面板堆石坝地质影响因素分析

郅军超

（1太原理工大学水利学院 山西太原 030024；2山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

面板堆石坝（CFRD）由于自身诸多特点使其在近几十年的水利水电建设工程中广泛应用，近几年山西随着水利建设的发展需要，逐渐开始了面板坝的设计与建设，先后建成了柏叶口水库混凝土面板堆石坝、泽城西安水电站面板堆石坝，并有一批中小型面板堆石坝在建或设计方案优化中。实践中也积累了不少经验。由于其涉及地质影响因素较多，如坝址地形地貌、坝基地基地质条件、趾板地基地质条件、坝料选择与综合平衡等，如何根据坝址实际地质条件，结合坝型特点相关影响因素，为工程建设提供科学、可靠地质技术资料，做出合理、相对最优化决策及施工方案，对实际工程建设具有重要意义。

面板堆石坝体结构简单，受材料和运输条件制约较小，施工方便，由于较好抗滑、抗渗、变形可控等诸多特点使其在近几十年的水利水电建设工程中广泛应用，在应用实践中得到也积累不少经验，随着施工技术的提高，其对地质条件的适应性也得到了较大的扩展。

1 面板坝坝址选择的地质影响因素

面板坝的选址原则上与其它类型的土石坝类似，主要考虑地形、地质条件影响以及枢纽布置、施工条件、天然建材等条件。面板坝坝址应选择河床覆盖层薄，便于坝基清理，坝基基岩坚硬、岩体完整、压缩变形较小，两岸基岩完整，利于布置轴线与趾板，坝址区无大断层通过的区域。但在实践中完全满足这些条件的坝址不多，近些年，随着面板坝的发展，坝址选择地质条件有所放宽，对各种形状的河谷，坝基岩性特征，河床覆盖层特性，两岸不稳定岩体等地质影响因素只要进行适当的处理，都可修建面板堆石坝。地质条件对面板堆石坝坝址选择的影响主要是不良地质条件对面板坝方案优化及处理措施的影响。例如水布垭面板堆石坝工程，河床覆盖层总体较薄，个别深槽部位覆盖层较厚，覆盖层总体厚度在1.4～21.7 m之间。后经过论证，采用保留部分覆盖层，其余部分进行强夯处理，整体作为面板堆石坝坝基。山西某小型水库，方案选择时，拟选用面板坝方案，由于坝址区为较宽“U”型谷，地层为砂岩、泥岩互层，岩性不均一，其坝址左岸存在一崩塌体，地质调查发现砂岩泥岩互层中存在两层软弱夹层，坝肩岩体存在边坡稳定问题，后经过进一步勘察计算分析，并优化坝址区枢纽布置，采取趾板开挖、溢洪道开挖，支护方案，很好地采用了卸荷支护与坝体浇筑施工，枢纽布置相结合的方案，解决了左坝肩的稳定问题。

2 面板坝趾板的地质影响因素

趾板与上部面板共同构成立体防渗帷幕，形成完整的防渗体系，作为面板坝重要部分，传统要求趾板地基置于坚硬、可灌性较好的弱风化至新鲜基岩上，一般完全符合这种地质要求的趾板地基比较少，实际工程建设中不可避免遇见强风化岩层、不均匀岩层、趾板下部卸荷体、裂隙发育、次生泥充填且发育层间剪切破碎带、软弱地基，甚至是的断层，泥化夹层、溶洞等不利地质条件。各种不利地质条件直接影响了趾板建基面位置，分段处理措施、灌浆处理深度及防渗体整体性以及与上部面板连接的形式。根据国内外实践经验，对于强风化岩层，裂隙发育岩层，综合研究其渗透性与可灌性，采取相应的处理措施能够满足防渗要求，对于断层，泥化夹层，断层剪切破碎带、溶洞则需要采取换填，固结置换等相应的工程措施。趾板设计方案初步设计时，必须充分查明坝址处影响趾板地基岩体稳定、防渗稳定，渗流路径，岩体渗透比降等地质因素，采取少挖、修固、补差等方式，利用岩体自身的工程特性，优化设计施工。例如紫坪铺大坝，趾板跨越一向斜构造，基础为含煤粉、细砂岩、页岩的不等厚互层，且发育层间剪切破碎带，地基均一性差；河床部位向斜核部受构造挤压岩体较破碎，尤其是层间剪切破碎带强度低。岩体风化较弱。岩体强卸荷带在河床部位较浅为0～8 m，而在两岸较深，左岸垂直深度为20～30 m，右岸为15～20 m。趾板建基面开挖标准按设计选用的容许渗透比降相对应的岩体质量确定为弱风化中部岩体[1]。对趾板地基卸荷岩体松弛、裂隙发育、次生泥充填且发育层间剪切破碎带等软弱结构面，加强了地基处理。将左岸建基面抬高8 m，右岸建基面抬高4～13 m。将弱风化上段强卸荷层大部分挖除，对穿越趾板的断层、煤质页岩等逐条进行处理，采用开挖后回填混凝土塞、表面封闭的措施。并在下游设反滤料保护措施。结合地质条件，充分利用岩体自身的渗透稳定性，固弱补差，优化趾板结构，构成较好的防渗体系。

