多石料場下面板堆石壩壩體的填料工程特性研究及穩(wěn)定分析

賀小康, 肖 利

(1．廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，武漢 430019)

面板堆石壩是土石壩的主要壩型之一，壩主體由堆石或礫石分層碾壓而成，起支承作用，其上游面設(shè)置混凝土面板起防滲作用[1]，屬于當(dāng)?shù)夭牧蠅危云淞己玫倪m應(yīng)性得到了廣泛應(yīng)用[2-4〗。但施工過程中由于主石料場的出料質(zhì)量或速度無法滿足現(xiàn)場需要，備用料場又無法啟用，此時需要新增其他石料場以摻配方式上壩，由此導(dǎo)致壩體的填料特性有所變化。本文以麻江縣上寨水庫工程中大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，對多石料場下面板堆石壩壩體的填料工程特性研究及穩(wěn)定進(jìn)行研究及分析，為日后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

上寨水庫位于貴州省麻江縣下司鎮(zhèn)，地處長江水系清水江左岸支流老山河上，壩址距凱里市約25 km，壩址以上集雨面積為53.23 km2。上寨水庫是一座以城市供水、農(nóng)田灌溉和農(nóng)村人畜飲水的中型水利工程，水庫總庫容為1 391萬m3，年供水量為1 577萬m3。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高為65.6 m，上下游壩坡均為1∶1.4，面板堆石壩斷面示意見圖1。

圖1 面板堆石壩斷面示意(單位：高程m，尺寸mm)

1.1 壩體分區(qū)

在面板堆石壩設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)堆石體各部分受力特點(diǎn)、滲流要求和各自所起的作用，對堆石體進(jìn)行適當(dāng)分區(qū)。分區(qū)的主要原則：① 從上游到下游壩料變形模量依次遞減，以保證蓄水后壩體變形盡可能小，從而確保面板和止水系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性；② 各區(qū)之間應(yīng)滿足水力過渡要求，從上游至下游壩料的滲透系數(shù)增加，相應(yīng)下游壩料應(yīng)對其上游區(qū)有反濾保護(hù)作用；③ 為節(jié)省投資，壩軸線下游堆石區(qū)變形模量低的部位，利用較差的堆石料，設(shè)次堆石區(qū)以達(dá)到經(jīng)濟(jì)目的；④ 分區(qū)盡可能簡單，以利于施工，便于壩料運(yùn)輸和填筑質(zhì)量控制[5]。根據(jù)以上原則，上寨水庫大壩壩體從上游至下游主要由蓋重區(qū)、覆蓋區(qū)、趾板、砼面板、擠壓墻、特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、下游干砌石護(hù)坡組成。

1.2 筑壩材料、填筑標(biāo)準(zhǔn)

上寨水庫共設(shè)有3個石料場(Ⅲ1～Ⅲ3主料場)，大壩筑壩材料為Ⅲ1主料場弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，飽和單軸抗壓強(qiáng)度不低于70 MPa，屬硬巖，軟化系數(shù)大于0.8，主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)碾壓后的摩擦角不小于40°，砼面板的抗?jié)B等級不低于W8[6-7]。大壩填筑參數(shù)見表1所示。

表1 面板堆石壩大壩填筑參數(shù)

1.3 石料場變更情況

項目開工后，首先對Ⅲ1主料場進(jìn)行了開挖，大壩填筑至630 m高程，距臨時度汛高程645 m還差15 m，日上壩量仍需2 100 m3，此時主料場主要存在以下問題：① 主料場開挖后，覆蓋層變厚，巖體中巖溶洞穴和溶蝕夾泥較多，可利用率降低，料場剝采比大幅度提高，原設(shè)計為0.067，增加至3.83；② 主料場巖性為白云巖，爆破后形成的石料主要為大塊料和石粉石渣，粒徑產(chǎn)生兩級分化，級配不滿足要求；③ 由于Ⅲ1主料場地質(zhì)條件復(fù)雜，三面開挖邊坡均需放緩，導(dǎo)致石料儲量減少，需放大料場面積來滿足儲量要求；④ 因主料場地質(zhì)條件變化，上壩料單價大幅提高；⑤ Ⅲ1主料場采用深孔梯級爆破，爆破后的噪音和飛石對距約170 m的上寨村居民生活造成嚴(yán)重影響和不安，并對房屋形成了一定損失，多次出現(xiàn)村民阻工現(xiàn)象；⑥ Ⅲ1主料場出料能力無法滿足大壩安全度汛要求[8-9]；⑦ Ⅲ2備用料場交通受限，未能正常啟動。

