西域礫巖在筑壩技術上的應用

楊 武，余華英

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 基本情況

西域礫巖屬第四系地層，廣泛分布于新疆塔里木盆地周邊、天山南麓和昆侖山北麓山前地帶，其性質(zhì)介于巖石與土之間。國內(nèi)外對西域礫巖的研究很少且不深入。由于其結構復雜，力學性能極差，抗壓強度低、軟化系數(shù)小、顆粒級配較細、含泥量高，一般不滿足堆石料設計指標要求，因而不得不大量廢棄，而另辟料場，由此造成工程造價的提高，并給生態(tài)與環(huán)境保護帶來負面影響?，F(xiàn)有的技術手段和規(guī)程、規(guī)范不完全適用于在西域礫巖地區(qū)修建的水利工程，西域礫巖成為制約工程建設和運行安全的技術難題。

通過對各類西域礫巖開挖料的物理力學性質(zhì)，包括西域礫巖特性、分類，分析粒徑和膠結物含量、成分變化時西域礫巖的滲透規(guī)律，以及西域礫巖筑壩長期“濕化”變形特征等關鍵技術和施工方法，探討礫石含量和膠結性質(zhì)發(fā)生變化時，抗剪、抗壓、變形等工程物理力學的強度指標值及滲透性、崩解性與膨脹性的變化規(guī)律，提出一套技術成果首次作為筑壩材料大面積在新疆迪那河五一水庫工程中得到應用。

2 迪那河五一水庫工程概況

工程區(qū)位于天山南麓的塔里木盆地北部邊緣，由剝蝕、侵蝕中低山地貌向出山口的沖洪積堆積地貌過渡，出露地層主要有第三系和第四系地層，其中第四系下更新統(tǒng)西域礫巖(Q1)，呈厚層狀構造，礫狀結構，泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結或半膠結，巖體較完整。五一水庫為Ⅲ等中型工程，總庫容0.968億m3，地震基本烈度為8度。樞紐工程由碾壓式瀝青心墻壩、溢洪洞、導流兼泄洪沖砂洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及供水管線等組成。泄洪和發(fā)電引水系統(tǒng)均布置在左岸。

碾壓式瀝青混凝土心墻壩壩高102.5m，壩頂總長394.4m，壩頂寬度10m，上游壩坡1∶2.5，下游邊坡1∶2.0，下游壩坡在1315.0m、1350.0m高程處各設一條2m寬的馬道。壩體斷面以瀝青混凝土防滲體為中心，由幾種滲透系數(shù)從小到大的不同筑壩材料組成，主要包括防滲體、上下游過渡料、砂礫料區(qū)、開挖料利用區(qū)。

3 壩料分析

工程區(qū)勘查的砂礫料料場有C1、C2、C3、C4料場，巖性為第四系上更新統(tǒng)沖積砂礫石，成分為花崗巖，凝灰?guī)r、粉砂巖，距離壩址0.3～2.0km，儲量607.5萬m3。C1料場粒徑≥200mm含量2.74%；200～60mm含量17.65%；60～20mm含量31.94%；20～5mm含量23.71%；≤5mm含量23.97%，不均勻系數(shù)為37.2～109.6，曲率系數(shù)為3.12～6.34。壩殼料填筑設計時主要采用C1砂礫料填筑。

五一水庫工程自2009年3月開工建設，截至2014年3月，工程礫巖開挖利用料堆積于壩線及壩線下游東側階地平臺L1區(qū)、L2區(qū)兩個料堆，距壩線直線距離100～600m，儲量約有300萬m3左右。礫巖經(jīng)爆破均成松散砂礫石狀，其性質(zhì)與C1砂礫料料場相似。為了減少對環(huán)境的影響，盡可能的多采用利用料，開展了西域礫巖筑壩技術的研究。

2010年4月設計單位赴工地現(xiàn)場在開挖利用料堆積區(qū)取樣13組、導流洞出口取開挖料2組進行試驗。結果表明。開挖料粒徑≥60mm含量16.72%；60～20mm含量32.42%；20～5mm含量25.83%；≤5mm含量25.95%，不均勻系數(shù)為49.0～122.7，曲率系數(shù)為3.01～8.64。滲透系數(shù)8.6×10-2～9.1×10-3cm/s，含泥量4.1～8.7%。

2014年1月進一步在兩個利用料的堆放區(qū)L1區(qū)、L2區(qū)各取具有代表性14組料，在已填筑圍堰上取4組料，分別進行了顆粒級配組成、含泥量、滲透系數(shù)、化學成分、膠結成分、大型壓縮、碾壓前后顆粒級配變化等試驗，并委托大連理工大學進行壩體計算分析。

(1)通過以上利用料試驗表明：工程西域礫巖開挖利用料與C1砂礫石料場的母巖成分相似，顆粒級配、含泥量、滲透系數(shù)、物理力學性質(zhì)均相差不大，碾壓前后的顆粒級配、物理力學性質(zhì)也變化不大，兩個料場均能滿足壩殼填筑砂礫料的質(zhì)量技術要求。

