薄层砂岩及板岩互层岩石在面板堆石坝中的应用及坝体分区研究

2020-01-15张晓将西北勘测设计研究院陕西西安710065

建材发展导向 2019年24期

张晓将（西北勘测设计研究院陕西西安 710065）

0 引言

某工程地处青藏高原偏远地区，枢纽具有高海拔、严寒气候条件、地震烈度高等特点。通过坝型经济技术综合比较论证研究，初步选择混凝土面板堆石坝作为代表坝型，混凝土面板堆石坝最大坝高160m。

坝址区两岸阶地分布有大面积覆盖层，覆盖层上部分布有厚度较大的粉砂质粘土层，经研究粉砂质粘土具有分散性，不能满足高坝防渗心墙土料的质量要求。粉砂质粘土层下覆有砂砾石层，但层厚较薄，储量少，质量较差，不具备开采利用价值。总之，坝址区粘土料及砂砾石料不满足筑坝要求。坝址区及近坝区岩性以砂岩与板岩为主，且砂岩与板岩多呈互层状、高倾角状分布，灰岩仅在局部有条带状分布。灰岩条带开采后需要优先做为混凝土骨料使用，数量基本满足骨料用量要求。工程块石料质量较差，主要问题是砂岩中夹有薄层板岩，或砂岩与板岩呈互层状，层间断层及软弱夹层较发育。块石料中极薄层板岩、砂岩及断层带约占20%～25%，此部分岩石做为堆石料，粒径偏细，岩性软弱，软化系数偏低，会对大坝的应力和变形存在影响。如果要剔除，难度大，还会造成料场开采料的利用率降低、堆石料单价提高，从而使面板堆石坝的经济性难以体现。

1 筑坝料工程特性

1.1 筑坝料地质工程特性

料场与坝址区地层均为三叠系中上统地层，主体岩层岩性为砂岩、板岩及灰岩条带。

灰岩（Ls）：主要分布于料场上游的灰岩条带；岩质坚硬，灰岩单层厚度一般10～50cm 为主，中厚层状，局部薄层状，上游灰岩中夹有极薄层状板岩，层状～薄层状结构。灰岩可作为混凝土骨料料源优先使用。

板岩（Sl）：多呈薄～极薄层状，总体岩质中硬，局部泥质含量高的泥质板岩多呈软弱夹层，多夹于砂岩或灰岩间，与砂岩形成互层，以单层厚度0.5～3cm 为主，当单层厚度小于0.5cm 时多为泥质板岩。由于泥质板岩层分布厚度变化大，开挖过程中难以剔除，作为坝体填筑料时亦只能用在下游堆石区，或与砂岩混合后使用。

砂岩（Ss）：砂岩多呈层状结构、与板岩互层时呈薄层状结构。单层厚度大的砂岩多形成厚度大的砂岩层，开采后的块径一般在10～40cm 间，也可分层开采，砂岩与板岩互层分布时砂岩单层厚度一般小于10cm，开采后的块径多在2～8cm间，亦不能分层开采，只能与板岩混合开采使用。考虑到坝体上游堆石区、垫层区等对块径、岩石强度的要求，建议对层厚大的砂岩层进行分层开采使用，或混合开采后有选择地对块径大、强度高的料用在上游堆石区，而因与板岩相间分布而不能分层开采的砂岩混合开采后用于下游堆石区。室内岩石物理力学性质试验成果表明，砂岩、灰岩的平均密度为2.74 g/cm3，板岩的平均密度略高，为2.76 g/cm3；单轴干抗压强度平均值分别为灰岩55.0 MPa、砂岩88.8 MPa、板岩67.61MPa，饱和抗压强度平均值分别为：41.0 MPa，67.0 MPa、38.44 Mpa，软化系数平均值为0.74、0.73、0.63，砂岩为坚硬岩，灰岩和板岩属于中硬岩，但板岩软化系数要偏低。

1.2 筑坝料物理力学特性

为了了解筑坝材料性质、确保大坝安全和料区布设合理，并满足设计计算分析的要求，对主要筑坝料进行相关的物理和力学性能试验（见表1）。

表1 试验坝料种类及填筑标准

1.2.1 渗透及渗透变形试验

分析渗透及渗透变形试验成果，主堆石平均级配线和上包线渗透系数值在10-2～10-1cm/s 之间，渗透性等级均属强透水，能够自由排水。下游堆石料平均线渗透系数值在10-2～10-1cm/s 之间，能够自由排水，但下游堆石料上包线随含泥量的增加，渗透系数值可减小到10-4cm/s，对坝体的自由排水有影响。

