软硬岩混合料填筑的董箐面板堆石坝运行状况分析

湛正刚，史鹏飞，夏遵全

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081）

软硬岩混合料填筑的董箐面板堆石坝运行状况分析

湛正刚，史鹏飞，夏遵全

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市 550081）

董箐面板堆石坝坝高150m，坝体2/3的填筑料采用的是溢洪道开挖的砂泥岩混合的软硬岩料，大坝于2009年完工，迄今已运行了5年多的时间。通过运行期大坝变形、大坝渗流渗压、面板接缝及挠度变形等监测数据分析表明，大坝的运行状态稳定、正常，揭示了软岩填筑的大坝变形性状及安全运行状况。实践证明，董箐面板堆石坝充分发挥了堆石坝就地取材的优势，根据坝体填筑材料的特性采取恰当的变形控制措施后，软岩用于高面板堆石坝坝体填筑是安全可行的，可供同类工程借鉴与参考。

软硬岩料；运行状况；面板堆石坝；监测；变形性能

0 引言

面板堆石坝筑坝技术自1985年西北口面板堆石坝工程正式年引入我国，因其经济性和适应性的优势，在我国得到了进一步的发展，目前我国面板堆石坝数量、最大坝高、工程规模和技术难度均处于世界前列[1]。我国已建的面板堆石坝中大多采用灰岩、砂岩、板岩、花岗岩、玄武岩、大理岩和熔凝灰岩等进行筑坝，为发挥面板堆石坝就地取材、因材设计的优势，也有工程选用软岩筑坝，但坝高基本不超过100m，坝高超过150m时，软岩只用于坝体变形和应力较小的部位。

董箐面板堆石坝坝体内不分主、次堆石区，坝体内2/3的堆石料全部采用泥岩（软岩）和砂岩（硬岩）混合料进行填筑，该种筑坝材料和坝体结构型式，用于高面板堆石坝国内外尚属首次。大坝于2007年开始填筑，2008年底填筑基本完成，通过监测数据对大坝及面板的变形、渗流渗压和应力应变等内容进行分析，大坝目前运行正常。

1 工程概况

董箐水电站位于贵州省贞丰县境内，水库正常蓄水位490m，死水位483m。该工程挡水大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高150m。坝体填筑量约900万 m3，其中600万m3为溢洪道开挖的砂泥岩互层石料，占坝体填筑量的三分之二，见图1。砂泥岩开挖料中，砂岩属中硬岩，饱和抗压强度在46～60MPa之间，而泥岩属软岩，其饱和抗压强度为10～20MPa，经开挖混合后，形成了一种软硬岩混合石料，其中砂岩占65%～85%，泥岩占15%～35%。

该工程大坝填筑施工于2007年1月开始，至2008年12月填筑高程达到491.2m，大坝填筑施工基本完成。2009年8月，水库开始蓄水，2009年12月，电站1、2号机组先后投产发电，2010年6月，电站3、4号机组同步投入运行。至2010年12月，工程完建。

自水库蓄水运行以来，电站均在正常蓄水位附近运行，至今已经历了五个汛期的检验，大坝监测仪器运行正常。从大坝变形、大坝渗流、面板接缝变形等监测数据表明，大坝的运行状态稳定、正常。

2 大坝变形

2.1 仪器布置

堆石体内部变形选取大坝R0-157.50m、R0-022.50m和L0+097.50m三个断面作为典型观测断面，分别在378m、403.5m、425m、455m高程共设置8条测线，布置28个水平位移计测点和46个水管式沉降仪测点。在纵上0+022.00m断面、455m高程左右岸坝肩各布置1组水平位移计组，监测堆石体的纵向水平位移，仪器布置见图2～图3。

2.2 坝体沉降

坝体各监测断面在施工期、初蓄期以及运行期的沉降值见表1。表明坝体沉降位移在蓄水前的变形率在80%以上，初期蓄水后，使沉降变形率增加了5%左右，运行期的沉降变形值占总沉降变形的比率最大为15%，该值比采用非软岩填坝的洪家渡面板堆石坝（该坝运行期的沉降变形值占总沉降变形的比率最大为10%）略大，但在同一量值范围内。同时，也说明了软岩筑坝时，坝体运行期的流变变形会稍大一些。