3 面板坝堆石体地基的地质影响因素

面板坝主坝体是非刚性的结构，面板坝堆石体是坝体稳定的主体，堆石体地基岩体结构变形、抗滑及渗透稳定性是坝基的主要地质问题，其位置布局选择时，应根据坝址区地质、地形条件、地基特性，选择坚硬、完整，均一性较好的地基。为尽量减小坝体和坝基的沉降变形，根据坝基地质情况确定合理的清基范围。趾板下游至约1/6坝底宽区域内，受水荷载最大，其变形将直接影响到面板变形，要求将表土及松散风化岩清挖至较完整的基岩面。近些年施工技术逐渐成熟，对于该范围内较厚的覆盖层，尤其是冲积砂卵石层，只要其厚度均一，现场或室内试验确定其变形模量远大于上部坝体堆石体，其下没有软弱夹层，或易液化砂层，可仅清除其表面范围内松散体，大部分主体留下，作为该段堆石体地基。上游坝基约1/6底宽至坝轴线部分，其清基要求尽可能清至较完整基岩，对表层松散覆盖层及松散状全强风化层，要求做适当的清除。地基若存在较厚砂卵石层则需要在查明砂卵石及软弱夹层的分布、性状、抗剪强度等工程地质条件的基础上对砂卵石层作为坝基的抗滑稳定性、沉降和不均匀变形、渗漏和渗透变形、砂层的震动液化作出正确的评价并根据设计施工方案采取局部清除置换、加固、固结灌浆、防渗封闭等措施处理。坝轴线下游部分的坝基由于其上部堆石体坝体主要是为了稳定下游坝体及坝坡，其变形对面板影响比较小，地基稳定性、变形要求相对较宽，可充分利用河床原有的覆盖层及强风化基岩，进行表层清除处理，适当进行加固、压密，作为下游坝基。例如柏叶口水库面板堆石坝，坝基坝址区工程勘察中查明坝基主要为下太古界界河口群一段灰、灰白色混合花岗岩、变粒岩岩组河谷基岩中局部穿插条带状、脉状大理岩、变质辉长岩及变质花岗岩或变质伟晶岩。基岩全强风化层厚0～10 m，一般厚度1～5 m，一般右侧风化程度较左侧大。址板线上游侧及下游侧分别存在一节理密集带，带内全强风化带厚度为20～30 m。上部覆盖层为全新统洪冲积物，岩性表层为低液限粉土和砂层，厚0～1 m，其下为卵石混合土、混合土卵石，局部为砂层透镜体。厚度一般7～8 m，在河床中间深槽部位勘探深度最大15.1m。在右岸坡脚表层坡积物分布部位埋深12～13m。砂层分布不连续，呈透镜体状分布。根据坝基地基对地层要求的差异采取了不同坝基开挖处理措施，趾板下游至约1/6坝底宽区域内，清除上部覆盖层及强风化层或部分强风化层1～3 m，针对左右坝基风化程度不同，采取不同的开挖深度，上游坝基约1/6底宽至坝轴线部分试验分析坝基下部原状卵石混合土、混合土卵石层，压缩系数 av1-2在 0.0305～0.0455 MPa-1，具低压缩性；局部有砂层透镜体，层薄且不连续。经动态模拟计算分析，为不可液化土层。采取清除表层0～2 m土层夹砂层，下部砂卵石层采取固结灌浆处理。坝轴线下游地基采取清除表层0～1 m松散层，下部进行碾压夯实作为坝基。柏叶口水库已竣工正常运行三年，运行状态良好。

