砂巖、泥巖在貴州省興仁市響水水庫工程大壩上應用

張關會

（貴州中水建設管理股份有限公司，貴州 貴陽550002）

1 工程概況

貴州省興仁縣響水水庫大壩工程位于興仁縣潘家莊鎮夏溪村夏溪河上游河段。工程任務是煙地灌溉和農村人畜飲水，水庫總庫容129.7萬m3，水庫年可供水量136.3萬m3。水庫規模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要由擋水建筑物，泄洪建筑物、取水兼導流建筑物等組成。

初步設計通過技術經濟比較，結合壩址區的工程地質條件，選定擋水建筑物為面板堆石壩，壩頂高程1566.2 m，最大壩高45.7 m，壩頂長度124.27 m。

泄洪建筑物為右岸岸邊開敞式溢洪道，溢流凈寬10 m，堰頂高程。溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、消力池段組成，軸線總長169.1 m。

取水兼導流放空隧洞布置在左岸，取水口通過導流洞改造而成，導流兼取水放空洞長270.0 m，進口設置攔污柵和檢修閘門，出口設置放空、生態放空閘閥。

2 填筑料的選擇

響水水庫大壩為面板堆石壩，最大壩高45.2 m，壩頂長124.047 m，壩頂凈寬6.5 m，壩體總填筑量約25萬m3，壩址區5 km范圍內出露地層巖性為三疊系下統飛仙關組（T1f）灰綠、紫紅色泥巖、細砂巖夾泥質粉砂巖及少量凝灰質砂巖，泥巖、細砂巖為互層結構，通過鉆孔取芯試驗，區域內泥巖飽和抗壓強度在15.24 MPa～22.16 MPa之間，屬軟巖；砂巖樣飽和抗壓強度在39.85 MPa～46.87 MPa之間，屬中硬巖，泥巖砂巖石所在比例約為6∶4。

區域內距壩址區最近的硬質灰巖主要分布在直線距離5 km以外的罩陰潭一帶，分布于工程區東南面，公路距離約9.5 km，出露地層為T1yn灰巖，儲量豐富，可滿足本工程用量要求，通過鉆孔取芯試驗，巖體飽和抗壓強度30 MPa～60 MPa，為中硬巖，容重為26.98 kN/m3～27.08 kN/m3。公路距離約9.5 km，工程造價高。

初步設計階段為選定壩體填筑材料，對罩陰潭一帶T1yn灰巖堆石填料和壩址的軟巖填料進行造價分析，軟巖填筑單方價格為48.62元/m3，硬巖填筑單方價格為70.34元/m3，按照堆石料25萬m3計算，壩體填灰巖填筑料要比軟巖多543.0萬元，因此從技術經濟角度選定壩體主要填筑料為壩址區的三疊系下統飛仙關組（T1f）泥巖、細砂巖，混凝土砂石骨料及工程所需的硬巖從工程區東南面罩陰潭取料。

3 壩體設計

根據所選料場的石料屬性，借鑒國內已經建成的重慶魚跳、江西大坳、云南茄子山等軟巖筑壩工程的成功經驗，響水水庫工程大壩上下游壩坡均為1∶1.6，壩體由上游鋪蓋區、特殊墊層區、墊層區、過渡區、排水區、下游堆石區、大塊石護腳、下游坡面塊石護坡填筑組成，壩體分區見圖1。

圖1 壩體分區示意圖

3.1 特殊墊層料

特殊墊層料從罩陰潭料場開采，巖體飽和抗壓強度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設計級配要求，設計干密度2.2 g/cm3，空隙率小于16%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數10-4cm/s～10-3cm/s。

3.2 墊層料

特殊墊層料從罩陰潭料場開采，巖體飽和抗壓強度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設計級配要求，設計干密度2.1 g/cm3～2.15 g/cm3，空隙率小于20%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數10-4g/cm3～10-3cm/s。

3.3 過渡料

特殊墊層料從罩陰潭料場開采，巖體飽和抗壓強度30 MPa～60 MPa，通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設計級配要求，設計干密度2.1 g/cm3～2.15 g/cm3，空隙率小于22%，小于0.075 mm顆粒組含量4%～8%，滲透系數10-2cm/s。

3.4 排水區

排水區堆石料從罩陰潭料場開采后直接上壩碾壓，設計干密度2.2 g/cm3，空隙率小于22%，小于0.075 mm顆粒組含量小于8%，滲透系數10-2cm/s。

3.5 下游堆石料

下游堆石料采用弱風化砂巖、泥巖，巖體飽和抗壓強度22 MPa～60 MPa，設計干密度2.0 g/cm3～2.10 g/cm3，空隙率小于23%，小于0.075 mm顆粒組含量小于8%，滲透系數10-2cm/s。

