楊勇

（河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司云南分公司，云南昆明650231）

1 工程概況

扎實德水庫位于永勝縣東山鄉(xiāng)向陽村扎實德河源頭段，為金沙江左岸一級支流。扎實德水庫總庫容為280.0萬m3，攔河壩為風(fēng)化土料心墻堆石壩，壩頂軸線長140.5m，壩頂高程為2192.30m，最大壩高66.8m，工程規(guī)模為?。?）型，工程等別為Ⅳ等。水庫壩址以上控制徑流面積為12.30km2，主河道長4.8km，河道平均比降為0.151，流域形狀大致呈扇形。區(qū)域內(nèi)出露地層主要為中生界侏羅系和白堊系，第四系在工程區(qū)廣泛分布。

2 筑壩料特性

2.1 石料強度及軟化性能

工程區(qū)分布的地層基本呈對稱狀分布于細腰梁子的東西兩側(cè)，分布的地層從上到下為白堊系江底河組泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，馬頭山組礫質(zhì)砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，普昌河組、高豐寺組、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，侏羅系妥甸組泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，料場選用的地層為白堊系馬頭山組（K2m）上部的厚層狀紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰色砂巖，巖層單斜緩傾角傾向上游。根據(jù)鉆孔內(nèi)取巖樣分析，堆石料主要為軟巖與中硬巖、堅硬巖互層，砂巖層厚占40%，泥巖層厚占30%，泥質(zhì)粉砂巖層厚占30%。試驗結(jié)果顯示：弱風(fēng)化及以下泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度為24.7～51.3MPa，泥質(zhì)粉砂巖飽和抗壓強度平均值為36.1MPa，為中硬巖類，軟化系數(shù)為0.48～0.74；砂巖飽和抗壓強度為57.3～126.9MPa，為堅硬巖，軟化系數(shù)為0.40～0.56；弱風(fēng)化泥巖巖飽和抗壓強度為5.3～20.4MPa，飽和抗壓強度平均值為12MPa，軟化系數(shù)為0.33～0.62。堆石料的軟化系數(shù)偏低，且泥巖含量約為20%，泥巖在干濕循環(huán)下易泥化崩解。

2.2 滲透性

根據(jù)砂泥巖混合料滲透及滲透變形試驗結(jié)果，堆石料屬于強透水性材料，滲透系數(shù)為4.1×10-2～3.4×10-2cm/s，臨界坡降為0.14～0.18。由于制樣時進行了縮尺，實際壩料的滲透性會比試驗的滲透性增大。其堆石料滲透性滿足規(guī)范要求，需設(shè)置排水區(qū)加強排水。

2.3 軟硬混合料剪切特性

為了解砂泥巖混合料的抗剪強度和應(yīng)力路徑。設(shè)計階段取2組混合料試樣，按照設(shè)計壓實標(biāo)準(zhǔn)、級配進行大三軸試驗，其抗剪強度指標(biāo)、模量基數(shù)偏低；結(jié)果見表2。

表1 堆石料巖樣力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

表2 硬巖∶軟巖（7∶3）混合料固結(jié)排水剪參數(shù)表

2.4 軟硬混合料變形特性

混合料的變形特性和硬巖與軟巖比例有關(guān)，馬來西亞巴貢（Bakun）面板堆石壩巖層為硬砂巖和頁巖互層，頁巖含量約占30%，硬砂巖飽和抗壓強度約為50MPa，頁巖不到30MPa。南科院對巴貢混合料進行室內(nèi)試驗成果，摻頁巖30%的混和料的壓縮變形小，相同壓力條件下與砂巖孔隙比相近。

對巴貢水電站大壩的硬砂巖和頁巖的各種堆石料進行了現(xiàn)場碾壓試驗，不加水碾壓的情況下，微風(fēng)化硬砂巖堆石料的壓縮率和頁巖含量30%的混合料接近，頁巖含量超過30%的混合料的壓縮率迅速增加，特別是碾壓遍數(shù)越多增加更明顯。加水量為25%～30%、層厚867～917mm，弱風(fēng)化硬砂巖中包含30%和50%的頁巖混合堆石料，碾壓8遍或10遍的壓縮率相近，碾壓遍數(shù)少于8遍，含50%頁巖的混合堆石料的壓縮較大；隨著頁巖含量進一步增加，壓縮率明顯增加。說明硬砂巖中摻30%頁巖的混合料，其變形特性仍保持硬巖料的變形。

工程填筑料為硬巖與軟巖混合料，混合比為7∶3，設(shè)計階段進行2組混合料固結(jié)壓縮試驗，試驗結(jié)果壓縮模量為32.6～35.0MPa，試驗為低壓縮性土，但壩料軟化系數(shù)偏低，根據(jù)試驗結(jié)果及類似工程經(jīng)驗，填筑料變形特性接近硬巖，工程大壩設(shè)計按照硬巖堆石料力學(xué)性質(zhì)進行壩坡設(shè)計，根據(jù)壩料特性，進行合理的壩體分區(qū)。

