礫巖料在魁龍水庫大壩工程中的研究應用

張全意，蔡 平，曾 旭

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

魁龍水庫工程位于貴州省余慶縣境內，水庫正常蓄水位630.00m，總庫容1152萬m3，屬中型水庫，主要任務是為縣城和工業園區供水，年供水量1170萬m3/a。水庫樞紐工程主要由混凝土面板堆石壩、豎井旋流泄洪洞及取放隧洞等建筑物組成。大壩于2013年11月開始填筑，2014年10月填筑完成，2016年5月下閘蓄水投入運行。

壩址區附近分布地層主要為第三系(E)礫巖，其物質成分多樣，為機械式膠結，巖性均一性差，韻律性明顯，存在軟化、崩解、離散現象，整體含泥量大于10%，飽和抗壓強度15～20MPa，屬軟巖料，弱風化巖體屬CⅢ類。而硬巖料分布較近的位于壩址東部，距離約10km，巖性為∈1q灰色厚層至塊狀灰巖、白云質灰巖，飽和抗壓強度大于40MPa，巖質堅硬，抗風化能力強，巖石質量較好。

針對工程區附近天然建筑材料分布及質量、儲量和對外交通條件等因素，大壩填筑材料經選擇“軟巖+部分硬巖料”“全部硬巖料”兩種結構設計方案進行技術經濟比較后，采用“軟巖+部分硬巖料”設計方案，即墊層區、過渡區、豎向及橫向排水區料采用灰巖料，其余堆石區為礫巖料，壩體填筑總量約60萬m3，其中灰巖料20萬m3、礫巖料40萬m3。

2 大壩結構設計

大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高58.5m，壩頂寬7.0m，壩頂長190.0m，壩頂高程633.50m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡綜合坡比1∶1.56，最大壩底寬170.66m。上游采用0.45m等厚防滲混凝土面板，面板后分別設置水平寬3.0m墊層和水平寬4.0m過渡層，過渡層后在高程626.00～583.00m之間設置水平寬4.0～11.20m的豎向排水區，河床583.00m高程以下設水平排水區，豎向排水區后和水平排水區以上為堆石區(采用礫巖料填筑)，下游壩面采用混凝土預制塊護坡。面板周邊與趾板相接，趾板厚0.50m，寬5.0～4.0m，置于弱風化層上部巖基上，設φ25錨筋與基巖連接，錨入基巖4.0m，間距1.5m，趾板基礎采用固結灌漿和帷幕灌漿。面板和趾板采用C25混凝土，設單層雙向鋼筋，水平向配筋率為0.3%，豎向配筋率為0.45%。根據現場碾壓試驗數據，壩體各分區材料填筑要求和特性指標見表1。大壩剖面設計圖如圖1所示。

(1)墊層區，采用灰巖骨料，鋪筑層厚0.5m，最大粒徑80mm，粒徑小于5mm的含量宜為30%～50%，小于0.1mm的含量宜控制在8%左右，壓實后應具有內部滲透穩定性、低壓縮性、高抗剪強度，干容重2.20t/m3，孔隙率15%，滲透系數為1×10-3～10-4cm/s。

(2)過渡區，采用灰巖料，鋪筑層厚0.5m，最大粒徑300mm，且級配連續，壓實后應具有低壓縮性、高抗剪強度、自由排水性能，干容重2.15t/m3，孔隙率18%，滲透系數>1×10-3cm/s。

表1 材料分區特性表

大壩剖面設計圖

表2 礫巖物理力學指標表

(3)排水區，壩體過渡區后豎向排水區和河床583.00m高程以下水平排水區，均采用灰巖料，鋪筑層厚1.0m，最大粒徑為800mm，壓實后應能自由排水、有較高的壓實密度和變形模量，干容重2.1t/m3，孔隙率22%，滲透系數>1×10-2cm/s。

(4)堆石區(干燥區)，采用礫巖石料，鋪筑層厚0.6m，最大粒徑500mm，壓實后具有較低的壓縮性和一定的抗剪強度，干容重2.15t/m3，孔隙率19%，滲透系數>1×10-4cm/s。

3 大壩結構分析計算

針對大壩填筑材料分區設計，其堆石區為礫巖，巖性均一性差，抗壓強度低，存在軟化、崩解、離散現象，整體含泥量大于10%(超過規范要求)。對礫巖料開展了室內大型三軸試驗工作，其礫巖主要物理力學指標見表2。結合相關試驗數據，壩體堆石區分別利用強、弱風化礫巖料填筑的情況下，對大壩應力應變、位移及壩坡穩定等采用三維有限元進行分析計算。

