软岩筑混凝土面板堆石坝关键技术

汤洪洁

（水利部水利水电规划设计总院 北京市 100120）

1 软岩特性

按照岩石单轴饱和抗压强度等级划分，小于30MPa的岩石统称软质岩石，代表性岩石有泥岩、页岩、泥质砂岩、千枚岩及抗压强度低于30MPa的风化岩石。一般来讲，软岩与硬岩相比，有明显不同的特性表现。

（1）对于高面板堆石坝，主堆石材料的母岩饱和单轴抗压强度要求大于30MPa，软化系数大于 0.7～0.8，堆石级配中小于 5mm粒径的颗粒含量宜保持在 1%～5%左右，相应的不均匀系数应大于 15。级配良好的硬岩对堆石体的压实密度影响很大。而软岩料在碾压前像石料，碾压后看来像土，因此软岩料的级配对其在实际工程中的应用并无太多的影响，重要的是要碾压密实，并以压实后的级配为准。

（2）软岩料对含水率敏感，类似土的压实特性，存在最优含水率和最大干密度，这一点与硬岩料不同。

（3）软岩料自身强度较低，但软岩料在碾压过程中颗粒破碎强烈，经压实后可达到较高的密度，从而取得较好的力学性能，在一定程度上弥补了软岩强度的不足。

（4）软岩料的压缩模量和其密实程度有良好的相关性，干密度越大，其压缩模量也越高。良好压实的软岩填筑料均能达到较高的压缩模量，可以满足筑坝的要求。但与硬岩堆石料比较，软岩堆石料的压缩模量明显偏低。根据类似工程经验，实际填料的压缩模量较试验结果一般要高一些，坝体实际发生的压缩变形比根据试验所得的压缩模量计算的值一般要小一些。

表1 软岩筑混凝土面板堆石坝

2 坝体分区设计

国内外已有利用软岩筑混凝土面板堆石坝的工程实例，大部分是放在坝轴线下游坝体或次堆石区。而将软岩作为主体填筑材料的代表性工程较少，见表1。

根据国内外已有的工程实践，对于软岩堆石12料的利用采用的原则是：保证软岩料区的底部边界线在大坝运行时处于干燥区，以便坝体排水通畅，并避免软岩遇水产生湿化变形；软岩料区的下游边界线应通过计算分析确定合理的坡度，以保证坝体下游边坡的稳定，且在其外侧留有不小于2m的新鲜硬岩填筑区，以防止软岩料的继续风化；上部边界线应保证其上有不小于 5～10m的新鲜硬岩填筑层覆盖。下游边界线应通过计算分析，在保证坝体施工期、运行期的沉降量以及面板的应力在合理范围内的前提下，上游边界线尽量往坝体上游侧靠近，以期能够最大限度地利用软岩材料。

应注意：软岩堆石区周围必须用排水通畅的堆石包围起来，以保证出现上游渗水时，渗水不至于进入软岩区。在峡谷地区的面板堆石坝，在通过二维应力变形分析确定软岩堆石分区范围后，还应进行三维应力变形分析，以研究岸坡约束对坝体及面板应力变形的影响。

已建成的江西大坳面板坝采用全断面软岩筑坝，正在建设的四川小井沟面板坝由于料场砂岩饱和抗压强度小于30MPa的占50%以上，必须全断面采用软岩筑坝。两个工程共同点都是在堆石区上游设置了“L”型的排水体，江西大坳排水体设计水平宽为5m～20m，四川小井沟排水体设计水平宽为5m。

江西大坳面板坝应力、变形分析成果见表2。

表2 江西大坳面板坝应力应变分析

可以看出，全面利用软岩筑坝虽然坝体变形和面板应力均增加较多，但仍然在结构安全允许的范围之内。实测资料表明，实际变形和应力水平均较理论计算的低一些。说明江西大坳全断面利用软岩及排水体结构等分区设计是合理的

四川小井沟面板坝的建设正在进行中，应力、变形分析计算结果见表3。根据国内已建工程经验，建议根据高程加厚上游排水带水平厚度；下游应有一定厚度的新鲜砂岩保护，防止湿化变形及继续风化。坝体下游干燥区可设置一定范围的次堆石区，次堆石区的填筑质量要求可比主堆石区略低，小于5mm的颗粒含量可略高，但前提是不致导致坝体变形过大，引起面板应力增加。

