑壩技術(shù)又有了新進(jìn)展。本文以幾個典型工程為例進(jìn)行分析。

2.1 句容抽水蓄能電站上水庫大壩及庫底回填

2.1.1 填筑料物理力學(xué)性質(zhì)

句容抽水蓄能電站上水庫主壩筑壩料主要來源于上水庫石料場的庫盆開挖料，料場基巖主要為含燧石白云巖、灰質(zhì)白云巖、細(xì)晶白云巖等，北庫岸分布少量泥質(zhì)白云巖、含硅質(zhì)白云巖。白云巖類巖石為中硬巖，呈中厚～厚層狀，多呈弱～微風(fēng)化，微風(fēng)化巖體的飽和單軸抗壓強度為40～60 MPa，飽和密度為2.71～2.78 g/cm3，石料質(zhì)量基本滿足堆石料原巖技術(shù)要求。

根據(jù)玢巖巖脈的分布情況將上水庫石料場分為A、B、C3個區(qū)。A區(qū)有用層儲量約756.5萬m3、C區(qū)有用層儲量約296.4萬m3，A區(qū)、C區(qū)巖脈不發(fā)育，巖體主要為弱～微風(fēng)化的白云巖類，料源質(zhì)量較好。B區(qū)有用層儲量約1 049.7萬m3，但巖體中閃長玢巖巖脈較發(fā)育，以全強風(fēng)化為主，巖脈蝕變風(fēng)化、軟弱破碎，飽和抗壓強度5～7 MPa，開挖暴露后多崩解呈土狀。

2.1.2 壩體布置和分區(qū)設(shè)計

句容抽水蓄能電站上水庫大壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩軸線處最大壩高182.3 m，上游壩坡坡比為1∶1.7，下游壩坡在240.00 m高程以上坡比為1∶1.9，以下坡比為1∶1.8。壩體布置和分區(qū)如圖1所示。

圖1 句容上水庫大壩典型剖面

大壩壩體分區(qū)從上游向下游使各料區(qū)的滲透性依次遞增(下游填筑區(qū)除外)，確保各料區(qū)在水壓力作用下變形協(xié)調(diào)且變形最小，最大限度地利用工程開挖料，料區(qū)劃分盡可能簡單。瀝青混凝土面板采用簡式結(jié)構(gòu)。面板下部的墊層、過渡層寬度分別為3.0、4.0 m，主要利用新鮮、微風(fēng)化白云巖料制備，特殊墊層區(qū)位于面板與連接板連接縫部位的小區(qū)，石料要求同墊層料。上游堆石料采用上水庫內(nèi)開采的新鮮或弱、微風(fēng)化白云巖填筑，下游堆石料采用庫內(nèi)開挖的新鮮或弱、微風(fēng)化白云巖摻50%閃長玢巖填筑，按向下游1∶0.2分區(qū)，在上、下游堆石之間設(shè)置寬5 m的過渡區(qū)，采用上游堆石料與下游堆石料互層填筑。大壩岸坡部位下游堆石料下部設(shè)置厚3.0～5.0 m的上游透水堆石料，河床部位加大為8.0 m，以保證壩體排水。右壩腳由于建基面傾向下游，在壩腳處設(shè)混凝土擋墻，墻頂高程180.50 m，并將高程200 m以下的透水主堆料設(shè)為增模區(qū)，保留有透水功能，但壓縮模量提高。

上水庫庫底為半挖半填形式。上庫庫底回填料成分復(fù)雜，從下到上分別為上水庫庫底及壩基底部剝離的除掉表面腐殖土后的含碎石黏土、上水庫庫盆開挖弱、微風(fēng)化白云巖摻一定量的蝕變閃長玢巖及下水庫庫盆開挖的白云巖摻灰?guī)r、粗面巖、安山巖及蝕變閃長玢巖混合料等。

2.1.3 利用全強風(fēng)化閃長玢巖料筑壩和碎石黏土料回填的工程措施

句容抽水蓄能電站上水庫大壩下游堆石料為含一定量全風(fēng)化玢巖的白云巖，全風(fēng)化玢巖含量較多時呈現(xiàn)土料的特性，對填筑料的碾壓厚度及碾壓效果影響較大。根據(jù)招標(biāo)設(shè)計階段現(xiàn)場碾壓試驗成果分析，白云巖中全風(fēng)化玢巖含量為33%時，層厚50 cm，26 t振動碾碾壓8遍，平均孔隙率為13.7%，由于細(xì)顆粒容易充填顆粒間的孔隙，極易達(dá)到孔隙率≤20%的要求。加水量為8%時，靜碾時沉降量已經(jīng)嚴(yán)重偏大，無法進(jìn)行后續(xù)碾壓。