3 壩體分區(qū)設(shè)計

根據(jù)工程建筑材料特性，擬定大壩的體型參數(shù)。大壩主要分區(qū)為度汛壩體粘土斜墻，上、下游堆石區(qū)，下游風(fēng)化料區(qū)，過渡料，反濾料，防滲心墻，下游堆石排水區(qū)。

3.1 度汛壩體防滲斜墻區(qū)

根據(jù)大壩填筑量及施工強度分析，確定度汛壩體采用抬頭壩形式，風(fēng)化土斜墻防滲，料源為土料場風(fēng)化土料。

3.2 風(fēng)化土料心墻區(qū)

防滲心墻料采用全風(fēng)化層與殘破積層混合料，碾壓后各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。心墻頂寬3.0m，防滲體最高65.9m，上、下游側(cè)坡比均為1.00∶0.25；心墻料壓實后滲透系數(shù)K＜1×10-5cm/s，壓實度不小于0.98，壓實檢測采用三點擊實法。

3.3 過渡層、反濾層區(qū)

反濾料包絡(luò)線設(shè)計按心墻料碾壓后的級配設(shè)計，心墻上游分別設(shè)置反濾料、過渡料各一層；心墻下游側(cè)分別設(shè)置Ⅰ區(qū)反濾層、Ⅱ區(qū)反濾層。大壩心墻與壩殼料變形模量差大，心墻與兩側(cè)堆石料變形不協(xié)調(diào)，大壩心墻部位存在拱效應(yīng)，下游反濾料處應(yīng)力集中，所以擬定下游Ⅰ，Ⅱ反濾料寬度均為2.0m，坡比均為1.00∶0.25，以協(xié)調(diào)變形及加強心墻的保護。上游側(cè)反濾料參照下游側(cè)Ⅰ區(qū)反濾層級配，上游過渡料級配參照Ⅱ區(qū)反濾料。反濾料要求級配連續(xù)，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)反濾料要求相對密度不小于0.75。

3.4 上、下游堆石區(qū)

大壩上、下游堆石區(qū)是承受和傳遞水荷載的主要部分，是壩體抗震和壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵部位。填筑料為弱風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰色砂巖混合料，由于堆石料軟化系數(shù)低，應(yīng)重視堆石料加水碾壓。大壩上、下游堆石料壓實后有良好的顆粒級配，最大粒徑不大于600mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不大于5%。填筑標(biāo)準(zhǔn)：壓實后孔隙率為不大于22%，干密度大于2.14g/cm3，堆石料碾壓前應(yīng)加水，加水量為堆石料體積比的20%；壓實后滲透系數(shù)K≥1×10-2cm/s。

3.5 下游風(fēng)化料區(qū)

為充分利用當(dāng)?shù)夭牧蠝p少棄渣，降低工程造價，在下游干燥區(qū)設(shè)置風(fēng)化料區(qū)。該區(qū)布置于下游壩殼區(qū)高程EL2147.50～2158.00m段，采用石料場強風(fēng)化石料及洞渣料填筑。壓實后孔隙率不大于22%，干密度不小于2.08g/cm3，碾壓前應(yīng)加水，加水量為填筑料體積比的20%；壓實后滲透系數(shù)K≥1×10-3cm/s。

3.6 下游堆石排水區(qū)

由于下游壩殼料為軟巖～中硬巖混合料，碾壓后易碎，壩體排水效果較差。為加強排水效果，下游壩殼區(qū)2140.00m高程以下設(shè)置一層堆石排水區(qū)，采用塊石填筑，厚度大于3.0m。排水區(qū)石料采用石料場弱風(fēng)化砂巖，排水區(qū)采用塊石填筑。填筑標(biāo)準(zhǔn)：壓實后孔隙率為25%～28%，干密度大于2.05g/cm3，碾壓前應(yīng)加水，加水量為塊石料體積比的20%；壓實后滲透系數(shù)K≥1cm/s。

4 應(yīng)力應(yīng)變分析

根據(jù)壩體設(shè)計分區(qū)，對大壩施工期和蓄水期進行二維平面應(yīng)力變形分析，計算的過程中，采用分層加載的方式對施工期壩體填筑進行模擬，計算模型取最大壩高斷面。

對于土石壩，由于土體材料本構(gòu)為非線性彈性模型，壩體最終的應(yīng)力變形與加載歷史有關(guān)。因此，數(shù)值分析建模按設(shè)計加載順序分15級加載，其中第1級是大壩修建前地基基礎(chǔ)的模擬計算，第2級至12級大壩填筑至2192.30m高程（壩頂高程），第13級至第15級大壩蓄水至正常蓄水位。

計算考慮2種工況。工況一：壩體自重（施工期）；工況二：壩體自重+正常蓄水位（分3步加載）。

蓄水對壩體的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是壩內(nèi)心墻防滲體迎水面受到水壓力的作用；二是上游壩殼料區(qū)在上游蓄水位以下的部分受到浮力的作用。這兩方面的共同作用，必然對土石壩的應(yīng)力-應(yīng)變產(chǎn)生影響。

