小井溝面板堆石壩軟硬互層砂巖筑壩施工技術

葉沙鋒，楊志勇，管依貴

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

小井溝水利樞紐工程位于全國50個最嚴重缺水的城市之一自貢市境內，是以城市供水為主、兼顧農業灌溉和環境供水等綜合利用的大型水利工程。項目建成后，將有效解決自貢市320多萬人口和1萬hm2耕地的供水與灌溉問題。壩址控制流域面積587 km2，總庫容1.659 5億m3，供水及灌溉設計引用流量為10.0 m3/s，設計灌溉面積9 706.67 hm2。攔河壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線全長263.00 m，最大壩高87.60 m，壩頂寬8.00 m。上、下游壩坡均為1∶1.4。

大壩堆石料采用下游蚱蜢寺石料場爆破開采的弱風化或新鮮砂巖，料場分布高程365～520 m，地形順南北向呈11°～14°斜坡(與巖石層面基本一致)，順坡長700 m、寬150～200 m，平面面積0.112 km2，大多為林地；其西側為高約10 m的陡崖、東側為斜坡。料場除陡崖部位基巖裸露外，大多覆蓋0.5～1 m土層?；鶐r巖性為J1z厚層塊狀砂巖與泥巖互層(上部主要為砂巖)，巖層產狀N50°～70°E/SE∠10°～14°。巖體中發育一組產狀為N42°W/NE∠81°裂隙，但稀少，間距大于3 m。有用層為弱風化及新鮮巖石。

料場巖性從上至下分為：①層為灰黃色砂巖，細粒結構為主，少量為中粗粒，厚層～塊狀構造。據磨片鑒定，砂巖以孔隙式膠結為主，次為接觸式；該層分布于整個料場上部，平均厚度10.8 m。②層為青灰色砂巖。細粒結構，厚層構造。據磨片鑒定，砂巖以孔隙式膠結為主，少量接觸式；碎屑物含量為77%(其中長石占69%、巖屑占8%)，膠結物含量為23%(其中泥質占13%、硅質占8%、綠泥石占1%、鐵質微量)。厚度為2.14～5.8 m，分布于整個料場①層砂巖之下，從坡下至坡上厚度變小。在蚱ZK1鉆孔底部分布有軟砂巖夾層(R3)，厚0.1～0.2 m，呈透鏡體狀分布。③層為粉砂質泥巖，紫紅色。蚱ZK3號孔揭示最大厚度為9.15 m，(未揭穿)。該層分布于料場下部。

該料場巖石飽和抗壓強度在14.2～52.8 MPa之間，平均值為29.7 MPa，軟化系數0.37～0.87，平均值0.58。試驗過程中發現：垂直于巖層方向取芯飽和抗壓強度和軟化系數較高，平行于巖層方向取芯飽和抗壓強度和軟化系數較低；且存在同一部位不同深度、不同部位同一深度巖石飽和抗壓強度和軟化系數不均，為特殊的不等厚分布軟硬互層砂巖(軟巖占比45.7%、硬巖占比54.3%)，具有軟巖的特性。同時，料場為南北向的斜坡大面積表層開采(上部2層滿足壩料質量要求，開采厚度僅為14.94～18.84 m。)，有別于傳統的石料場自上而下的開采方式。具有爆破級配不均、軟巖量大且難以分離、易碎(碾壓后表層破碎率高)的特殊特性。因此，采用傳統料場爆破方法難以滿足設計級配要求，主堆石區中將存在部分軟巖，對壩體排水產生較大影響；需結合現場爆破試驗和碾壓試驗，綜合研究此類特殊不等厚分布軟硬互層砂巖的特性及其在工程中的應用。