針對上述問題，采取的工程措施有：①控制蝕變閃長玢巖含量≤33%，剔除寬度>2 m的玢巖巖脈；②下游堆石按照孔隙率≤18%控制，碾壓施工參數(shù)擬定為鋪層厚80 cm，不加水或少加水，采用32 t振動碾碾壓8遍。

上水庫庫盆回填高度超過120 m且回填料源復(fù)雜，回填料來源為風(fēng)化崩解的玢巖和白云巖混合料及下水庫開挖的碎石黏土料，白云巖中全風(fēng)化玢巖含量較少時，填筑料呈現(xiàn)石料特性，當(dāng)回填料中玢巖含量達(dá)到一定程度或為碎石土料時，呈現(xiàn)土料的特性。不同料源的控制指標(biāo)為當(dāng)玢巖含量較少、填筑料呈現(xiàn)石料特性時，按孔隙率控制；當(dāng)呈現(xiàn)土的特性時，按壓實度控制。

2.2 文登抽水蓄能電站上水庫大壩

2.2.1 填筑料物理力學(xué)性質(zhì)

文登抽水蓄能電站上水庫大壩料源主要分布在上水庫庫盆、進(jìn)水出口及壩基3個部位，巖性主要為石英二長巖及二長花崗巖，全強風(fēng)化層較厚，且分布不均。全強風(fēng)化層儲量約266.72萬m3，弱風(fēng)化以下儲量約278.25萬m3，共計544.97萬m3，為設(shè)計需求總量的1.23倍。

弱風(fēng)化巖體的飽和單軸抗壓強度為93.6～150 MPa，軟化系數(shù)0.69～0.98，飽和密度為2.61～2.77 g/cm3。強風(fēng)化巖體的飽和單軸抗壓強度為27.8 MPa，軟化系數(shù)0.32，飽和密度為2.61 g/cm3。弱風(fēng)化料、強風(fēng)化料、全強混合料、全風(fēng)化料干密度分別為2.12、2.11、2.11、2.89 g/cm3，黏聚力分別為103、63～71、58、58 kPa，內(nèi)摩擦角分別為36.3°、36.3°～36.8°、36.1°、35.7°，飽和壓縮模量分別為90、75、57.7、44.9 MPa。

2.2.2 壩體布置和分區(qū)設(shè)計

文登抽水蓄能電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線處最大壩高101 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶2。壩體布置和分區(qū)如圖2所示。

上水庫上游堆石3B區(qū)填筑料主要為弱風(fēng)化石英二長巖，下游堆石3C區(qū)填筑料主要為全風(fēng)化及強風(fēng)化石英二長巖混合料，兩者強度指標(biāo)相差較大。在上游堆石3B區(qū)與下游堆石3C區(qū)之間增設(shè)下游過渡區(qū)3A區(qū)，其層厚及強度指標(biāo)同上游過渡區(qū)3A區(qū)。下游過渡區(qū)3A區(qū)的增設(shè)有助于壩體在各工況下的整體變形協(xié)調(diào)。

2.2.3 利用全強風(fēng)化料筑壩的工程措施

為控制補充料場規(guī)模、減少文登抽水蓄能電站上水庫庫區(qū)開挖棄渣以及節(jié)省投資和減少環(huán)境破壞，采用庫盆開挖出的全、強風(fēng)化料作為下游堆石料。試驗成果表明，全、強風(fēng)化料碾壓后為含細(xì)粒砂，力學(xué)性能較差，而國內(nèi)外百米級高面板堆石壩大區(qū)域采用全風(fēng)化料筑壩的經(jīng)驗少，全強風(fēng)化料的使用可能導(dǎo)致較大的壩體變形及面板應(yīng)力。

針對全強風(fēng)化料筑壩問題，采取的工程措施有：①充分重視下游堆石區(qū)填筑質(zhì)量控制，盡量提高壓實密度，按照全強風(fēng)化料呈現(xiàn)出的碎石土的性質(zhì)，采用壓實度作為壓實控制指標(biāo)，采用重型擊實試驗、壓實度≥95%控制；②碾壓厚度40～60 cm，按最優(yōu)含水量控制加水，采用26 t振動碾碾壓8～10遍，并根據(jù)實際填筑施工中不斷積累的檢測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗研究調(diào)整壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)；③結(jié)合滲流分析成果優(yōu)化調(diào)整下游堆石區(qū)的底部界限，并強化排水反濾措施；④適當(dāng)擴(kuò)大下游壩坡土工格柵的布置范圍。