表3 四川小井沟面板坝应力应变分析

3 筑坝材料要求

3.1 坝料反滤关系

根据垫层料、过渡料、排水带料及主堆石料的颗粒级配曲线，按太沙基反滤准则，从以下三个方面核算反滤保护的合理性。

（1）对于垫层料平均级配曲线按过渡料平均级配曲线核算反滤。

（2）对于过渡料平均级配曲线按5mm以下颗粒排水堆石料平均级配曲线核算反滤。

（3）对于过渡料平均级配曲线按5mm以下颗粒主堆石料平均级配曲线核算反滤。

应满足 D15/d15≥5，D15/d85≤4～5。

D15：反滤料的粒径，小于该粒径的土占总土重的15%。

d85：被保护土的粒径，小于该粒径的土占总土重的85%。

d15：被保护土的粒径，小于该粒径的土占总土重的15%。

3.2 坝料填筑施工控制

《混凝土面板堆石坝设计规范》（以下简称《设计规范》）（SL228—2013）中对筑坝材料的填筑标准要求见表4。

表4 坝料填筑标准

在施工过程中，常用最大干密度及干密度标准差来控制坝体填筑标准。根据类似工程经验，建议将表面振动器法试验的最大干密度乘以0.96～0.98的压实度作为设计控制干密度，并作为施工填筑控制干密度下限。干密度标准差反映了堆石填筑的均一性，建议控制在0.05g/cm3以下。

在《设计规范》中规定，设计堆石干密度可用孔隙率和岩石密度换算。这项规定对于坚硬岩石是合适的，软岩则对堆石孔隙率、干密度的计算影响较大，可能会导致设计控制标准偏低。应在施工期根据现场碾压试验得出相对密度、孔隙率与干密度的关系，及时修正设计填筑标准。

为使软岩堆石体蓄水后不致产生过大的变形，应通过提高堆石体的密度，降低孔隙率而提高堆石体压缩模量的方式来实现。软岩的填筑标准要求比硬岩应高一些。例如：江西大坳面板坝原设计根据规范提出主、次堆石区的孔隙率为21%和 24%。根据碾压试验成果，设计要求主堆石体孔隙率小于 19%，次堆石区孔隙率小于21%～24%。实际施工达到的孔隙率分别为19.4%和 21.5%。

4 坝体稳定及应力变形分析

4.1 分析方法

边坡稳定分析是采用条分法利用极限平衡理论计算边坡的安全系数。根据土石坝设计规范的要求，面板堆石坝的边坡稳定分析一般均采用简化毕肖普法。

面板坝的坝体应力变形分析通常采用非线性有限元分析方法进行。计算分析时，一般先对集中不同的分区方案进行二维应力变形有限元计算，在分析计算结果优选一种方案的基础上，可进行三维有限元计算，以进一步对所选方案分析研究。

4.2 抗剪强度指标

坝坡稳定分析中堆石料抗剪强度采用线性还是非线性，取决于堆石材料的岩性、颗粒形状、级配和密度等。对于坚硬、浑圆且级配优良的砂卵石，其颗粒在较大的应力下仍不会破碎，因此，其强度包线在较高的应力水平下仍可保持近似的直线关系。而对于棱角尖锐的堆石而言，由于颗粒破碎的影响，其强度包线在相对较小的应力下即发生了弯曲，因而呈现出非线性的特征。

相关资料表明，同一非线性强度计算的安全系数随坝高的增加而降低，这个规律符合坝越高越不安全的实际情况。用线性强度计算的安全系数随坝高增加没有变化，不符合实际。

而采用非线性强度计算的安全系数要高于采用线性强度计算的安全系数。因此，可以建议非线性强度计算坝坡稳定，允许安全系数可提高8%。

4.3 变形控制标准

（1）面板挠度控制标准

笔者根据类似工程经验数据统计，建议根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），按照L/400～L/450考虑。可参照表5中数据。

表5 面板挠度控制标准

L是指一块板的长度，高坝如果分期浇筑面板，可根据分期接缝间的面板长度综合考虑挠度安全值。

天生桥一级面板坝最高 178m，蓄水期裂缝较蓄水前增加了 10倍。蓄水后面板出现了102.3cm的很大水平位移，产生了 89.8cm的挠度，由于过大的挠曲变形，使面板混凝土的压应变超过了混凝土的极限压应变，使面板成为类似余弦曲线的形状而出现两个反弯点，从而产生了弯矩、拉应力及压应变，直至产生一系列裂缝。

（2）沉降控制标准

硬岩面板堆石坝施工期最大沉降量与坝高之比一般仅为 0.5%左右。江西大坳堆石坝施工期沉降量约占坝高的1.02%，偏大，说明软岩的压缩性较大。根据国内外实测资料，竣工后沉降量小于坝高的1%时都没有发生裂缝，大于3%的有裂缝。因此，可确定总沉降量小于坝高的1.5%～2%为安全控制标准。沉降量包括坝高和坝基的总沉降量。

江西大坳坝填筑到坝顶直至蓄水前的沉降速率在半年内即将为1～2mm/月，表明软岩料的变形也是以瞬时发生为主，施工期结束后坝体的沉降变形很快趋于稳定，这也是软岩筑坝提高压实密度的一个优势。