表1 軟硬互層砂巖堆石料前期爆破試驗主要參數

說明：由于料場表面為斜坡面開采，故孔深為7～9 m。

2 現場爆破試驗

根據料場地質情況，結合類似工程爆破經驗，前期采用了不同孔徑、間排距、炸藥單耗、藥卷直徑、堵塞長度、起爆方式進行了相關的爆破試驗，試驗參數見表1。

顆粒分析結果表明：小于5 mm的顆粒含量在19.2%～27.6%，主要分布于開采面下部；超徑比例在10.5%～21.6%，主要分布于開采面表層和中部；整體呈小于5 mm和大于200 mm粒徑偏多，中間級配偏少的斷級配料，各次爆破試驗均無法滿足設計級配要求，且超徑石處理量大。其原因分析如下：

(1)料場巖石為厚層～塊狀構造。其不同部位地質結構差異性較大，巖石層理、節理裂隙發育；且分布有夾層，巖性極不均一，相變劇烈。爆破時，爆破能量沿著堵塞段下部巖石層理、節理裂隙散失，爆破能量未有效作用于表層巖體，僅將表層巖石提前拉裂，當下部能量傳遞至表層時僅能產生拉裂和少量擠壓，致使爆破面表層2 m左右存在大量的超徑石；同時，中下部存在裂隙能量散失部位形成大塊石，無裂隙部位細顆粒偏多，是造成爆破級配分布不均的最主要原因之一。

(2)根據多次巖石顆粒密度試驗，密度值在2.511～2.694 t/m3范圍內，料場內不同分區、不同部位及同一部位不同深度的巖石飽和抗壓強度和軟化系數均相差較大。這充分表明該料場石料為砂巖軟硬巖互層結構。爆破能量一致時，強度高的部位易形成大塊石，強度低的部位反而細顆粒偏多。

(3)巖石分布特殊。常規的石料場開采從上至下巖石會隨著埋深的增加而逐漸變好。但蚱蜢寺料場根據開挖揭示的巖層分布情況顯示，表層存在約2 m的硬蓋、中部分布有1～3層泥巖無用層，總體上呈現斷面中上部巖石強度高于中下部巖石。即上硬下軟，與常規的石料場上軟下硬分布相反，與爆破能量分布不符。

(4)地形特殊。常規的料場一般為從上至下等厚度爆破開采，而蚱蜢寺料場地形為地形順南北向呈11°～14°斜坡(與巖石層面基本一致)，順坡長700 m、寬150～200 m，開采厚度在18～27 m之間，為斜面的薄層開采。爆破作業時，為保證爆破作業后挖裝作業能夠在平面上進行，孔深只能隨著地形逐漸調整，會對產生爆破效果一定影響。同時，爆破孔鉆孔時，發現大量爆破孔孔底有層間裂隙滲水。等到裝藥時，孔內地下水會逐漸上漲；裝藥后孔內藥卷與孔壁之間多已充填滿地下水，爆破時地下水抵消了一部分爆破能量，降低了爆破能量對巖石的破碎效果，造成爆破單耗增加。

針對上述情況，在咨詢石料場爆破開采方面擁有豐富經驗的地質專家和爆破專家后，決定在前期已有試驗成果的基礎上增加了以下專項措施：

表2 蚱蜢寺料場增加措施后爆破試驗參數設計

圖1 軟硬互層砂巖堆石料爆破試驗顆粒分布曲線

(1)鉆孔時，安排專業技術人員對鉆孔速度和孔內反渣情況進行統計分析，初步判明該部位大致的巖性分布、裂隙情況，并據此調整初擬的爆破參數。鉆進速度快，表明巖石強度低；反之，則高。然后，根據取得的巖性分布調整裝藥結構和藥卷分布位置，巖石軟弱部位減少裝藥量；反之，則加大裝藥量，并采取間隔裝藥，使得藥卷能量盡量與巖層分布匹配。裂隙發育部位和地下水豐富部位加大裝藥量，對因裂隙散失和地下水抵消的爆破能量進行補強。

(2)在梯段爆破的主爆孔間增加輔助淺孔，孔深1.2～1.8 m，孔內裝φ32藥卷與主爆孔同時起爆，解決表層大塊率；在輔助孔布孔時，注意盡量避開明顯的裂隙部位。

(3)將常規的藥柱中下部的非電毫秒延時雷管調整至藥柱中上部，讓上部藥柱與中下部藥柱同時起爆，減少能量在中上部傳遞時間，降低爆破能量損失；從而增加爆破能力對中上部巖石的破碎效果。