2.3 溧陽抽水蓄能電站上水庫工程

2.3.1 填筑料物理力學(xué)性質(zhì)

強風(fēng)化石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖的飽和單軸抗壓強度分別為30～50、10～20、5～10 MPa，干密度分別為2.62、2.55、2.5 g/cm3。

2.3.2 壩體布置和分區(qū)設(shè)計[4]

上水庫主壩壩軸線處最大壩高165 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.45。主壩典型剖面見圖3。

圖3 溧陽上水庫主壩典型剖面

2.3.3 利用強風(fēng)化料筑壩的工程措施

溧陽抽水蓄能電站上水庫大壩較高、壩體填筑石料巖性多樣且軟硬差異大、壩基地形條件差，壩體不均勻變形控制難度大。為此，采取的工程措施有：①將強風(fēng)化料置于次堆石區(qū)上部干燥區(qū)域，避免濕化變形，壓實層厚0.8 m，設(shè)計干密度≥2.15 g/cm3，孔隙率≤20%，25 t自行式振動碾碾壓8遍，灑水量≤10%；②主壩壩基對W形中間山脊進(jìn)行了寬緩平臺開挖，以減少壩體不均勻變形差；③在壩體高程185.00 m以下和下游堆石區(qū)高程265.800～284.500 m部位設(shè)增模區(qū)，壓實層厚0.6 m，設(shè)計干密度≥2.18 g/cm3，孔隙率≤19%，25 t自行式振動碾碾壓8遍，灑水量≤10%。

2.4 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫工程

2.4.1 填筑料物理力學(xué)性質(zhì)

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫庫盆開挖料(含楊家灣料場開挖料)主要為泥盆系古道嶺組結(jié)晶灰?guī)r、花崗閃長巖，上水庫壩基和趾板開挖料為白色大理巖，上水庫引水洞開挖料為花崗閃長巖。其中，大理巖飽和單軸抗壓強度<40 MPa，作為庫底回填渣料利用；花崗閃長巖飽和單軸抗壓強度平均為84 MPa；弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r飽和抗壓強度平均為62 MPa，但其呈脆性，碾壓后破碎率高。

過渡料采用弱風(fēng)化花崗巖、左壩肩炭化灰?guī)r，有排水功能的主堆石和排水體料采用弱風(fēng)化花崗巖，其余主堆石料采用弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r，下游堆石料區(qū)采用弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r+強風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r混合料。因結(jié)晶灰?guī)r料碾壓后破碎率高、表面易形成約10 cm的“細(xì)化層”(石粉層)，致使5 mm以下顆粒含量超標(biāo)嚴(yán)重，透水性差，滲透系數(shù)<1×10-2cm/s，可在壩體干燥區(qū)使用。

2.4.2 壩體布置和分區(qū)設(shè)計

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫大壩為混凝土面板堆石壩，壩軸線處最大壩高125.90 m，上游壩坡坡比1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.53。大壩典型剖面見圖4。

圖4 鎮(zhèn)安上水庫大壩典型剖面

2.4.3 利用脆性結(jié)晶灰?guī)r筑壩的工程措施

脆性結(jié)晶灰?guī)r碾壓后石粉含量高，透水性差。為此，采取的工程措施有：①將結(jié)晶灰?guī)r料分區(qū)置于壩體中部，其上游和底部均布置滲透系數(shù)較大的弱風(fēng)化花崗巖塊石控制爆破料，并在壩趾布置滲透性好的弱風(fēng)化花崗巖塊石料，形成排水通道；結(jié)晶灰?guī)r料根據(jù)其風(fēng)化程度和透水性布置在壩體中部不同位置，透水性相對好的弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r塊石料布置靠上游，透水性相對差的弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r級配料布置在中間，透水性相對差且摻入強風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r的混合料布置在下游。②主堆石區(qū)(3B2)采用弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r塊石級配料(飽和抗壓強度≥30 MPa)，設(shè)計孔隙率≤19%，設(shè)計干密度≥2.15 g/cm3，滲透系數(shù)為1×10-3～1×10-2cm/s，壓實層厚80 cm，灑水量控制在10%～12%，壓實采用26 t振動碾碾壓8遍。③主堆石區(qū)(3B3)采用弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r級配料(飽和抗壓強度≥30 MPa)，設(shè)計孔隙率≤16%，設(shè)計干密度≥2.20 g/cm3，滲透系數(shù)為1×10-5～1×10-3cm/s，壓實層厚80 cm，灑水量控制在10%～12%，壓實采用26 t振動碾碾壓10遍。④下游堆石料區(qū)(3C1)采用弱風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r+強風(fēng)化結(jié)晶灰?guī)r混合料(強風(fēng)化摻量最大不超過40%，飽和抗壓強度≥30 MPa)，設(shè)計孔隙率≤16%，設(shè)計干密度≥2.20 g/cm3，滲透系數(shù)為1×10-5～1×10-3cm/s。壓實層厚80 cm，灑水量控制在10%～12%，壓實采用26 t振動碾碾壓10遍。