4 碾壓施工

4.1 碾壓實驗

為進一步復核堆石料設計級配及填筑標準的控制指標和確定碾壓控制參數，在填筑之前根據大壩的填料分區和填料特性，分為兩個階段開展碾壓實驗，第一階段在壩上開展硬巖填筑的特殊墊層區、墊層區、過渡區、排水區生產性實驗，第二階段在軟巖料場完成砂泥巖填筑的下游堆石區實驗。

（1）特殊墊層區、墊層區、過渡區、排水區生產性實驗

特殊墊層區、墊層區、過渡區、排水區碾壓實驗在壩上開展，碾壓設備為20 t振動碾壓機，從碾壓試驗成果來看，碾壓實驗基本能滿足，也符合硬巖堆石壩的常規，通過碾壓實驗對碾壓參數進行修正，最終控制指標見表1。

表1 特殊墊層區、墊層區、過渡區、排水區壩體填筑參數

（2）下游堆石區碾壓試驗

下游堆石區碾壓試驗在軟巖料場堆料場進行，場地寬18.0 m，長23.0 m。通過對巖石比重測試填筑料比重的加權平均值為2.66 g/cm3。碾壓設備為20 t振動碾壓機，鋪料厚度按照90 cm控制，靜碾2遍、動碾2、動碾4、動碾6、動碾8、動碾10、動碾12、動碾14的碾壓順序挖坑檢測數據，試驗過程中，分別對靜碾2遍+動碾6、8、10、12遍時的試坑進行篩分試驗，小于5 mm的粒粒含量為2.79%～7.74%之間，小于0.075 mm的顆粒含量為0.12%～0.42%之間，滿足規范要求，碾2遍+動碾8遍時，干密度為2.05 g/cm3，對應孔隙率為22.9%，靜碾2遍+動碾10遍時，干密度為2.07 g/cm3，對應孔隙率為22.3%，靜碾2遍+動碾12遍時，干密度為2.08 g/cm3，對應孔隙率為21.9%，堆石料干密度隨碾壓遍數增加而增大，從碾壓12遍至14的檢測數據顯示，干密度和孔隙率增加量不大。從挖坑檢測的情況來，碾壓12遍后試坑內壁穩定、密實，無架空現象。

從沉降來看，靜碾2遍、動碾2、動碾4、動碾6、動碾8、動碾10、動碾12、動碾14遍所對應的沉降量為21 mm、39 mm、31 mm、19 mm、11 mm、5 mm、2 mm、2 mm，沉降隨碾壓遍數增加而減小，到碾壓12遍～14遍趨于穩定。

從碾壓前后填筑料檢測資料顯示，碾壓前800 mm～600 mm的粒徑含量在0～7.05%之間，碾壓8遍后含量為0；碾壓前600 mm～400 mm的粒徑含量在8.15%～13.99%之間，碾壓8遍后粒徑含量在0～8.5%之間，碾壓10遍后含量為0～7.5%，碾壓12遍后含量為0；碾壓前400 mm～200 mm的粒徑含量在13.08%～18.24%之間，碾壓8遍后粒徑含量在13.2%～15.55%之間，碾壓10遍后含量為10.75%～16.23%，碾壓12遍后含量為9.59%～14.48%，碾壓14遍后含量為8.77%～10.84%；碾壓前200 mm～100 mm的粒徑含量在14.43%～19.76%之間，碾壓8遍后粒徑含量在25.42%～29.38%之間，碾壓10遍后含量為25.59%～30.71%，碾壓12遍后含量為17.45%～19.24%，碾壓14遍后含量為17.66%～19.84%；碾壓前小于100 mm的粒徑含量在51.46%～56.06%之間，碾壓8遍后粒徑含量在46.57%～61.39%之間，碾壓10遍后含量為53.05%～63.67%，碾壓12遍后含量為66.6%～71.17%，碾壓14遍后含量為71.39%～72.89%之間。

通過對碾壓前后的數據對比分析，隨著碾壓遍數的增加大粒徑填料所占比重減少，碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加，填石料顆粒的變化符合試驗中堆石料在灑水和陽光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現象。

碾壓前后小于5 mm的粒徑含量在3.07%～3.91%之間，小于0.075 mm的粒徑含量在0.09%～0.22%之間，碾壓12遍后小于5 mm的粒徑含量在5.12%～6.01%之間，小于0.075 mm的粒徑含量在0.17%～0.25%之間，碾壓前后小粒徑有所增加，但是變化不大，小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結和泥化現象是一致的。

從碾壓前后填筑料的級配分析，碾壓后大粒徑的壩料與設計相比減小，小粒徑的含量比設計含量小。

圖2 下游堆區料前后顆粒級配曲線對比圖

圖3 下游堆區料設計與碾壓后顆粒級配曲線對比圖

根據碾壓實驗的成果，結合響水水庫的時間情況，最終下游堆石區的碾壓參數按照表2控制。

表2 下游堆石區的填筑參數

4.2 碾壓填筑

壩體填筑施工，裝料采用1.2 m3挖掘機裝料，采用20 t自卸車運輸運至工作面，采用SD160推土機鋪料，碾壓采用20 t振動碾，振動頻率為28 Hz，對于較狹窄部位和距離建筑物較近的部位，采用人工鋪料或機械配合人工鋪料、手扶式振動碾進行碾壓夯實。

