红峰水库面板堆石坝利用石碴料筑坝的研究

【摘要】红峰水库混凝土面板堆石坝最大坝高49.5m，由于用于大坝填筑的石料开采受限，而坝址附近堆放有大量石碴弃料， 部分坝体考虑采用石碴填筑。石碴筑坝的主要技术问题是石碴料用于大坝填筑的可行性问题。经对石碴料进行颗粒分析及密度等试验，并在试验结果基础上开展了石碴筑坝的坝坡稳定分析、应力变形三维有限元分析、三维流变分析等，计算结果表明，大坝一定分区范围内采用石碴填筑是可行的。

【关键词】石碴筑坝；红峰水；面板堆石坝；筑坝材料

1、工程概况

红峰水库坝址位于遵义市汇川区板桥镇西北面的西流水上，工程地处娄山关景区森林公园内，距板桥集镇8.0km，距遵义市区40km。水库正常蓄水位1156.50m，正常蓄水位库容96.2万m3，总库容111万m3，属小（1）型水库。工程主要任务是向板桥集镇供水，水库挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高59.5m，坝顶高程1159.50m，坝轴线长150m，坝体填筑量约40万m3。

坝址区地层岩性主要为寒武系中上统娄山关群（∈2-3ls）浅灰色至深灰色薄层为主夹中厚层白云岩、白云质灰岩。由于工程区（含石料场）地处娄山关景区，不允许大面积开采筑坝石料，为保护工程周边生态环境、节省工程投资，考虑将坝址下游附近原崇遵高速公路建设时堆放的大量石碴料作为一部分筑坝材料。经过对石碴料进行颗粒分析及密度试验等室内外研究，结合坝体结构设计，在试验结果基础上开展了大坝坝坡稳定分析、应力变形三维有限元分析、三维流变分析，优化坝体填筑材料，确定合理、充分利用石碴料筑坝的方案。

2、石碴料的基本特性

本工程石碴料为原崇遵高速公路——娄山关隧道开挖的弃渣，碴料岩性为白云岩，主要成份为碎石、块石夹少量的粘土。根据试验成果，石碴料中巨粒料（包括碎石、块石）即粒径d>60mm的含量一般在18.89%～46.32%，粗粒料即粒径 0.075mm3、坝体断面设计

根据面板堆石坝应力变形特点和筑坝材料性质，初步拟定大坝坝轴线上游为主堆石区范围，坝轴线下游为石碴料填筑范围，中间分界面以避免主堆石区出现倒悬为控制。初步拟定断面如图1所示。

4、坝坡稳定分析

坝坡稳定分析采用Morgenstern-Price法。经计算，在正常运用条件和两种非常运用条件下，坝坡的抗滑稳定安全系数均高于规范规定的允许安全系数，红峰水库面板堆石坝的上游坝坡1：1.5、下游石碴料填筑坝坡1：2.0设计是安全可行的。

5、大壩应力变形三维有限元计算

本项目采用南京水利科学研究院岩土工程研究所自主研发的“土石结构应力固结分析程序”SCAPERS进行计算。

5.1 竣工期

竣工期坝轴线上游侧坝体向上游最大位移4.1 cm；下游侧坝体向下游位移最大值5.0 cm。坝体最大沉降量约25.2 cm，约占坝高的0.51%左右，该工程坝体沉降率相比于常规面板堆石坝工程较低。竣工期坝体内应力水平普遍较低，最大应力水平仅0.49 MPa，位于趾板下游侧的堆石体内，上述计算结果表明，竣工期坝体堆石料的应力状态良好，不会出现剪切破坏等现象。

5.2 蓄水期

蓄水初至蓄水未在坝体内产生显著的位移增量，其变形现象与当前对50 m级面板堆石坝工作机理的认识相符，石碴筑坝与常规堆石筑坝在水平位移和沉降方面相当。蓄水后坝轴线上游侧坝体内应力水平有所降低，整个坝体最大应力水平仅0.35 MPa，表明蓄水期坝体应力状态良好，不会出现剪切破坏。此外，在面板垂直缝的张拉变位值计算中，面板垂直缝基本上处于压紧状态，最大张拉变位值为4.2 mm。由计算结果可以看出，面板周边缝和垂直缝的三向变位较小，均在止水结构可以承受的范围之内。

6、大坝长期应力变形分析

坝体填筑及蓄水完成后堆石体将持续发生变形（流变），堆石体流变在宏观上表现为：高接触应力—破碎和颗粒重新排列—应力释放、调整和转移的循环过程。

6.1 坝体位移

由于下游石碴料的流变量要大于主堆石料，故轴向流变位移峰值区位于石渣区的顶部，故顺河向流变位移全部指向下游，且随着高程的增加而增大，最大顺河向流变位移约4.0 cm，位于河床坝段的坝顶部位。堆石料流变引起的坝体沉降也随着高程的增加而增大，最大流变量约7.1 cm，占坝高的0.14%，亦位于河床坝段最大剖面坝顶部位。

6.2 面板变形与应力

面板变形与应力计算结果表明，尽管考虑坝料流变后面板的轴向位移和挠度以及轴向应力与顺坡向应力均有所增长，但面板应力状态始终处于较好的三向受压条件，面板的压应力和拉应力均未超过混凝土材料的抗压强度和抗拉强度。

6.3 接缝变位

经计算，两岸周边缝剪切位移指向河谷中央，周边缝沉陷均指向坝内，最值区仍位于右岸岸坡底部附近。左、右两岸坝肩部位的面板垂直缝处于张拉状态，最大张拉变位值为9.9 mm；河谷中央部位面板垂直缝处于压紧状态。由上述计算结果可以看出，即使考虑堆石料流变，面板周边缝和垂直缝的三向变位值仍然较小，均在止水结构可以承受的范围之内。

7、结语

上述分析计算成果表明，本工程面板堆石坝采用石碴料作为下游堆石区筑坝材料是安全可靠的。考虑到试验样品与现场施工差异性，工程实际施工中应加强筑坝材料的筛选与利用，严格控制上坝堆石料质量与石渣区范围。通过对石碴料筑坝的研究与优化设计，在确保工程安全、质量的前提下，石碴料的利用，大大减少了料场开挖，消化工程弃渣约17万m3，同时节省工程投资约500万元，更减轻了对生态环境的影响和破坏，对类似工程设计有较好借鉴作用。

参考文献：

[1] 南京水利科学研究院，遵义汇川区红峰水库工程混凝土面板堆石坝结构计算分析研究报告[R]，南京， 2016.05。

[2] 中华人民共和国水利部，混凝土面板堆石坝设计规范SL228-2013[S]， 2013-01-22发布，2013-04-22实施。

作者简介：晏长军（1990-）男，贵州省正安县人，助理工程师，学士，主要从事水利水电工程设计与研究工作。