廖大勇,許 剛,胡光鵬,彭明亮

(1.四川省水利水電勘測(cè)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(guó)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(guó)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(duì)瀝青心墻的變形約束以及壩體沉降對(duì)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(tái)咀料場(chǎng)，料場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(jí)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(chǎng)碾壓取樣試驗(yàn)檢測(cè)抗剪指標(biāo)、壩殼料的濕化及流變?cè)囼?yàn)研究、壩坡穩(wěn)定計(jì)算對(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)揭示以及實(shí)際開采情況，獲得大壩填筑工程量?jī)H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(shí)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(duì)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(zhǎng)度最大位置，撓跨比最大值達(dá)到2.42%，對(duì)瀝青混凝土有較高的柔性要求。同時(shí)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(cuò)動(dòng)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(rùn)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(zhǎng)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(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在長(zhǎng)期的對(duì)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(chǎng)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(dòng)器法獲得石渣料對(duì)應(yīng)級(jí)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(chǎng)碾壓控制干密度，操作簡(jiǎn)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(jí)按照2級(jí)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(shí)，碾壓層厚從100cm開始逐級(jí)向下進(jìn)行80cm、60cm試驗(yàn)，碾壓遍數(shù)從8遍開始逐級(jí)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(shí)，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(shí)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(duì)此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(dòng)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(jí)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(jí)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(dòng)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(cè)：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制和保障施工碾壓參數(shù)，并對(duì)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(píng)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(duì)應(yīng)的含水率為11%±2%，而現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)碾壓時(shí)適當(dāng)提高含水量可減少蓄水后的濕化變形”。

加水對(duì)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(shí)的檢測(cè)，避免加水集中和過量的問題，否則加水會(huì)帶來較大施工質(zhì)量隱患，并影響施工進(jìn)度。根據(jù)對(duì)天然含水率填筑料進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常，壩體最大沉降量?jī)H66cm，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)。