小粒径石料填筑面板堆石坝的应用研究

2018-10-20林永生王小红

水力发电 2018年7期

林永生，曹磊，王小红

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

0 引言

随着西部大开发进程的加快，贵州省内水利水电工程也得到了大力推进，混凝土面板堆石坝以其独特的优势广泛应用于水利水电工程中[1-3]。混凝土面板堆石坝中的堆石区是保证大坝稳定的控制结构，堆石材料的力学特性直接关系到坝体的安全与正常运行。混凝土面板堆石坝的一个重要优势为就地取材，由于各地岩土材料性质、爆破效果、施工工艺等存在较大差异，设计工作者们更多的参照类似工程经验或规范进行面板堆石坝堆石材料设计，缺乏相关的理论研究，因此，研究当地堆石材料是混凝土面板坝技术发展的重要方向。目前，国内外科技工作者对混凝土面板堆石坝的研究集中在以下几个方面：混凝土面板变形规律及防裂研究[4]，混凝土面板堆石坝渗流问题计算与分析[5]，新型筑坝技术与方法[8]，新型材料在混凝土面板中的应用[6-8]等。然而，这些研究更多的是在筑坝材料满足设计要求的基础上进行的(填筑材料的粒径、级配均满足规范要求或与已建工程相似)，而对于小粒径筑坝材料(指质地坚硬、最大粒径小于100 mm，100～200 mm粒径较少，无200～600 mm粒径的材料)，见诸于科技文献的相关研究极少[9]，对于小粒径堆石料筑坝技术尚未形成清晰的认识，且目前国内外科研团队也未对小粒径材料筑坝的相关问题进行系统研究。因此，探索小粒径石料的筑坝问题，拓展小粒径堆石料的应用范围以及设计理论具有重要的研究意义。

铜仁市碧江区马岩水库距铜仁市约14.5 km，挡水大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高63 m，坝顶总长202 m。施工阶段堆石料开挖现场揭露石料为隐节理发育的白云岩和白云质灰岩，爆破开挖后粒径较小，少有粒径为200 mm以上石料，石料的级配不满足原设计要求。为充分利用原设计料场资源，节约成本，保证大坝按期截流度汛与安全，同时也为了拓展面板堆石坝材料的设计理论，增强面板堆石坝的适应性，有必要针对马岩水库工程筑坝材料的可行性进行系统研究，研究结果同时可为类似工程提供参考。

1 小粒径堆石料的物理力学试验

在堆石坝施工阶段，现场开挖石料已不满足原设计要求，现对堆石料进行室内和现场碾压试验，研究这种小粒径堆石料筑坝的可行性。根据现场布置的9组主堆石区的现场密度、渗透系数试验以及室内对应的含水率、颗粒级配试验，对本次现场测试成果评价如下：

(1)室内固结排水抗剪强度中C=62.9～79.8 kPa，Φ=39.5°～42.9°，表明该堆石料具有较高的抗剪强度。

(2)室内大型固结压缩试验中0.1～0.2 MPa下的压缩系数为0.018～0.024 MPa-1，压缩模量为50.5～66.6 MPa，属低压缩性土，具有较高的压缩模量及较低的压缩系数。

(3)堆石区填筑干密度为2.13～2.24 g/cm3，平均为2.17 g/cm3，空隙率小于22%，规范要求最大不大于25%，碾压密实性较好。

(4)现场渗透系数为0.28～0.43 cm/s，平均为0.34 cm/s，设计要求为大于0.1 cm/s，满足堆石料自由排水的要求。

(5)最大填筑粒径小于碾压层厚，小于5 mm粒径的平均含量为11.23%，规范要求不宜超过20%，设计要求为0～20%，满足要求；小于0.075 mm粒径平均含量为0.72%，规范及设计要求为小于5%，满足要求。从颗粒级配包线来看，所检测的9组试样中，大于20 mm粒径颗粒处于反滤料下包线～堆石料上包线之间，不满足原设计要求，宜结合料场石料其他指标进行控制。

根据试验结果推荐施工参数：在各碾压试验块，碾压8遍及以上的干密度、孔隙率、渗透系数等均满足设计要求，但综合考虑现场施工熟练程度及机械人员配置力量，现暂推荐各填筑区施工参数见表1。

2 数值模拟分析

2.1 渗流计算分析

采用Autbank7.0软件计算堆石体内的浸润线、单宽渗透量和渗透坡降。有限元计算模型边界取为上下游边界距坝轴线均约160 m，底部边界距坝顶180 m。模型网格重点对防渗体系进行了细化处理，顶部高程为坝顶高程283.00 m。有限元计算网格如图1所示。