3 關(guān)鍵問題及對策措施

抽水蓄能電站中高土石壩建設(shè)所面臨的關(guān)鍵問題，一方面是復(fù)雜多樣的料源條件所帶來的對復(fù)雜材料碾壓的參數(shù)與質(zhì)量控制問題，另一方面是抽水蓄能電站水位長期漲落的循環(huán)荷載下土石壩變形和穩(wěn)定問題，此外抽水蓄能電站對防滲要求高，也需要防滲體系更加安全可靠。

針對復(fù)雜材料碾壓參數(shù)與質(zhì)量控制。對于不同料源需要針對其物理力學(xué)性質(zhì)確定控制指標(biāo)，并通過碾壓試驗研究確定碾壓參數(shù)。例如，句容抽水蓄能電站上水庫庫盆回填料，采取了當(dāng)玢巖含量較少、填筑料呈現(xiàn)石料特性時按孔隙率控制，當(dāng)呈現(xiàn)土料的特性時按壓實度控制的原則；文登抽水蓄能電站上水庫大壩利用全強風(fēng)化料筑壩，則按照全強風(fēng)化料呈現(xiàn)出的碎石土的性質(zhì)，采用壓實度作為壓實控制指標(biāo)，并根據(jù)實際填筑施工中不斷積累的檢測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗研究調(diào)整壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)。

針對抽水蓄能電站水位頻繁漲落情況下土石壩變形和穩(wěn)定問題，應(yīng)做好壩體斷面和分區(qū)設(shè)計，針對壩料性質(zhì)確定坡比和碾壓參數(shù)，確保排水系統(tǒng)通暢并做好反濾，抗震設(shè)防烈度高的要做好抗震設(shè)計。例如，句容抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板壩綜合考慮工程規(guī)模、地震烈度以及開挖料性質(zhì)較差等因素，采用上游坡比1∶1.7、下游綜合坡比1∶1.9，且根據(jù)碾壓試驗將碾壓參數(shù)提高至按照孔隙率不大于18%控制，采用32 t振動碾碾壓8遍；鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩則針對結(jié)晶灰?guī)r料易碎透水性差的問題，通過合理分區(qū)將透水性好的花崗巖料布置在上游和壩底形成排水通道，將結(jié)晶灰?guī)r料布置在壩體中部和下游；溧陽抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩為減小壩體不均勻沉降和滿足抗震性能要求，在大壩下游底部和頂部設(shè)置增模區(qū)，并將強風(fēng)化料置于次堆石區(qū)上部干燥區(qū)域，避免濕化變形；文登抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩結(jié)合滲流分析成果優(yōu)化調(diào)整下游堆石區(qū)的底部界限，并加強排水反濾措施。

針對防滲體系安全可靠性問題，除了要做好壩基灌漿和接縫止水外，主要通過控制壩體變形，特別是不均勻變形，以減小面板或心墻防滲體開裂風(fēng)險。例如，溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩壩基對W形中間山脊進(jìn)行了寬緩平臺開挖，大壩下游底部和頂部設(shè)增模區(qū)，以減少壩體不均勻變形差，從而減小面板開裂的風(fēng)險。

4 結(jié) 語

抽水蓄能電站的快速建設(shè)帶來了土石壩建設(shè)的新機(jī)遇，面對抽水蓄能電站中土石壩建設(shè)所遇到的復(fù)雜材料筑壩問題，以及對循環(huán)荷載下大壩長期穩(wěn)定、防滲系統(tǒng)安全可靠的要求，近年的工程實踐實現(xiàn)了筑壩技術(shù)的新進(jìn)展，并且土石壩筑壩技術(shù)隨著工程建設(shè)的推進(jìn)和研究的深入還在不斷發(fā)展。本文對復(fù)雜材料筑壩已有經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)，并以句容、文登、溧陽、鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫工程復(fù)雜材料筑混凝土面板堆石壩為例，分析了高土石壩復(fù)雜材料筑壩技術(shù)的新進(jìn)展，總結(jié)了抽水蓄能電站土石壩建設(shè)的關(guān)鍵問題及對策措施，以期為新形勢下土石壩建設(shè)提供參考。