株树桥面板堆石坝建设中几个问题的探讨

余子丹

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

株树桥面板堆石坝采用软弱岩石筑坝，将当地材料坝的优势发挥到极致；采用贴坡面板，试图构建完整的面板防渗体系，这些设计思想都具有原创性。但限于面板堆石坝发展初期认识的不彻底性，瑕疵在所难免。本文拟对该坝的坝体、坝肩变形和垫层作用问题，采用工程施工数据，对照《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-98）（以下简称《规范》）进行分析讨论，试图找出成因并提出规避措施，以期有所启示与借鉴。

1 软岩筑坝变形问题

株树桥面板坝坝体变形较大，最大沉降达到1449mm，为最大坝高的1.86%，超出一般范围。过大的变形不仅对混凝土面板、下游坝坡和坝顶L墙稳定影响明显，同时导致两岸周边缝变形，造成止水破坏，引发大坝渗漏。

1.1 软岩筑坝过大变形机理

限于工程建设条件，株树桥面板堆石坝就地取材，采用软弱岩石板岩作为次堆石区填筑料。这类板岩的饱和抗压强度为（25～10）MPa，其中强风化板岩的抗压强度为10MPa。在（0.4～0.8）MPa压力下，微分化板岩干密度为（1.76～1.78）g/cm3时相应的压缩模量为23MPa上下（表1）。

表1 株树桥工程岩石压缩实验成果表

表2列出了几种软岩抗剪强度中线性指标φ（°）的比较结果。同是采用软岩作为次堆石坝料，株树桥采用软岩的φ值最低。

表2 同类工程软岩抗剪强度指标比较表

从物理力学指标可以看出，株树桥面板坝次堆石区软岩的岩性较差。对照《规范》中软岩作为筑坝材料规定的饱和单轴抗压强度30MPa的界限和较低的压缩性的要求存在差距，这种差距是大坝产生过大变形的重要机理。断面中强风化板岩料填筑高度从（125～162.5）m达37.5m，是大坝沉降量异常的主要原因。然而正是株树桥的筑坝实践，为《规范》将软岩作为一种筑坝材料作出的规定提供了现实的依据。

1.2 软岩筑坝变形控制措施

表1列出的板岩部分压缩实验成果还表明：不同类型的岩石，尽管干密度相近，但压缩模量不同，甚至差别较大。《株树桥水电站面板堆石坝石料补充实验综合报告》指出：“压缩变形的大小与岩石的刚度有关，板岩刚度小于灰岩，故压缩变形比灰岩大”。这里的“刚度”应是指抗压强度。这些实验客观地反映了压缩模量与岩性相关的本质。

值得注意的是，株树桥大坝填筑过程中，控制填筑质量的主要指标是干密度。施工中对强风化板岩填筑区的23个抽样中，最大干密度为2.22t/m3，最小为2.02t/m3，平均为2.13t/m3均超过设计指标，而对压缩模量没有提出要求，有控制措施上的缺失。

笔者认为针对株树桥的情况，施工中对板岩干密度进行控制的同时，要对其风化程度即单轴抗压强度提出更高的要求；而对强风化板岩提出饱和抗压强度的下限指标是控制大坝变形的有效措施。

2 坝肩变形问题

2.1 坝肩产生变形的机理

株树桥面板堆石坝右岸坝段中的L12（桩号0+ 135～0+144）为填筑料上的面板，L13（桩号0+144～153）为贴坡面板。从开挖图上查到，在高程117.0m处，0+130的填筑料厚度为 7.5m，0+140为 3.8m，0+ 150为0，填筑厚度呈直线变化。据此推算，L12面板下的填筑厚度在（5.6～2.2）m之间。在面板0+135～0+ 150区间趾板顶高程在（109.5～117.0）m之间，表明越靠近趾板，面板下的填筑厚度越小。由此可知，L12面板被敷设在一个左大右小，上大下小梯形锲状的填筑料上。相似的情况也出现在左岸贴坡面板L0与填筑面板L1之间。尽管面板L1的敷设条件好于右岸，从（96.0～148.0）m高程填筑料厚度均为4.2m，但却成了大坝面板渗漏破坏的首要部位。