表1 推荐施工参数

注：碾压设备在实际施工中采用Ⅰ档运行，速度为2 km/h．

图1 有限元计算网格

根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》相关规定，结合面板坝特点，分别计算下列工况：①上游正常蓄水位与下游相应尾水位(消能防冲水位/正常尾水位)；②上游设计洪水位与下游相应设计洪水位；③上游校核洪水位与下游相应校核水位。由于篇幅有限，本文只给出工况③的水力坡降线和渗透流速计算结果，如图2和图3所示。

图2 校核洪水位水力坡降线

图3 校核洪水位渗透流速

根据计算结果可知，面板坝在以上3种工况中，单宽渗透流量为0.064～0.068 L/s，渗流量不大。由渗透剖面等势线图及渗透坡降等值线图可知，渗透坡降主要由混凝土面板承担，浸润线在混凝土面板处迅速下降，在其他堆石区渗透坡降很小，在主堆石区域浸润线基本与下游水位齐平，渗透坡降为0.004 75～0.005 02，远小于实验值的临界坡降1.7，故下游坡面不会因渗流而失稳。

2.2 坝坡稳定计算分析

本次计算采用Autbank7.0软件分别对面板堆石坝上、下游边坡进行稳定分析。采用瑞典圆弧法、简化毕肖普法，分别计算不同工况下相对应的抗滑稳定安全系数。计算工况为：①正常蓄水位稳定渗流期(下游坝坡)；②死水位稳定渗流期(上游坝坡)；③竣工期工况上、下游无水(上、下游坝坡)；④水位降落期非稳定渗流上游坝坡稳定(正常蓄水位降到死水位)。坝坡最小抗滑稳定安全系数计算成果见表2。

表2 坝坡抗滑稳定安全系数计算成果

从表2可知，混凝土面板堆石坝上下游坝坡在各工况下，最小抗滑稳定安全系数均大于规范要求，表面混凝土面板堆石坝是安全可靠的。

3 大坝运行监测分析

3.1 坝后坡表面变形观测

(1)面板顶部变形监测。在大坝面板顶部281.00 m高程共布置了5个表面变形观测墩，位置分别为坝横右0+054、坝横右0+030、坝横0+000、坝横左0+030、坝横左0+054，监测日期从2016年7月～2017年9月。通过监测结果可知，观测期内累积最大变形为垂直方向的沉降变形，最大位移为18.4 mm，位于坝轴线附近，量值较小，变形主要发生在2016年7月～11月，变形分布规律与类似工程比较无异常。

(2)坝后坡表面变形观测。在坝后坡两级马道上共布置7个表面变形观测墩，其中238 m高程马道3个、263 m高程马道4个。238.0 m高程马道向下游最大位移9.73 mm；最大沉降1.42 mm。263.0 m高程马道向下游最大位移4.93 mm；最大沉降16.77 mm。从量值来看，位移变化不显著。从分布规律来看，263 m高程马道的累计位移大于238 m高程马道的累计位移，坝体中部测点沉降量大于靠近岸坡的测点，分布情况符合一般规律。

3.2 大坝内部变形

(1) 坝体垂直位移。在240 m高程，坝横0+000条带共布置5个水管式沉降仪测点、5个引张线式水平位移计测点。沉降测点VM1-1、VM1-2、水平位移测点HM1-1、HM1-2位于上游坝体内，沉降测点VM1-3、水平位移计测点HM1-3位于坝轴线，沉降测点VM1-4、VM1-5、水平位移测点HM1-4、HM1-5位于下游坝体内。测点检测值从2015年5月～2017年5月。从过程线看，沉降变形主要发生在施工期及2015年5月～11月，2016年以后沉降变化曲线趋于平缓。在观测期内，最大累计沉降量为217.28 mm(VM1-2测点，纵上0+025)，约为最大坝高的0.36%，小于国内外同类材料筑坝的沉降，说明堆石体提供了可靠的支撑，证明坝体安全可靠。在264 m高程共设置左、中、右3条条带，每条条带各布置3个沉降测点和3个水平位移测点。截止到2017年5月，最大累计沉降量为203.84 mm(VM2-2的点，坝横0+000、坝纵0+000)，且趋于稳定。

(2)坝体水平位移。从实测成果看，240 m高程水平位移量最大的是HM1-1测点(坝横0+000、纵上0-060)，其值为-421.25 mm；264 m高程位移最大的是SE8测点(坝横0+000，纵上0+016)，其值为148.2 mm，截止到目前，位移变化趋于稳定，坝体的变形状态表明坝体安全可靠。