3.1 計算參數

(1)混凝土材料參數

混凝土面板與趾板按線彈性模型考慮，其彈性模量、泊松比和密度分別為：E=28GPa，μ=0.167，ρ=2.40g/cm3。

(2)堆石料參數

墊層料、過渡料和排水區料的材料參數參考同類工程成果選取，礫巖堆石料參數選用平均線級配、密度2.12g/cm3時的三軸試驗結果作為基準方案選取，各材料參數見表3。

表3 壩料的雙屈服面模型參數

表4 接觸面模型參數

(3)接觸面參數面板與墊層間無厚度接觸面單元模型參數見表4。

3.2 分析計算結果

根據壩體填筑材料分區設計和巖石的實驗指標，按大壩填筑質量控制指標要求，對堆石區采用強、弱礫巖風化料填筑兩種條件下進行三維有限元分析計算，其大壩變形與應力特征值、壩坡穩定安全系數見表5。

從表5數據可知，堆石區在分別采用強、弱風化礫巖料兩種條件下，壩體和防滲體的應力變形指標均未發生明顯變化。壩體順河向位移最大值12.7cm，最大沉降值42.3cm，占壩高的0.72%，壩體的主應力和應力水平變化較小。面板最大壓應力2.66MPa、最大拉應力0.97MPa，其位移和撓度值均較小，均未超過混凝土材料的抗壓和抗拉強度。面板周邊縫的最大剪切、沉陷和張拉量分別為4.4、27、15.7mm；垂直縫的張拉變位量3.0mm，均在設計止水材料的變形允許值內。上、下游壩坡的穩定安全系數兩種組合條件下均大于規范規定的最小安全系數1.25。

根據上述三維有限元分析計算成果，壩體堆石區可采用強、弱風化礫巖料填筑，施工中降低了料場的開采強度，加快施工進度，并可充分利用樞紐區的開挖料，減少棄渣量及渣場征地，節省工程投資，減輕了工程施工對周邊環境的影響。

4 大壩安全監測

根據SL551—2012《土石壩安全監測技術規范》的要求，針對本工程大壩堆石區填筑材料的特性，為了及時掌握大壩在施工期和運行期各工況下的安全情況，對大壩外部變形，壩體內部垂直和水平位移，面板垂直縫、周邊縫，壩體滲水量等布設相關觀測設備進行監測。大壩施工期至運行期監測成果見表6。

表5 堆石區(礫巖料)不同風化程度時的主要計算結果表

表6 施工期至運行期大壩監測成果表

從表6中監測數據可知，大壩垂直最大累積沉降量36.69cm(其中施工期28.38cm，蓄水運行期8.31cm)，為壩高的0.63%。壩體內部水平位移值為1.82～5.78cm，基本表現為向下游方向，水庫蓄水后，堆石體水平位移計變化量均較小。面板相對趾板的開合、剪切、沉降位移量無突變等異常現象，周圍邊縫變化基本正常，面板相對趾板開度基本呈現閉合趨勢，最大開度1.01mm，最大閉合值-2.26mm。面板混凝土兩向應變基本為壓應變，最大總壓應變值-196.26με，變化量在14.24～112.3με之間。面板脫空變形量0.0～7.18mm、剪切變形值-0.91～1.72mm，水庫蓄水后的累積變形量及變化量均較小，表明脫空計測點附近面板與擠壓邊墻未發生明顯脫空。大壩蓄水至正常蓄水位630.00m，下游量水堰滲漏量在0.70～2.30L/s之間，且量水堰流量水位變化平緩，量級較小。

通過大壩施工期和運行期觀測成果分析，大壩變形值在正常范圍內，且已趨于穩定；水庫蓄水后面板豎直縫及滲壓計測值未見明顯變化；面板周邊縫開合、沉降方向位移量較小，測值基本穩定；壩基滲透水位與下游壩腳水位基本一致，蓄水期左、右岸趾板無明顯滲漏情況。

5 結語

魁龍水庫大壩堆石區主要利用就近礫巖料填筑，經大壩施工期及蓄水運行期安全監測成果資料分析，與前期“壩體筑壩材料試驗及三維有限元分析”計算成果基本一致，其力學性質滿足壩體強度和變形要求，大壩結構設計合理，水庫大壩運行安全，為同類建設條件下混凝土面板堆石壩設計提供借鑒作用。但由于礫巖的物質成分多樣化，并多為機械式膠結，其巖性均一性差，韻律性明顯，存在軟化、崩解、離散現象，且整體含泥量大，滲透性差，抗壓強度低，適宜作為壩體干燥區的填筑材料，并須作好礫巖料堆石區前緣豎向和低部水平排水等措施的結構分區設計。