壩料填筑按照碾壓實驗參數控制，墊層料每次鋪料層厚45 cm，靜壓2遍+強震碾壓8遍；特殊墊層料每次鋪料層厚22 cm，靜壓2遍+強震碾壓6遍；過渡料每次鋪料層厚45 cm，靜壓2遍+強震碾壓8遍；排水區每次鋪料層厚90 cm，靜壓2遍+強震碾壓10遍；堆石體料每次鋪料層厚800 cm，靜壓2遍+強震碾壓10遍，碾壓平行于壩軸線方向進行，碾壓行走速度為1.0 km/s～2.0 km/s，碾壓搭接寬度不小于0.3 m～0.5 m，在壩體與岸坡接觸部位及邊角區域，采用蛙式打夯機進行壓實，下游堆石區施工過程共檢測15個試坑，干密度為2.07 g/cm3～2.2 g/cm3，對應孔隙率為21.8%～22.3%，檢測數據均滿足控制指標的要求。

5 運行情況分析

響水水庫工程大壩自2017年3月開始填筑，于2017年10月25日封頂，2018年11月12日完工，于2019年4月15日開始蓄水，于2019年9月13水滿溢洪，水庫蓄水后大壩運行良好。從施工期至蓄水期觀測數據來看，內部沉降變形正常，符合大壩變形規律。

大壩沉降主要發生在施工期，最大的沉降量為16 cm，最大沉降發生在1551.00 m高程壩橫0+069.000 m斷面，響水水庫大壩沉降規律性較好，內部沉降過程特點和壩體填筑過程特點相符合，施工結束壩體沉降基本穩定趨勢，壩體沉降量與壩體設計估算的沉降量小23.4 m。1531.00 m高程和1551.00 m高程的沉降實測過程線見圖4和圖5。

圖4 1531.00m高程沉降過程線圖

圖5 1551.00m高程沉降過程線圖

通過壩體實測水平位移數據分析，壩體1531.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-0.84 mm（SE1）、0.22 mm（SE2）、3.38 mm（SE3）、2.76 mm（SE4）；1551.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-2.64 mm（SE5）、0.84 mm（SE6）、3.52 mm（SE7），與面板澆筑完成后位移量相比較，測點位移量呈減小趨勢，目前壩體水平位移呈基本穩定趨勢。可以看出，埋設在上游墊層料區測點SE1、SE5表現向上游方向位移，下游主堆石區測點SE2、SE3、SE4、SE6、SE7表現為向下游位移。壩體水平位于實測過程線見圖6和圖7。

圖6 1531.00m高程水平位移實測過程線圖

圖7 1531.00m高程水平位移實測過程線圖

從面板的監測數據來看，實測最大脫空、剪切位移量分別為-1.88 mm（TKJ2-1）、-1.77 mm（TKJ2-2），脫空及剪切量均較小，面板測縫計的面板縫開度均較小，實測數據最大值2.1 mm，符合對是堆石壩變形規律。

圖8 水庫初期運行照片

6 結論

（1）通過砂、泥巖筑壩在響水水庫大壩上實驗、生產及運行狀況分析，泥巖、砂巖互層的巖體結構作為堆石料在碾壓12遍后能獲得大于2.07 g/cm3干密度和22.3%的空隙率，水庫蓄水正常運行證明堆石料能滿足壩體承載和變形的要求。

（2）本工程泥巖飽和抗壓強度在22.16 MPa～15.24 MPa之間，屬軟巖；砂巖飽和抗壓強度39.85 MPa～46.87 MPa之間，屬中硬巖，泥巖砂巖石所在比例約為6∶4，能為軟、硬巖混合筑壩提供一定混合比例參考。

（3）通過對碾壓前后的數據對比分析，隨著碾壓遍數的增加大粒徑填料所占比重減少，碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加，填石料顆粒的變化符合試驗中堆石料在灑水和陽光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現象，碾壓前后小粒徑有所增加，但是變化不大，小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結和泥化現象是一致的。

（4）通過運行期監測資料分析，壩體沉降已呈基本穩定趨勢，響水水庫大壩沉降規律性較好，最大沉降量為16.0 cm，約為壩高的0.35%。

（5）響水水庫蓄水運行良好，說明泥巖、細砂作為主要的填筑壩料在響水水庫工程大壩上應用是成功的，響水水庫采用壩料設計分區、料場特性、碾壓參數等參數能為類似的工程提供一定的技術參考。