图1 董箐面板堆石坝坝体填筑材料分区图Fig.1 Partition map of CFRD dam filling materials

图2 大坝内部变形监测仪器布置图Fig.2 Layout of monitoring instrument for dam inner deformation

图3 大坝R0-022.50m断面内部变形监测仪器布置示意图Fig.3 Monitoring instrument for dam inner deformation on section Dam R0-022.50 m

表1 坝体内部沉降变形各监测断面最大测值统计表Tab.1 Maximum measurements of dam inner settlement deformation on monitoring sections

图4给出了坝体最大断面（R0-022.5m桩号）425m高程各监测点的沉降变形过程、大坝填筑过程以及蓄水运行过程。图5示出了不同时间点大坝的沉降变形情况。进一步表明坝体沉降变形的主要部分是在施工期完成的，蓄水期会加快沉降变形过程，到运行期后，沉降变形平缓，至2013年5月，年平均增加33mm，月平均增加2.7mm。2013年5月至2015年3月，年变化量仅为9mm，坝体内部沉降变形已经趋于稳定。

2.3 横向水平位移分析

横向水平位移的变形规律为：施工期上游测点向上游位移，下游测点向下游位移，中间测点测值较小；蓄水后，测点整体向下游移动；低高程测值变化规律明显，高高程测值变化规律性较差。各高程横向水平位移变形特征值见表2。由特征值表可以看出，堆石体横向变形主要发生在施工期，向上游变形大于向下游变形，蓄水对坝体中部的变形影响较大。

施工期横向水平位移最大值为387.10mm，与采用非软岩材料筑坝的洪家渡面板堆石坝的横向变形值（横向变形最大值为301.97mm）相比，董箐水电站的横向变形测值较大，考虑筑坝材料的特性，该测值在合理范围内。2012年5月至2013年5月，横向位移变化最大值为20.37mm，当月变化量最大值为1.21mm，2013年5月至2015年3月，年变化量仅为5mm。由横向位移特征值表及图6所示，坝体横向变形已经趋于稳定。

2.4 纵向水平位移分析

坝体内部纵向水平位移计安装在455m高程，纵上0+022.0m部位，坝体的变形规律为：左右岸均向河床中部移动，纵向变形大部分发生在施工期，面板施工前坝体纵向变形已经完成70%以上。各施工阶段坝体内部纵向水平位移特征值见表3，由表3可以看出施工期变形占总变形的76%以上，二期面板施工前坝体变形占总变形的71%以上，顶部面板施工前坝体变形占总变形的78%以上，初蓄期后坝体变形占总变形的86%以上，初蓄期对坝体左岸影响较大，影响率在8%～10%之间，对右岸影响不明显，与坝址处左右岸地形条件相符。堆石体内部纵向水平位移计位移分布见图7，各测点测值目前变形很小，已经属于收敛状态。

图4 坝体R0-022.5m监测断面425m高程各测点沉降变形过程线Fig.4 Settlement deformation process line of each measure point on EL.425m on section Dam R0-022.5m

图5 坝体R0-022.5m监测断面425m高程沉降变形分布曲线Fig.5 Distribution curve about settlement deformation on EL.425m on Dam R0-022.5m

表2 横向水平位移变形特征值表Tab.2 Lateral horizontal displacement deformation

图6 坝体R0-022.5m监测断面378m高程横向水平位移过程线Fig.6 Process lineoflateral horizontal displacement on EL.378m on Dam R0-022.5m

3 渗流渗压

渗流渗压采用渗压计和量水堰进行监测。共布置21支渗压计，监测坝体、坝基的渗压情况及周边缝止水运行情况，渗流渗压仪器布置见图8～图9。在坝内左、右岸坡分别设了坝内截水沟并安装量水堰（WE1和WE2），以监测两岸的渗漏量，在坝后设置1个量水总堰（WE3），监测大坝的总渗流量。

表3 纵向水平位移变形特征值表Table.3 Longitudinal displacement deformation

图7 坝体内部纵向水平位移计位移分布图Fig.7 Layout of longitudinal horizontal displacement gauge inside dam