(4)在爆區周邊條件允許的情況下，盡量減少爆破孔的堵塞長度，將堵塞長度調整至0.8～1.2 m，增加作用于表層巖石的爆破能量。選取含水量相對較大的粘土與鉆孔時產生的孔口殘渣混合摻拌，作為堵塞材料，增加堵塞材料與孔壁的摩擦力；從而增加堵塞質量，減少爆破能量的損失。

(5)盡量采用2號巖石硝銨炸藥，孔內有水部分采用2號巖石乳化炸藥，其余采用2號巖石硝銨炸藥，增強孔內炸藥爆力；調整裝藥結構，將原有的間隔不耦合裝藥，調整為連續耦合裝藥，減少藥柱與孔壁間的空隙，使爆破能量能夠直接作用于巖體。

通過采取上述措施后，進行了爆破試驗，試驗參數見表2。

由顆粒分布曲線(見圖1)分析可知，小于5mm含量在10%～15%之間，靠近設計上包線，10～200 mm級配偏少，靠近下包線，但其整體曲線在設計要求包線范圍內，符合設計要求。

3 現場碾壓試驗

3.1 碾壓設備選型

考慮到砂巖在較高激振力作用下可能會產生過度顆粒破碎，為了達到最佳壓實效果，在對比類似工程不同噸位振動碾的破碎率、綜合考慮后，振動碾分別采用20 t和25 t自行式振動碾試驗，得激振力分別為350 kN和430 kN，試驗結果見表3。

試驗結果表明，25 t振動碾明顯優于20 t振動碾，故后續試驗全部采用25 t振動碾。

表3 振動碾對比試驗成果

3.2 試驗組合

根據類似壩體填筑料現場碾壓試驗研究和填筑施工經驗、結合現場試驗場地條件，通過現場試驗最終形成了2種鋪土厚度、5場碾壓試驗的組合，且第5場為對滲透系數的復核試驗。具體情況見表4。

表4 碾壓試驗參數組合統計

3.3 試驗方法

試驗前通過控制最大粒徑方法在取料場對試驗料進行試驗前的顆粒分析，確定試驗材料原級配，并選取具有代表性的巖石樣品進行顆粒密度試驗；填筑時采用后退法卸料及攤鋪；碾壓時采用進退錯距法振動碾壓；沉降測量采用水準儀進行高程測量，采用試坑灌水法進行干密度檢測并進行碾壓前后顆粒分析，采用水準儀進行表面沉降測量。

4 軟硬互層砂巖指標

為深入研究軟硬互層砂巖特性，在碾壓試驗過程中對其進行了多種指標的綜合性研究。

(1)顆粒密度試驗。在現場進行碾壓試驗的同時，在室內進行了顆粒密度試驗，共計18組。試驗成果表明，顆粒密度范圍在2.51～2.69 g/cm3之間。該料源巖性不均，孔隙率計算時，存在一定的波動范圍。顆粒密度試驗成果見表5。

表5 軟硬互層砂巖堆石料顆粒密度 g/cm3

(2)最大密度。對軟巖料現場顆粒級配情況及設計級配包絡線上包線、下包線、平均線分別進行了室內擊實試驗，分析出三種級配的最大干密度及最優含水率成果(見表6)。

表6 室內擊實試驗成果

(3)干密度。不同鋪料厚度、碾壓遍數下的干密度曲線見圖2。從圖2可知，在同一碾壓遍數下，壓實干密度隨鋪土厚度的減小而增加。在同一鋪料厚度下，壓實干密度隨著碾壓遍數的增加而增加，趨勢較為明顯，說明增加碾壓遍數將顯著提高壓實干密度。在同一鋪料厚度和相同碾壓遍數時，灑水碾壓的干密度反而低于不灑水碾壓的干密度，結合現場情況分析，其原因為：加水后，表層含水量較高，振動碾碾輪表面粘有一層較細的石渣料，影響其壓實效果，加水后碾壓效果較差。