4.1 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料及室內(nèi)試驗成果，結(jié)合工程類比確定，主要計算參數(shù)見表3。

表3 鄧肯—張的E—B模型計算參數(shù)

4.2 計算成果

計算結(jié)果表明，壩體應(yīng)力、變形分布規(guī)律及數(shù)值大小均在合理范圍內(nèi)。不同材料區(qū)之間存在著不同程度的相對變形，計算結(jié)果顯示大壩的水平位移是向外坡移動，外坡的排水區(qū)上部風(fēng)化料區(qū)數(shù)值較大，竣工時上游堆石水平位移的最大值為向上游偏移8.1cm，下游堆石水平位移的最大值為向下游偏移8.7cm。隨著水位的升高，水平位移的分布形式發(fā)生改變，主要的變化是上游側(cè)水平位移變化較大的區(qū)域向下游移動，當(dāng)蓄水至正常蓄水位時，上游水平位移的最大值位于下游1/2壩高處反濾層與心墻連接處，值為向下游偏移15.3cm；竣工期和蓄水期壩體豎向最大位移均發(fā)生在1/2壩高處心墻附近，竣工期豎向最大位移值為0.663m，蓄水期豎向最大位移值為0.566m。竣工期、蓄水期壩體大主應(yīng)力和小主應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在大壩底部心墻附近，竣工期大主應(yīng)力為1392kPa、小主應(yīng)力為635kPa，蓄水期大主應(yīng)力為1290kPa、小主應(yīng)力為539kPa，大主應(yīng)力和小主應(yīng)力蓄水期比竣工期略有減小。由于壩體分層填筑，心墻部位必然存在薄弱面或隱蔽的裂縫，故受到水力劈裂機理的威脅也較大，當(dāng)蓄水至正常蓄水位時，心墻迎水面靜水壓強都小于心墻上游面的豎向應(yīng)力，因此不會發(fā)生水力劈裂。應(yīng)力水平均小于1，不發(fā)生應(yīng)力破壞。由心墻與壩殼料變形模量差距大，導(dǎo)致各填筑區(qū)的不均勻沉降，本來應(yīng)該由心墻承擔(dān)的部分重量荷載傳遞給了兩側(cè)的過渡層（或壩殼料區(qū)），形成使心墻壓應(yīng)力降低的拱效應(yīng)，反濾料處應(yīng)力集中。

5 變形控制措施

依據(jù)填筑料的試驗結(jié)果及壩體應(yīng)力應(yīng)變分析情況，大壩壩殼料為軟硬巖混合料，壓縮模量約為32.6～35.0MPa，軟化系數(shù)較低，在蓄水期沉降變形稍大，說明堆石流變及濕化變形明顯。所以盡可能加速施工期變形，減少后期變形是工程的重點。針對工程筑壩料特性，提出變形控制措施：

1）合理壩殼料壓實標(biāo)準(zhǔn)及增大壓實功。堆石料壓實選用23t振動碾，鋪填厚60cm，壓實后孔隙率小于22%，干密度大于2.14g/cm3，其竣工期堆石的壓縮模量與室內(nèi)試驗接近。

2）加水碾壓。對于軟化系數(shù)較低的堆石料，碾壓前應(yīng)加水，其壓實性能更好，可加大施工期的濕化變形，設(shè)計加水量為堆石料體積比的20%。

3）設(shè)計級配。級配良好堆石料比均勻級配堆石料顆粒間摩擦阻力高，抗剪強度自然較大，控制最大粒徑小于600mm，小于0.1mm的顆粒含量不超過5%，不均勻系數(shù)為15或更大。

4）合理壩體分區(qū)。由于軟硬巖混合料上部堆石區(qū)壓實后滲透系數(shù)K=1×10-2～1×10-1cm/s，所以下游底部設(shè)置排水區(qū)，上部堆石區(qū)設(shè)置反濾料。

5）合理初期蓄水方案。水庫主體工程完工后，初期大壩蓄水分3個年度蓄水。第一年最大蓄水量控制在水庫正常庫容的40%左右；第二年最大蓄水量控制在水庫正常庫容的60%左右，蓄水速度控制在40cm/d；第三年蓄滿至正常蓄水位。

6 結(jié)語

通過分析得出：軟巖占比小于30%的軟硬巖混合料，其力學(xué)性質(zhì)接近硬巖，其壩坡設(shè)計可按硬巖力學(xué)性質(zhì)設(shè)計。工程根據(jù)試驗成果及已建工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出堆石料的強度、滲透、變形特性，確定壩體分區(qū)和各區(qū)用料，提出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、壓實要求、碾壓加水量及變形控制措施；且工程大壩承受的應(yīng)力小，壓縮變形量小，后期堆石料流變、濕化變形可通過工程措施控制，因此軟硬巖混合料填筑大壩滿足大壩抗滑穩(wěn)定、變形控制。