3.1 坝基渗压

坝基渗压监测断面选取在最大断面R0-022.5m处，仪器沿水流方向设置，共布置7支渗压计，其中帷幕前布置1支。施工过程中坝轴线上游仪器部分损坏，在帷幕后补埋一支渗压计（PA8），各仪器埋设位置参见图8～图9。蓄水运行以来，坝基渗压平稳且变幅较小，坝基水位保持在380 m高程附近，PA7测点位于下游挡墙基础部位，挡墙基础进行了固结灌浆，因此该处渗压测值小于坝基其余部位渗压计测值，库水位与坝基渗压计水头变化过程线见图10。由渗压计测值过程线可以看出大坝面板、趾板及接缝止水系统运行状况良好。

3.2 坝体渗流量

董箐水电站渗流量监测分左右岸及总渗流量监测，从蓄水运行监测结果分析，坝体渗流量与库水位的相关性不明显，主要受降雨量影响，有一定的滞后性。左右岸的渗漏量较小，2015年3月测值，左岸量水堰（WE1）测值为0.041L/s，右岸量水堰（WE2）测值为0.783L/s。坝体渗漏总水堰（WE3）测值与库水位变化过程见图11，其稳定渗漏量为20～30L/s，汛期受降雨影响，最大测值量为77.4L/s，发生于2010年汛期。与同类工程相比，其坝体渗漏量较小，说明整个大坝不存在其他集中渗漏问题，坝体运行状态良好。

图8 大坝渗流渗压监测平面布置图Fig.8 Dam seepage pressure monitoring layout

图9 大坝渗流渗压监测剖面图（R0-022.50m）Fig.9 Dam seepage pressure monitoring section （R0-022.50 m）

图10 大坝R0-022.5m监测断面坝基渗压计测值过程线Fog.10 Process line of damfoundation seepage pressure on Section Dam R0-022.5m

4 面板变形

4.1 垂直缝

大坝面板垂直缝监测仪器根据面板的分期情况进行布设，布置在分期面板顶部以下5m范围内，不同高程仪器的监测结果如下：

470m高程测缝计表现为两岸受拉，中间受压，左岸接缝变形较大，河床中部及右岸接缝变形较小，左岸最大张拉位移为18.94mm，中部压缩最大位移为7.28mm，右岸最大张拉位移为2.61mm。

487m高程测缝计表现为两岸受拉，中间受压，受压区域较大，左岸最大张拉位移为19.99mm，中部压缩最大位移为5.20mm，右岸最大张拉位移为12.61mm。

与非软岩筑坝材料的同类工程比较，董箐面板顶部垂直缝的压缩变形偏大，由于在压性垂直缝区域的每条缝均设置了8mm的缝宽，各缝的累计可压缩位移大于实测变形，面板没有发生挤压破损现象。

4.2 周边缝

面板周边缝采用大量程三向测缝计进行监测。周边缝位移过程线见图12。库水位的上升对周边缝的变形有一定影响，但蓄水完成后，周边缝的测值已经趋于收敛。周边缝最大沉降值为43.81mm，最大剪切变形值为26.20mm，最大张开值为24.24mm，测值小于按沉降60mm、剪切40mm、张开40mm设计的周边缝止水系统设计值，周边缝的运行状态是安全的。

4.3 面板挠度变形

面板挠度变形采用电平器和光纤陀螺仪进行监测，断面选择与坝体内部变形监测断面一致，共布置38台电平器，在L0+007.50m断面布置1套光纤陀螺仪。

电平器测得面板最大挠度为25.38cm，面板弦长比为0.10%；光纤陀螺仪测得的面板最大挠度为45.76cm，面板弦长比为0.19%。根据三维有限元计算结果，面板法向位移表现为朝向堆石体方向的变形，蓄水期水位高程490m时，最大值52cm。与计算结果及国内同类型工程相比（天生桥一级0.26%、洪家渡0.11%、水布垭0.14%、三板溪0.05%），董箐水电站面板挠度测值在合理范围内。

图11 坝体总渗流量WE3与库水位变化过程线Fig.11 Process lineabout dam seepageflowWE3 and reservoir water level variation

图12 大坝R0-190m桩号EL.401m周边缝位移过程线Fig.12 Process line of peripheraljointsdisplacement on section Dam R0-190m on EL.401m

