西域砾岩在筑坝技术上的应用

杨 武，余华英

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 基本情况

西域砾岩属第四系地层，广泛分布于新疆塔里木盆地周边、天山南麓和昆仑山北麓山前地带，其性质介于岩石与土之间。国内外对西域砾岩的研究很少且不深入。由于其结构复杂，力学性能极差，抗压强度低、软化系数小、颗粒级配较细、含泥量高，一般不满足堆石料设计指标要求，因而不得不大量废弃，而另辟料场，由此造成工程造价的提高，并给生态与环境保护带来负面影响。现有的技术手段和规程、规范不完全适用于在西域砾岩地区修建的水利工程，西域砾岩成为制约工程建设和运行安全的技术难题。

通过对各类西域砾岩开挖料的物理力学性质，包括西域砾岩特性、分类，分析粒径和胶结物含量、成分变化时西域砾岩的渗透规律，以及西域砾岩筑坝长期“湿化”变形特征等关键技术和施工方法，探讨砾石含量和胶结性质发生变化时，抗剪、抗压、变形等工程物理力学的强度指标值及渗透性、崩解性与膨胀性的变化规律，提出一套技术成果首次作为筑坝材料大面积在新疆迪那河五一水库工程中得到应用。

2 迪那河五一水库工程概况

工程区位于天山南麓的塔里木盆地北部边缘，由剥蚀、侵蚀中低山地貌向出山口的冲洪积堆积地貌过渡，出露地层主要有第三系和第四系地层，其中第四系下更新统西域砾岩(Q1)，呈厚层状构造，砾状结构，泥砂质、钙质胶结或半胶结，岩体较完整。五一水库为Ⅲ等中型工程，总库容0.968亿m3，地震基本烈度为8度。枢纽工程由碾压式沥青心墙坝、溢洪洞、导流兼泄洪冲砂洞、引水发电系统及供水管线等组成。泄洪和发电引水系统均布置在左岸。

碾压式沥青混凝土心墙坝坝高102.5m，坝顶总长394.4m，坝顶宽度10m，上游坝坡1∶2.5，下游边坡1∶2.0，下游坝坡在1315.0m、1350.0m高程处各设一条2m宽的马道。坝体断面以沥青混凝土防渗体为中心，由几种渗透系数从小到大的不同筑坝材料组成，主要包括防渗体、上下游过渡料、砂砾料区、开挖料利用区。

3 坝料分析

工程区勘查的砂砾料料场有C1、C2、C3、C4料场，岩性为第四系上更新统冲积砂砾石，成分为花岗岩，凝灰岩、粉砂岩，距离坝址0.3～2.0km，储量607.5万m3。C1料场粒径≥200mm含量2.74%；200～60mm含量17.65%；60～20mm含量31.94%；20～5mm含量23.71%；≤5mm含量23.97%，不均匀系数为37.2～109.6，曲率系数为3.12～6.34。坝壳料填筑设计时主要采用C1砂砾料填筑。

五一水库工程自2009年3月开工建设，截至2014年3月，工程砾岩开挖利用料堆积于坝线及坝线下游东侧阶地平台L1区、L2区两个料堆，距坝线直线距离100～600m，储量约有300万m3左右。砾岩经爆破均成松散砂砾石状，其性质与C1砂砾料料场相似。为了减少对环境的影响，尽可能的多采用利用料，开展了西域砾岩筑坝技术的研究。

2010年4月设计单位赴工地现场在开挖利用料堆积区取样13组、导流洞出口取开挖料2组进行试验。结果表明。开挖料粒径≥60mm含量16.72%；60～20mm含量32.42%；20～5mm含量25.83%；≤5mm含量25.95%，不均匀系数为49.0～122.7，曲率系数为3.01～8.64。渗透系数8.6×10-2～9.1×10-3cm/s，含泥量4.1～8.7%。

2014年1月进一步在两个利用料的堆放区L1区、L2区各取具有代表性14组料，在已填筑围堰上取4组料，分别进行了颗粒级配组成、含泥量、渗透系数、化学成分、胶结成分、大型压缩、碾压前后颗粒级配变化等试验，并委托大连理工大学进行坝体计算分析。

(1)通过以上利用料试验表明：工程西域砾岩开挖利用料与C1砂砾石料场的母岩成分相似，颗粒级配、含泥量、渗透系数、物理力学性质均相差不大，碾压前后的颗粒级配、物理力学性质也变化不大，两个料场均能满足坝壳填筑砂砾料的质量技术要求。

(2)从大连理工大学进行的坝料静力试验结果表明：

①考虑了上游堆石体的湿化变形效应，满蓄期坝体沉降最大为37.0cm，最大值位于坝体上游区域。大坝顺河向向上游变形的最大值为7.3cm，向下游变形的最大值为4.6cm。由于大坝河谷非常狭窄，两岸的约束作用明显，满蓄后大坝最大沉降仅为坝高的0.36%。