圖2 干密度試驗成果

(4)孔隙率。孔隙率成果曲線見圖3。從圖3可知，在相同碾壓遍數下，孔隙率隨鋪土厚度的減小而減小。在同一鋪料厚度下，孔隙率隨碾壓遍數增加而減小。在鋪料厚度為100 cm時，灑水碾壓后的孔隙率優于不灑水碾壓的孔隙率；而在鋪料厚度80 cm時，不灑水碾壓的孔隙率優于灑水后碾壓的孔隙率?？傮w無規律可尋，分析其原因為：料源巖性不均，顆粒密度存在波動，影響孔隙率計算結果；孔隙率對軟硬砂巖堆石料碾壓遍數變化的評價分析又存在不確定性?？紫堵试囼灣晒治霰砻?，鋪土厚度越薄，孔隙率越容易得到降低，符合設計期望的最優壓實效果。結合其他施工參數，軟硬砂巖堆石料鋪料厚度采用80 cm不灑水較為合理。

圖3 孔隙率試驗成果

(5)顆分試驗。根據現場顆分試驗成果分析，填筑前小于5 mm粒徑含量平均值為19.1%，碾壓后小于5 mm粒徑含量平均值為25.8%，小于0.075 mm粒徑含量碾壓前后無顯著變化。結合現場情況分析，軟硬巖堆石料在運輸、攤鋪、碾壓過程中均存在一定程度的破碎，碾壓后級配會超出傳統經驗包線范圍，宜采用料場爆破后上壩前的級配進行控制。

(6)滲透試驗?，F場原位滲透試驗的滲透系數成果曲線見圖4。從圖4可知，在同一鋪料厚度的條件下，滲透系數與碾壓遍數成反比。即，隨著碾壓遍數的增加滲透系數減??；隨著鋪料厚度的減小，滲透系數有降低的趨勢；滲透系數總體偏小。結合現場情況分析其原因可能為，碾壓后表面存在一層的破碎板結層，該層細顆粒含量較高，影響其垂直滲透。

(7)為準確掌握軟硬巖碾壓后真實的垂直滲透和水平滲透情況，在原有成果基礎上分別采取挖除表面20、30、40 cm和50 cm進行滲透試驗(見圖5)。試驗結果分析表明，在鋪料厚度為80 cm情況下，25 t振動碾碾壓8、10、12遍后在表層下挖20、30、40 cm后滲透系數均不能滿足堆石料排水需要，在表層下挖50 cm后滲透系數能夠滿足堆石料排水需要。壓實后的滲透系數在試坑深度相同時隨著碾壓遍數的增加而呈現隨機分布趨勢，出現這種現象的原因為，因堆石料顆粒級配的特殊性，不同的試坑最大粒徑及顆粒級配存在不均一性；而壓實后的滲透系數有隨著與試坑深度的增加呈現增大的趨勢，從這個趨勢來看，由于該堆石料強度較低，碾壓時破碎率較大，尤其是表層隨著碾壓遍數的增加而破碎率進一步增加，在表層形成一層密實層，上部較下部密實，因此滲透系數隨著試坑深度的增加而增大。

圖5 滲透系數補充試驗成果

5 軟硬互層砂巖堆石料填筑施工

(1)設計指標。根據現場碾壓試驗研究成果，結合壩體協調變形和穩定需要，最終確定壩體堆石料技術要求為：碾壓后壓實干密度不小于2.07 t/m3，以控制施工參數為主；上壩前石渣料小于5 mm含量不宜超過15%，最大粒徑不超過60 cm，中間級配應連續，鋪料應避免粗細顆粒集中攤鋪，不能有架空或集中凸起[1]。同時，針對用于壩體填筑的堆石料滲透系數不能滿足壩體排水需求的實際情況，在壩體內增設了“L型排水體”，排水體厚度為5 m，左右岸全斷面布置，以解決壩體排水問題。