現(xiàn)場各方對主料場繼續(xù)下挖和新增石料場兩個方案進(jìn)行了比選，最后確定新增Ⅲ4和Ⅲ5石料場和啟用Ⅲ3石料場。根據(jù)各料場實際情況，考慮Ⅲ4石料場有部分大塊料，Ⅲ3石料場Ⅲ5石料場均為10 cm以下小塊料，采取摻配方式上壩，大塊料采用Ⅲ1主料場的大塊料或Ⅲ4石料場解決。

1.4 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計變更

由于主料場出料情況不理想，大壩高程635 m以下填料偏細(xì)，墊層區(qū)滲透系數(shù)偏大，過渡料、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)滲透系數(shù)偏??；為確保大壩滲透穩(wěn)定和大壩壩坡穩(wěn)定，在大壩填筑壩面高程635 m增設(shè)水平排水層(厚為2 m)，并在后續(xù)填筑的大壩過渡層后設(shè)豎向排水層(水平寬為3 m)。同時將下游干砌石護(hù)坡厚度按不同高程變?yōu)?～3 m。由于大壩上壩料石料場的變化，由1個石料場(Ⅲ1主料場)到4個石料場(Ⅲ1主料場、Ⅲ3石料場、Ⅲ4石料場、Ⅲ5石料場)，大壩堆石區(qū)采用摻配方式填筑，大壩不同區(qū)域采用不同料場料摻配施工，并做不同料場料源的碾壓試驗[10]，同時對壩體顆粒級配曲線進(jìn)行了修正[11]。大壩填料摻配料料源見圖2。

2 壩體填料工程特性研究及分析

2.1 試驗級配與密度

滲透及反濾試驗中均采用現(xiàn)場檢測密度，具體數(shù)據(jù)根據(jù)試驗方案選定。如墊層料最小密度分別取2.30 g/cm3和平均密度2.31 g/cm3；過渡料取的密度是最小密度2.25 g/cm3，平均密度2.27 g/cm3和最大密度2.28 g/cm3；主堆石取的密度是最小密度2.21 /cm3，平均密度2.24 g/cm3和最大密度2.27 g/cm3；次堆石取平均密度2.22 g/cm3和最大密度2.24 g/cm3。過渡料力學(xué)試驗密度取現(xiàn)場檢測平均值2.27 g/cm3；主堆石力學(xué)試驗密度取現(xiàn)場檢測平均值2.24 g/cm3。主堆石料力學(xué)、滲透與反濾試驗級配見圖3，試驗級配及密度匯總見表2。

圖3 主堆石料力學(xué)、滲透與反濾試驗級配示意

表2 試驗級配及密度匯總

2.2 土工試驗

過渡料、主堆石在現(xiàn)場檢測統(tǒng)計平均級配基礎(chǔ)上進(jìn)行等量替代法縮尺后，采用平均密度進(jìn)行了室內(nèi)大型三軸剪切試驗和大型壓縮試驗。三軸試驗采用大型三軸壓縮試驗儀，試樣尺寸Ф300×H600 mm，最大圍壓為3.0 MPa，最大軸向應(yīng)力為21 MPa，最大軸向行程為300 mm；大型壓縮試驗采用直徑為500 mm，高為250 mm的浮環(huán)式壓縮儀進(jìn)行。試驗最大豎向壓力為1.6 MPa。