究其原因是株树桥面板堆石坝在筑坝中对于坝肩稳定的处理存在不足：一是对贴坡面板运用的认识不足。面板L1实际敷设在下部为光面岩石的“夹心饼干”上。有资料表明：“堆石与光滑岩面的抗剪强度小于堆石间的抗剪强度，堆石与岩板的内磨擦角比堆石的小8度”。与河床部位填料上的面板比较，面板L1稳定性更差。二是周边缝特殊垫层区施工存在缺陷。首先在面板周边缝处岩石基础坡面到填筑料坡面的过渡区，存在填筑料厚度较小和突变现象，有发生不均匀沉降的诱因。其次异形填料区采用常规施工方法，填料密实度难以达到设计要求，极易产生超过常规的变形。这可以从对L12、L13的原观测数据上得到佐证。J2观测点测得的变形量一直较大。在渗漏除险工程初步完成不到两年内，面板L12底周边缝处又出现面板变形、止水拉裂，渗漏量重新增大的情况，直到采取特殊填料加固措施后才趋于稳定。

现行混凝土面板堆石坝施工规范（DL/T5128-2001），对“周边缝下特殊垫层区应人工配合机械薄层摊铺”，有每层填料摊铺厚度不超过20cm、采用振动平板、小型振动碾、振动冲击夯等机械压实的具体要求。限于当时的认识与条件，株树桥工程未对此作特殊处理。同时受地形等条件限制，周边缝处的填筑料压实密度可能比其它部位的指标还要低些。

2.2 减小变形的控制措施

综上所述，要有效减少坝肩变形应特别重视两岸的地形地质条件，当条件不符合要求时，应采取开挖、修补等工程措施，达到渐变的要求。同时在施工中采用合适的级配填筑料，采用特殊碾压工具及方法，提高其压实性是减少坝肩变形的有效途径。

3 对垫层料作用的看法

对株树桥面板堆石坝填筑的垫层料，学界存在不同的看法。有人认为：大坝垫层料中小于5mm颗粒含量仅为25.1%，最大也只有29.4%，相应渗透系数均值为6.18×10-2cm/s，达不到半透水性（10-3～10-4）cm/s的要求，因此垫层不能起到第二道防线作用。另有意见认为：大坝垫层料的Cu>40，Cc=1～3，是级配良好的材料。粗细粒组符合层间系数要求满足内部渗透稳定条件，属于非管涌土。但在较高水压力作用下，仍然可能发生渗透破坏细料流失。一旦止水系统失效，半透水垫层亦不能起到第二道防渗幕的作用。两种观点因为对垫层的作用和要求不同，所以对所用垫层优劣的评价自然也不相同。但两者都提到了垫层是否应该成为“第二道防线”的问题。

《规范》对此作了如下规定：“垫层区”是面板的直接支承体，向堆石体均匀传递压力，并起辅助渗流控制作用。“垫层压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度，并应具有良好的施工特性”。与原导则（DL5016-93）相比，关于垫层区的要求的一个明显变化，就是取消了渗透系数为（1×10-3～1×10-4）cm/s的要求。理由是“由于各工程对垫层料要求不同，可以采取透水或半透水垫层”。

规范规定垫层区具有“辅助渗流控制作用”的功能是有前提条件的。当面板混凝土开裂或周边缝止水破坏，渗流水头不高，渗量较小，渗漏时间不长时，垫层区应该发挥“辅助渗流控制作用”。而在较高水头作用下，垫层区的渗透破坏则是不可避免的。规范更加强调垫层区对面板的支撑作用。所以对垫层料最重要的要求是应具有高压缩模量即低压缩性，用以直接支承面板减少变形。坝越高，对垫层料压缩模量的要求越高。因此，垫层料应采用坚硬碎石砂料，不含粉砂，少含极细砂。通过增加垫层料中5mm以下细粒，降低垫层渗透系数的做法，将导致降低垫层的压缩模量指标和削弱其稳定性，因而是有害无益的。

[1]何国连，刘庶华.株树桥水库大坝渗漏原因初步分析[J].湖南水利水电，2001，（2）.

[2]郭兴文.混凝土面板堆石坝数值分析与接缝止水试验研究[D].南京：河海大学，1999.

[3]钮新强，徐麟祥，廖仁强.株树桥水库大坝渗漏处理设计[J].人民长江，2002，（1）.

[4]顾淦臣，戴永志.株树桥混凝土面板堆石坝漏水事故分析[J].红水河，2002，（2）.

[5]盛金宝，谢晓华，李雷.株树桥水库大坝严重渗漏原因分析[J].水利水运工程学报，2003，（4）.

[6]谈界雄，王秘学，周晓明.株树桥水库面板堆石坝加固实践与体会[J].人民长江，2011，（12）.