满蓄期坝体主应力最大值出现在坝底中轴线附近，坝体大、小主应力最大值分别为1.28MPa和0.69MPa。计算结果合乎堆石坝的应力变形规律。

②满蓄期，考虑水压力、浮托力和湿化变形的联合作用，心墙的顺河向位移为6.0cm(向上游变形)，竖向沉降为32.0cm。心墙大主应力最大值为1.05MPa；小主应力最大值为0.75MPa。

满蓄期，心墙大部分区域应力水平小于0.40，仅河床底部以及与两岸山体连接部分的应力水平达到0.5左右。说明心墙应力水平不高，心墙不会发生破坏。

③正常运行遭遇地震的工况下，上、下游坝坡整体稳定性具有一定的安全裕度。

综合以上研究成果，五一水库西域砾岩开挖利用料与C1砂砾石料场物理力学性能指标、碾压前后的颗粒级配组成相差不大，湿化变形不大，满足坝体填筑的要求，采用西域砾岩填坝是可行的。

4 西域砾岩筑坝施工要求

(1)西域砾岩岩石开挖料，按弃碴料和可利用料分别堆放，可利用的西域砾岩开挖料要求将表层坡积土、覆盖层剥离至可用层为止，严禁在可利用料内混杂废渣料。西域砾岩开挖料中，泥质胶结含量较高的岩石开挖料不宜填坝，混杂坡积土的利用料不允许填筑坝体。

(2)根据坝体功能及分区，开挖利用料要求设计相对密度Dr≥0.85，小于0.075mm含量不宜大于8%。渗透系数大于1×10-3cm/s，压实后的容重大于2.0g/cm3。

(3)西域砾岩开挖堆积料，因人工拉运、倾倒、推碾，造成砾石在垂直方向上具有一定的分选性：靠上部砾石粒径一般2～5cm，靠中部砾石粒径相对较大，一般3～6cm，靠下部尤其是自坡脚向上2.5m左右，砾石粒径5～8cm含量明显增大，由于砾岩开挖堆积料是分期分段逐步堆积推压而成，造成砾岩开挖堆积料在水平方向上也具有一定的不均一性。

(4)根据要求的级配，进行相应的级配试验，严格控制利用料的料质和颗粒级配，进行铺料方式、铺料厚度、振动碾的类型及重量、碾压遍数、铺料过程中的加水量、压实层的相对密度和干容重等试验。为了减少坝料分离，宜采用立面开采取料，或采取其他措施保持利用料的均一性和连续级配，卸料和铺料后，检查颗粒分离状况及级配曲线，如发现颗粒分离情况，应分析原因，提出改善措施，保证利用料的均匀性。

(5)优先使用质量性质较好的利用料片区，剔除含泥量较大、开挖堆积料分离严重的片区。开采过程中遇有比较集中的软弱颗粒，应按弃料处理。

(6)应采取措施防止颗粒分离，卸料高度应加以限制，不允许从高坡向下卸料。

5 西域砾岩筑坝在各工程中的应用

通过以上试验研究和计算，表明西域砾岩开挖料可大量用于坝体填筑，五一水库工程坝体砂砾料填筑量为120万m3，利用西域砾岩筑坝的方量为60.8万m3，占坝体填筑量的50.7%。目前监测数据表明，大坝性状良好。

小石峡水电站位于新疆阿克苏地区库玛拉克河上，基岩岩性为第四系下更新统泥钙质胶结的砾岩夹少量砂岩。根据五一水库的研究成果，尽量利用工程区的砾岩开挖料。坝体砂砾料填筑量为145万m3，利用砾岩筑坝的方量约为50万m3。

奴尔水利枢纽工程位于新疆和田地区策勒县奴尔河中下游河段，基岩为第四系下更新统西域砾岩，建筑物开挖的西域砾岩大部分用于了坝体填筑，西域砾岩开挖料的用量达38万m3。

另外，西域砾岩开挖料筑坝还在新疆恰木萨水电站、莫莫克水库等得到广泛应用。

6 结语

西域砾岩广泛分布于新疆塔里木盆地周边、天山南麓和昆仑山北麓山前地带，其性质介于岩石与土之间。通过对西域砾岩的研究，工程区西域砾岩开挖料均可作为坝壳料。利用开挖料，具有就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田等优点，按压实后的级配确定材料的物理力学指标，并应考虑浸水后抗剪强度的降低、压缩性增加等不利情况，对软化系数低的宜填筑在下游坝壳干燥区，水下部位和上游坝壳水位变动区应采用性能好的西域砾岩填筑。

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