三軸試驗獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值在75～78 kPa，Φ值在40.6°～41.3°之間，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高。壓縮試驗獲得0.1～0.2 MPa下壓縮模量為53.7～87.1 MPa，壓縮系數(shù)為0.014～0.023 MPa-1，屬于低壓縮性土。主堆石料大型三軸試驗成果見圖4，堆石料壓縮試驗曲線見圖5。

圖4 主堆石料大型三軸試驗成果示意

2.3 滲透變形及反濾試驗

對現(xiàn)場取回的土樣，分別開展?jié)B透變形和反濾試驗，試驗均采用垂直試驗方法，水流由下至上，在垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行。

2.3.1滲透試驗

從試驗過程來看，各組試驗剛開始時流量隨著上下游水頭差增加而增加。至臨界比降附近，試樣水面局部開始出現(xiàn)冒泡或翻砂現(xiàn)象；隨著比降進(jìn)一步增大，局部地方出現(xiàn)冒水翻砂現(xiàn)象，但是經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后，細(xì)粒停止跳動，說明土樣內(nèi)部進(jìn)行了調(diào)整；再次增加上下游水頭差后，重新出現(xiàn)細(xì)粒跳動的現(xiàn)象，并且水開始變渾濁，并且呈慢慢增大趨勢；隨著上游水頭的持續(xù)增加，水面渾濁現(xiàn)象越來越加劇，說明越來越多的細(xì)料被帶出，最后大量細(xì)料被帶出。判定其滲透破壞形式均為過渡型。根據(jù)試驗結(jié)果：墊層料超出設(shè)計上限值，其大值比現(xiàn)場檢測的最大值大3.68倍，過渡料、主堆石、次堆石滲透系數(shù)偏小。壩體填筑材料現(xiàn)場檢測結(jié)果見表3。

表3 壩體填筑材料現(xiàn)場檢測結(jié)果 cm/s

2.3.2反濾試驗

過渡料與主堆石的反濾試驗中，平均級配與密度下反濾試驗Fgz1-1中，充當(dāng)反濾料的主堆石在比降為0.15時，下游水面開始冒渾水，此時被保護(hù)土過渡料比降為0.76。當(dāng)比降升高至0.22時，試樣下游水面多處翻砂冒渾水，持續(xù)0.5 h試樣破壞，此時過渡料比降為1.38，該值小于其滲透試驗時破壞比降1.94，說明主堆石不能對墊層料形成有效的反濾保護(hù)效果。不利級配與密度下反濾試驗Fgz2-1中，充當(dāng)反濾料的主堆石在比降為0.01時，下游水面開始冒渾水，此時被保護(hù)土過渡料比降為1.44。整個試驗中，主堆石承擔(dān)了較小的比降，過渡料承擔(dān)了較大比降，其破壞比降大于滲透試驗時破壞比降，說明主堆石可以對墊層料形成有效的反濾保護(hù)效果。

過渡料與主堆石的反濾試驗中，平均級配密度下反濾試驗Fgz1-1中，過渡料與主堆石滲透系數(shù)接近，被保護(hù)土過渡料破壞比降小于其滲透試驗時的破壞比降，主堆石不能對過渡料形成有效保護(hù)。不利級配密度組合下反濾試驗Fgz2-1中被保護(hù)土過渡料比降承擔(dān)的比降較大，作為反濾料的主堆石承擔(dān)的比降較小，主堆石對過渡料有一定的保護(hù)作用。過渡料和主堆石試驗的J-V曲線見圖6～圖7。

圖7 過渡料和主堆石反濾試驗Fgz2-1 J-V曲線示意

2.4 大壩邊坡穩(wěn)定復(fù)核分析

2.4.1計算方法

基于極限平衡條件的條分法在邊坡穩(wěn)定性分析中廣為采用，現(xiàn)有規(guī)范對不同條分法在不同工況下的安全系數(shù)作了規(guī)定。極限平衡分析的前提是假定摩擦材料為剛塑性介質(zhì)，在受剪切破壞情況下瞬間發(fā)揮了所有的強(qiáng)度(抗力)，滿足靜力平衡條件和剛塑性體剪切破壞的極限平衡條件。