(2)施工參數。在分析試驗成果的基礎上，結合設計指標要求，綜合考慮經濟性，確定了極軟砂巖筑壩材料的碾壓施工參數：碾壓設備采用25 t自行式振動平碾，激振力采用430 kN，振動碾壓行駛速度為2.0 km/h，碾壓遍數10遍，鋪料厚度80 cm。利用軟硬互層砂巖天然含水率進行填筑[2]。

(3)施工質量。根據確定的設計指標的要求，嚴格按照施工參數進行堆石料填筑施工，完成了118層堆石料填筑，共計完成堆石料填筑約140.43萬m3。經現場質量檢測，壓實后干密度為2.07～2.15 t/m3，平均2.09 t/m3，滿足設計干密度指標要求。試坑觀察顯示，坑壁結合緊密，粗細顆粒分布均勻，無明顯架空。施工過程嚴格按照碾壓試驗確定的施工參數控制，根據檢測結果和過程參數控制記錄，堆石料填筑施工質量滿足設計指標要求。

6 壩體運行情況

小井溝水利樞紐工程面板堆石壩于2013年1月20日開始填筑，2014年7月31日完成填筑，2015年2月28日成功下閘蓄水，截止到2017年11月底已運行33個月。

壩體外部觀測墩觀測資料顯示，施工期大壩壩頂累計沉降量1.55～3.82 cm、月均沉降量0.08～0.61 cm，蓄水初期大壩壩頂累計沉降量2.73～15.77 cm、月均沉降量0.07～0.55 cm；累計總沉降量2.73～19.59 cm。壩體內部水管式沉降儀觀測數據顯示，施工期累計變化量33.71～54.54 cm、蓄水期累計變化量2.37～8.00 cm，累計總變化量為39.41～61.21 cm。壩體總體趨勢為前期沉降幅度大，蓄水后沉降量減小逐步趨于穩定。

壩體內部鋼絲水平位移計高程371.6 m施工期累計變化量-3.56～12.01 cm(+表示向下游移動，-表示向上游移動)，蓄水期累計變化量-1.93～0.20 cm，累計總變化量-3.904～11.7 cm；高程401.6 m施工期累計變化量-1.93～13.5 cm、蓄水期累計變化量-1.86～1.95 cm，累計總變化量-3.79～15.45 cm。壩體及右岸邊坡的總體變化趨勢為向下游移動，蓄水初期變化量相對較大，后期逐步趨于穩定。

壩體外部觀測墩觀測數據顯示防浪墻(壩頂)左右岸蓄水初期累計位移量-5.6～1.9 mm(負為向左岸移)、月均位移量-1.1～0.4mm，壩后坡(壩頂)蓄水初期左右岸當前累計位移量-41.6～22.5 mm、月均位移量-2.3～-0.6 mm，壩后坡(高程401.6 m)蓄水初期左右岸當前累計位移量-33.8～12.9 mm、月均位移量-2.1～0.5 mm，壩后坡(高程371.6 m)蓄水初期左右岸累計位移量-6.2～-2.0 mm、月均位移量-1.9～1.8 mm。壩頂429.4 m高程及401.6 m高程大部分觀測墩向左岸位移且位移變化量從左至右依次增大；371.6 m高程馬道在水位420 m高程附近出現左岸觀測墩向左岸位移、右岸觀測墩向右岸位移現象；壩體總體趨勢蓄水初期變化量相對較大，后期逐步趨于穩定。

目前，大壩蓄水最大高程為420.0 m，自2016年2月28日至今量水堰板出水量為0.25-2.02 L/s。這說明壩體內部排水體上下通暢，工作狀態良好。

[1] SL 274—2001 碾壓式土石壩設計規范[S]．

[2] 水利電力部水利水電建設總局主編.水利水電工程施工組織設計手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2001．

[3] SL 237—1999 土工試驗規程[S]．

[4] 蔣濤, 付軍, 周小文.軟巖筑面板堆石壩技術[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2010．

[5] DL/T 5116—2000 水利水電工程碾壓式土石壩施工組織設計導則[S]．

[6] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規范[S]．