（3）应力控制标准

按照面板混凝土的强度指标控制，见表6。

表6 混凝土强度设计值 单位：MPa（N/mm2）

5 碾压施工技术

5.1 碾压存在的问题

软岩强度低，碾压后易破碎，诸多软岩碾压试验表明易出现以下问题。

（1）现场洒水时，水渗透很慢，表面流淌。需等十几个小时后方可进行碾压。碾压过程中出现粘碾、涌土、弹簧土等现象，影响该料的压实性及施工进度。

（2）天然含水率不能太小，天然含水率低于4%时，干密度很难达到设计技术指标要求。

（3）碾压后渗透系数偏小，在 10-3～10-4cm/s。

（4）碾压施工后每一层大体可分为三层。细化层：主要以小于5mm颗粒为主，约占40%～60%，层厚0～5cm不等，且不连续；压碎层：最大粒径100mm～200mm，小于5mm颗粒含量主要范围25%～35%，厚度15cm～20cm不等；影响层：基本保持原级配，少量破碎挤密。

5.2 施工技术处理

（1）加水工艺

适量洒水有助于软岩料的碾压密实，但软岩料洒水会湿化、软化、泥化，因此洒水要适量。在碾压前洒水，碾压时粘碾严重，不利碾压。碾压前要提前洒水，洒水可在料场或途中进行，如在坝面洒水要使碾压前有较长的漫润实践。

在缺水或寒冷地区不能加水时，可以采用减少填筑厚度和加大压实功能作为补偿，如十三陵上池坝（风化安山岩），在冬季不能加水时，填筑层厚由80cm减为60cm，并增加碾压遍数。

（2）细化层的处理

细化层对堆石坝的稳定和变形影响较大，必须进行处理。根据类似工程经验，对不同厚度的细化层进行如下处理。

对于5cm以下很薄的细化层，在上一层铺料前洒水，冲洗软化板结层，可使上层石棱嵌入下层。

对于较薄的细化层（5～10cm），采用履带式推土机、拖拉机在板结层表面行走的方式，使层面翻起和错位，也可加工功能相同的专用工具进行处理。

对于大于 10cm厚的细化层，可采用推土机的铲刀将板结层刮掉的方式。细料可推至两岸坝肩处，还可改善坝坡结合处的防渗作用。

6 主要结论

本文根据国内外软岩筑坝的相关经验，总结了软岩筑面板堆石坝设计中应注意的相关技术问题，以期能促进国内水利工程中软岩筑坝技术的发展，为类似工程提供可借鉴的资料。

（1）软岩强度低、软化系数小、压缩模量低、湿化变形大。软岩料经压实后可达到较高的密度，从而取得较好的力学性能，在一定程度上弥补了软岩强度的不足。良好压实的软岩填筑料均能达到较高的压缩模量，可以满足筑坝的要求。坝体实际发生的压缩变形比根据试验所得的压缩模量计算的值一般要小一些。

（2）坝体分区设计要在保证坝体施工期、运行期的沉降量以及面板应力在合理范围的前提下，软岩料的边界线进行控制，保证软岩料区在大坝运行时处于干燥区，避免软岩遇水产生湿化变形，防止软岩料的继续风化，同时最大限度地利用软岩材料，节省工程投资。

（3）堆石坝中垫层料、过渡料、排水带料及主堆石料应根据颗粒级配曲线，按太沙基反滤准则进行反滤保护核算。主堆石料的填筑标准应在施工期根据现场碾压试验得出相对密度、孔隙率与干密度的关系，及时修正设计填筑标准。满足设计要求的填筑标准应通过提高堆石体的密度，降低孔隙率而提高堆石体压缩模量的方式来实现。

（4）坝体稳定分析采用非线性强度计算的安全系数要高于采用线性强度计算的安全系数。堆石坝面板挠度控制标准百米级可按照不大于35cm控制；沉降量可按照不大于坝高的 1.5%～2%控制；面板应力可按照混凝土强度设计值标准控制。

（5）软岩强度低，碾压后易破碎、渗透系数偏小。碾压后每一层碾压层可分为细化层、压碎层、影响层。细化层对堆石坝的稳定和变形影响较大，必须进行处理。每层处理后才能进行下易破碎、渗透系一层铺料，实际施工中尤其要注意对竖向排水区的专门保护。（6）随着水利工程的建设，利用软岩料筑坝技术会得到越来越广泛的应用。在工程设计中，应了解软岩的特性，并针对其特性进行坝体结构及筑坝材料的设计，并在碾压施工过程中加强质量控制，既保证了软岩筑面板堆石坝的施工及运行的安全性，又为工程合理利用当地材料、节省工程投资创造了良好的条件。

1. 《软岩筑面板坝技术》 蒋涛、付军、周小文。 中国水利水电出版社ISBN978-7-5084-7191-4