5 结束语

董箐水电站150m级高的面板堆石坝全断面采用软硬料填筑，是一次大胆的尝试，发挥了堆石坝就地取材的优势，大坝已正常运行5年多时间，各项指标均在合理和可控范围内，大坝工作状态良好。说明只要对大坝变形控制得当，加大坝体碾压的密实度，采用较长的预沉降时间等，使后期变形（流变）尽可能减小，有利于大坝的安全运行。同时在面板垂直受压缝采用预留可压缩的累计位移，是预防面板挤压破损的有效措施之一，可供今后软岩筑坝以及更高坝的设计建设借鉴。

[1] 杨泽艳，周建平，蒋国澄，孙永娟. 中国混凝土面板堆石坝的发展[C]//中国大坝协会.2012年学术会议论文集，2012年10月10日，成都，中国：174-182.YANG Zeyan， ZHOU Jianping， JIANG Guocheng， SUN Yongjuan. The Development of CFRD in China[C]//Chinese National Committee on Large Dams. 2012 Academic Conference Proceedings，Oct 10，2012，Chendu，China.174-182.

[2] 郦能惠. 中国高混凝土面板堆石坝性状监测及启示[J]. 岩土工程学报，2011，33（2）：165-173.LI Nenghui. Performance of High Concrete Face Rockfill Dams in China and its Inspiration[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011，33（2）：165-173.

[3] 蔡大咏，湛正刚等. 董箐水电站砂泥岩筑坝技术研究[J]. 贵州水力发电，2005，19（5）：73-76.CAI Dayong， ZHAN Zhenggang， et al. The Technology Research of Sand Mudstone Damming of Dongqing Hydroelectric Power Station[J]. Guizhou Water Power，2005，19（5）：73-76.

[4] 湛正刚，张合作等. 面板堆石坝设计中的变形控制技术及控制指标[J]. 电力勘测设计，2012，增刊2.ZHAN Zhenggang， ZHANG Hezuo. The Deformation Control Technology and Control Measures in the Design of CFRD[J].Electric Power Survey & Design，2012， supplement 2.

[5] 湛正刚等. 董箐水电站面板堆石坝运行状态初步分析[C]. //中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.混凝土面板堆石坝安全监测技术实践与进展，2010年8月16-17日，大连，中国： 163-168.Zhan Zhenggang， et al. Analysis on performance of the CFRD of Dongqing Hydroelectric Power Station during operation[C].//CFRD professional committee of China hydropower engineering institute. Monitoring technology practice and progress of CFRD，Aug16-17，2010，Dalian，China.163-168.

Operation Condition Analysis of Dongqing Concrete Face Rockfill Dam Filled with Hard and Soft Rock Mixture

ZHAN Zhenggang, SHI Pengfei, XIA Zunquan
(PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited, Guiyang 550081, China)

Dongqing CFRD dam， with the height of 150 m， the two-thirds of whose dam filling material is hard and soft rock mixture from the spillway excavation material， was completed in 2009 and has been running for more than 5 years to date. The monitoring data analysis of dam deformation， seepage， panel joints and deflection deformation during operating period indicates that the operation condition of the dam is stable and normal， revealing the dam deformation performance and safety operation condition of the dam filed with soft rock. Practice has proved that Dongqing CFRD gives full play to the advantages of the rockfill dam using local materials. High CFRD dam filled with soft rock is safe and feasible after taking appropriate deformation control measures according to the characteristics of dam filling materials， which is available for references to similar projects.

hard and soft rock mixture；operation condition；concrete face rockfill dam；monitoring；deformation performance

TV641.4+3

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.006

董菁水电站工程获第十三届中国土木工程詹天佑奖。

Dongqing Hydropwer Project won the “Tien-yow Jeme Civil Engineering Prize”.

2016-9-20

2016-10-21

湛正刚（1968—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：水工结构、E-mail：zhanzhenggang@hydrochinaguiyang.com.cn

史鹏飞（1982—），女，高级工程师，主要研究方向：水工结构，E-mail：93685999@qq.com

夏遵全（1981—），男，高级工程师，主要研究方向：水工结构，E-mail：gsxiazq@163.com