大壩壩體邊坡穩(wěn)定分析采用簡化畢肖普法，運(yùn)行期采用有效應(yīng)力分析法，采用固結(jié)排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，施工期采用總應(yīng)力法計算，對應(yīng)巖土參數(shù)為總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

2.4.2計算填料參數(shù)

計算參數(shù)主要是采用設(shè)計的大壩應(yīng)力變形和壩坡穩(wěn)定計算參數(shù)，同時比較主堆石料和過度料的復(fù)核試驗成果。計算參數(shù)綜合確定如下表。因本次復(fù)核計算主要針對蓄水運(yùn)行期，力學(xué)指標(biāo)采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。壩坡穩(wěn)定計算巖土參數(shù)見表4。

表4 壩坡穩(wěn)定計算巖土參數(shù)

2.4.3計算內(nèi)容

邊坡穩(wěn)定復(fù)核分析的主要目的是在滲流穩(wěn)定計算基礎(chǔ)上，分析大壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性。大壩壩坡的抗滑穩(wěn)定性主要受填料的力學(xué)特性與坡體浸潤線位置高低的影響。本次計算內(nèi)容主要包括兩個方面：

1) 大壩面板防滲性能和填料滲透特性對壩坡穩(wěn)定性影響的計算方案，壩坡穩(wěn)定計算方案根據(jù)壩體不同滲流方案的計算成果確定，按面板滲透系數(shù)為1.0×10-7cm/s、面板破壞和填料級配不同對應(yīng)的浸潤線計算成果分3種計算方案。

2) 壩體填料力學(xué)特性對壩坡穩(wěn)定性影響的計算方案，填料力學(xué)參數(shù)主要采用設(shè)計的計算參數(shù)和本次主堆石和過度料的試驗復(fù)核成果。

2.4.4大壩邊坡穩(wěn)定計算成果

根據(jù)所述計算方法、計算參數(shù)、工況等條件，對填料采用原設(shè)計計算參數(shù)和本次調(diào)整后的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計算，大壩邊坡各方案抗滑穩(wěn)定計算成果見表5。

表5 大壩邊坡各方案抗滑穩(wěn)定計算成果

計算結(jié)果表明： 方案1～方案3各工況大壩下游壩坡的抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。本次變更后主堆石料的強(qiáng)度指標(biāo)雖然較原設(shè)計采用值略低，在主堆石和過度料的強(qiáng)度指標(biāo)取本次試驗成果時，大壩下游壩坡各工況下的抗滑安全系數(shù)略有降低，但仍滿足規(guī)范要求，壩體變更后的設(shè)計方案是可行的。

3 結(jié)語

本文針對上寨水庫面板堆石壩大壩填筑料，取樣室內(nèi)進(jìn)行了顆分試驗、大型壓縮試驗、大型三軸剪切試驗、滲透變形試驗、反濾試驗，獲得了壩體填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)和滲透力學(xué)指標(biāo)。并在試驗成果基礎(chǔ)上，結(jié)合工程采用的滲控措施，對多石料場下的面板堆石壩壩體填料特性和大壩穩(wěn)定進(jìn)行了研究和相關(guān)分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 在主料場出現(xiàn)問題的情況下，受上壩料質(zhì)量、強(qiáng)度及安全度汛等因素的影響，需就近重新選擇石料場，并采用摻配型式以滿足壩體各區(qū)對填料級配的要求，同時能滿足工期和質(zhì)量的要求。

2) 通過相關(guān)試驗對摻配的壩體填料工程特性進(jìn)行了研究，三軸試驗獲得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值在75～78 kPa之間，Φ值在40.6°～41.3°之間，填料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較高。

3) 面板堆石壩在墊層區(qū)滲透系數(shù)局部偏大，過渡料、主堆石、次堆石滲透系數(shù)偏小的情況下，通過壩體增設(shè)排水區(qū)和加厚下游干砌石護(hù)坡，對大壩安全有利。

4) 砼面板滲透系數(shù)越小，壩體內(nèi)浸潤線出逸段高度越低，砼面板滲透系數(shù)增大，壩體內(nèi)浸潤線出逸段高度增加。