4 面板坝坝料的选择地质影响因素

面板堆石坝坝料的选取应根据工程规模、料场地质条件、料的质量要求，及导流方式、坝料综合平衡等多种因素进行规划。

1）堆石料的选择

坝料中堆石料用量较多，种类选择性较宽，一般都因地制宜，选择低压缩性、高抗剪强度新的堆石料，一般从强度不足10 MPa的低强度软岩，到强度超过200 MPa的高强度硬岩都被可用作坝体堆石料。堆石料的质量选择主要考虑其密度、级配特点、压缩性、工程压实性以及渗透性。堆石料一般选用岩石饱和抗压强度大于30 MPa的硬岩，采用爆破后的爆破料或开挖料要求最大粒径以600～800 mm为宜，小于5 mm的粒径含量不宜超过20%[2]，以满足自由排水要求。堆石料场的选取在充分考虑地形、运距、工程规模基本要求时，要从工程地质特性方面出发，选择区域内中硬岩，研究其岩体风化程度、整体剥蚀率，通过研究其开采方式，爆破成块率，爆破后各粒径相应级配特点，上坝填筑利用率等因素确定料场的规模与质量。山西省柏叶口水库面板堆石坝的堆石料的选取，因地制宜地选择了坝址下游右侧沟谷距坝址约1 km的下太古界界河口群一段混合花岗岩、变粒岩为堆石料，在料场范围内根据岩体风化程度对岩石试验指标进行了分层（强风化层、弱微风化层）。强风化层抗压强度为12～36 MPa，平均值为27 MPa，弱微风化层抗压强度为25～123 MPa，平均值为56 MPa。料场范围内缓坡处全风化层厚度一般为0.5～2.0 m，多呈松散的砂粒状；料场内弱微风化岩层可以作为堆石料的料源使用，也可用于加工垫层料和过渡区石料，同时采用洞室加孔内复式爆破的方法，减收二次爆破率，最大限度地提高块石料的上坝率。最终确定该料场区剥离层约占储量的0.6%，全强风化层约占19.9%，若不考虑采用强风化层料，该主料场利用率约为80%，若考虑采用30%的强风化层料作为次堆石区堆料，则该区料场利用率约86%。同时结合枢纽开挖研究其开挖料可利用性，综合利用了导流洞和溢洪道的部分开挖料，作为堆石料，提高了综合利用率。

2）垫层料的选择

坝料中垫层料采用半透水料，应具有高强度、低压缩性和较大的变形模量、半透水性、高抗渗透稳定性、保砂性及抗分离性。垫层料的渗透系数K一般要求10-3～10-4cm/s，垫层料应选用质地新鲜、坚硬、耐久性好的石料[2]。其场地要尽量选择坝址附近，一般天然砂砾石料是首选，但由于天然砂砾石料其级配是自然的，特征粒径对其物理力学性质具有敏感性，若直接采用会造成级配，压缩性、压实性和渗透性，不稳定，且易造成5 mm以下颗粒含量不足，一般需要采取筛分掺配等措施。若满足垫层料要求，可直接作为垫层料筑坝。也可将部分堆石料进行再加工，通过破碎、掺配细料，加工合格的垫层料。

柏叶口水库坝体垫层料根据垫层料特点，综合选取坝址下游附件河谷天然砂砾石作为垫层料料场，依据规范，按av1-2的值进行压缩性判断，试料在对应的相对密度情况下，垫层料试样为低压缩性料。垫层料在干密度为2.12～2.13 g/cm3时，渗透系数为10-3cm/s数量级，基本小于5 mm粒径组含量为48.29%，小于0.075 mm粒径组含量为2.97%，颗粒含量满足设计要求，但不均匀系数Cu为50.70，曲率系数Cc为0.205，不同时满足Cu≥5和1≤Cc≤3，颗粒级配连续的条件，为级配不良料。后通过分析计算，在小于100mm各粒径组中每100 kg，增加5～10 mm粒径组20 kg，同时增加2.5～5 mm粒径组10 kg。增加粒径组重量后，小于5 mm粒径组含量为44.84%，小于0.075 mm粒径组含量为2.29%，不均匀系数Cu为20.05，曲率系数Cc为1.34，颗粒含量和颗粒级配均满足设计要求。通过对天然砂砾石料的筛分、掺配，生产合格的垫层料，最大限度地提高坝址附近建材用料的利用率。

5 结语

综上分析面板堆石坝坝型选择及修建应结合多方面因素，综合考虑，通过作者近年来实际工作经验，着重总结分析了面板堆石坝地质影响因素主要方面，但不同工程实际，情况各不相同，可根据具体情况，有侧重，多方面，综合分析，解决实际工程问题。