(2)從大連理工大學進行的壩料靜力試驗結果表明：

①考慮了上游堆石體的濕化變形效應，滿蓄期壩體沉降最大為37.0cm，最大值位于壩體上游區(qū)域。大壩順河向向上游變形的最大值為7.3cm，向下游變形的最大值為4.6cm。由于大壩河谷非常狹窄，兩岸的約束作用明顯，滿蓄后大壩最大沉降僅為壩高的0.36%。

滿蓄期壩體主應力最大值出現(xiàn)在壩底中軸線附近，壩體大、小主應力最大值分別為1.28MPa和0.69MPa。計算結果合乎堆石壩的應力變形規(guī)律。

②滿蓄期，考慮水壓力、浮托力和濕化變形的聯(lián)合作用，心墻的順河向位移為6.0cm(向上游變形)，豎向沉降為32.0cm。心墻大主應力最大值為1.05MPa；小主應力最大值為0.75MPa。

滿蓄期，心墻大部分區(qū)域應力水平小于0.40，僅河床底部以及與兩岸山體連接部分的應力水平達到0.5左右。說明心墻應力水平不高，心墻不會發(fā)生破壞。

③正常運行遭遇地震的工況下，上、下游壩坡整體穩(wěn)定性具有一定的安全裕度。

綜合以上研究成果，五一水庫西域礫巖開挖利用料與C1砂礫石料場物理力學性能指標、碾壓前后的顆粒級配組成相差不大，濕化變形不大，滿足壩體填筑的要求，采用西域礫巖填壩是可行的。

4 西域礫巖筑壩施工要求

(1)西域礫巖巖石開挖料，按棄碴料和可利用料分別堆放，可利用的西域礫巖開挖料要求將表層坡積土、覆蓋層剝離至可用層為止，嚴禁在可利用料內(nèi)混雜廢渣料。西域礫巖開挖料中，泥質(zhì)膠結含量較高的巖石開挖料不宜填壩，混雜坡積土的利用料不允許填筑壩體。

(2)根據(jù)壩體功能及分區(qū)，開挖利用料要求設計相對密度Dr≥0.85，小于0.075mm含量不宜大于8%。滲透系數(shù)大于1×10-3cm/s，壓實后的容重大于2.0g/cm3。

(3)西域礫巖開挖堆積料，因人工拉運、傾倒、推碾，造成礫石在垂直方向上具有一定的分選性：靠上部礫石粒徑一般2～5cm，靠中部礫石粒徑相對較大，一般3～6cm，靠下部尤其是自坡腳向上2.5m左右，礫石粒徑5～8cm含量明顯增大，由于礫巖開挖堆積料是分期分段逐步堆積推壓而成，造成礫巖開挖堆積料在水平方向上也具有一定的不均一性。

(4)根據(jù)要求的級配，進行相應的級配試驗，嚴格控制利用料的料質(zhì)和顆粒級配，進行鋪料方式、鋪料厚度、振動碾的類型及重量、碾壓遍數(shù)、鋪料過程中的加水量、壓實層的相對密度和干容重等試驗。為了減少壩料分離，宜采用立面開采取料，或采取其他措施保持利用料的均一性和連續(xù)級配，卸料和鋪料后，檢查顆粒分離狀況及級配曲線，如發(fā)現(xiàn)顆粒分離情況，應分析原因，提出改善措施，保證利用料的均勻性。

(5)優(yōu)先使用質(zhì)量性質(zhì)較好的利用料片區(qū)，剔除含泥量較大、開挖堆積料分離嚴重的片區(qū)。開采過程中遇有比較集中的軟弱顆粒，應按棄料處理。

(6)應采取措施防止顆粒分離，卸料高度應加以限制，不允許從高坡向下卸料。

5 西域礫巖筑壩在各工程中的應用

通過以上試驗研究和計算，表明西域礫巖開挖料可大量用于壩體填筑，五一水庫工程壩體砂礫料填筑量為120萬m3，利用西域礫巖筑壩的方量為60.8萬m3，占壩體填筑量的50.7%。目前監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，大壩性狀良好。

小石峽水電站位于新疆阿克蘇地區(qū)庫瑪拉克河上，基巖巖性為第四系下更新統(tǒng)泥鈣質(zhì)膠結的礫巖夾少量砂巖。根據(jù)五一水庫的研究成果，盡量利用工程區(qū)的礫巖開挖料。壩體砂礫料填筑量為145萬m3，利用礫巖筑壩的方量約為50萬m3。

奴爾水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)策勒縣奴爾河中下游河段，基巖為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖，建筑物開挖的西域礫巖大部分用于了壩體填筑，西域礫巖開挖料的用量達38萬m3。

另外，西域礫巖開挖料筑壩還在新疆恰木薩水電站、莫莫克水庫等得到廣泛應用。

6 結語

西域礫巖廣泛分布于新疆塔里木盆地周邊、天山南麓和昆侖山北麓山前地帶，其性質(zhì)介于巖石與土之間。通過對西域礫巖的研究，工程區(qū)西域礫巖開挖料均可作為壩殼料。利用開挖料，具有就地、就近取材，減少棄料，少占或不占農(nóng)田等優(yōu)點，按壓實后的級配確定材料的物理力學指標，并應考慮浸水后抗剪強度的降低、壓縮性增加等不利情況，對軟化系數(shù)低的宜填筑在下游壩殼干燥區(qū)，水下部位和上游壩殼水位變動區(qū)應采用性能好的西域礫巖填筑。

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