1.2.2 抗剪强度参数试验

抗剪强度参数是反映土体抵抗剪切破坏的最大能力。本次试验采用大型三轴仪，试验按风干和饱和两种状态，依据试验控制干密度进行制样，试样直径为300mm，分5 层装填试样，分别在围压 200kPa、 600kPa、 1200kPa、 1500kPa、 2000 kPa 的情况下按照SL237-060-1999 相关要求进行试验。

抗剪强度参数试验成果表明，试料的饱和状态抗剪强度比风干状态下低，抗剪强度参数值随板岩，特别是泥质板岩含量的增加而减小。

1.2.3 E—B 模型参数

从整个试验资料看，各筑坝料的应力应变关系曲线无较明显的峰值，属应变硬化型。从强度参数值来看，风干状态比饱和状态下高，随着板岩含量的增加k 值逐渐减小，说明浸水作用对该混合料影响较大。应力应变参数值总体上皆在常用数值范围内，比较规律。

1.2.4 破碎率

试验成果表明，总体上随着围压的增大，破碎率值也逐渐增大，但在中高压时增幅有减缓的趋势。随着试验状态的不同，饱和状态下的破碎率比风干状态增大，板岩含量、特别是泥质板岩含量的增加对混合料的破碎率增大有较大影响。

2 坝体分区设计

2.1 设置上游排水区的必要性分析

根据工程经验，上游堆石区为软岩堆石料，渗透性不能满足自由排水要求时，应在坝体偏上游设置竖向排水区、沿底部设置水平排水区，排水区的排水能力应保证全部渗水自由地排出坝外。根据主堆石料的渗透及渗透变形试验，其渗透系数在10-2～10-1cm/s 之间，渗透性等级属强透水，能够自由排水。因此，在拟定坝体分区时可以不设置上游排水区。

2.2 坝体分区方案拟定

按照上游堆石区与下游堆石区间分界线的不同初拟了4 个坝体分区方案。方案1、3 与方案2、4 的区别在于下游堆石区3C 料下游边界的不同，方案1、3 在下游堆石区3C 料下游边界设置主堆石3B 料进行保护，方案2、4 在下游堆石区3C 料下游边界不设置主堆石3B 料。方案1 与方案3 以及方案2 与方案4 的区别在于上游堆石区与下游堆石区上游分界线的不同，方案1、2 上游堆石区与下游堆石区间上游分界线坡度倾向下游1: 0.2，方案3、4 上游堆石区与下游堆石区间上游分界线坡度倾向上游1:0.5。

2.3 坝料土石方平衡分析

根据对枢纽各建筑物开挖料岩性及坝体各部位对坝料质量的要求，导流洞、泄洪洞、引水洞、坝基和溢洪道开挖的弱风化下部～微风化中厚层砂岩、砂岩夹板岩及互层开挖料可用于下游堆石区。根据地质资料、料场材料试验和混凝土试验资料，料场开挖料利用遵循以下原则：

弱～微风化、中厚层～厚层的灰岩料用作垫层、垫层小区、过渡料；

上游堆石区料由弱～微风化、中厚层～厚层的砂岩、砂质板岩料以及剩余的灰岩料组成。

通过各方案坝体土石方填筑平衡计算，各分区方案垫层区、垫层小区使用料场开挖的灰岩料，过渡料区、下游排水区、上游堆石区使用料场开挖的砂岩、砂质板岩料，下游堆石区使用建筑物或料场开挖的灰岩、砂岩、板岩料。

方案1 有83.64 万m3（压实方）建筑物开挖料未能上坝，上坝量占总填筑量26.6%，利用不充分；方案2 有17.05 万m3（压实方）未能上坝，上坝量占总填筑量36.6%，利用较充分；方案3 有33.31 万m3（压实方）未能上坝，上坝量占总填筑量34.2%，利用率不如方案2；方案方案4 建筑物可利用料利用充分，全部上坝。因此，从开挖料利用率出发，坝体分区方案4 最优，方案2 较优，方案3 较差，方案1 最差。

经过坝料利用的比较，初步选定坝体分区2、3、4，下一步将针对这三个分区方案，通过坝坡稳定计算及坝体应力应变计算选定推荐分区方案。

2.4 坝坡稳定计算

通过分析坝体在自重和设计工况的外荷载作用下的抗滑稳定性，验证坝体断面设计的安全性和合理性，确定坝体下游堆石区是否需要用主堆石料保护。

坝坡稳定计算时选取坝体典型横剖面进行坝坡稳定计算，计算方案采用初选的坝体分区2、3、4 进行。

坝坡稳定计算采用刚体极限平衡法。计算中时采用简化毕肖普法、滑楔法进行有效应力法分析，运用系列滑弧法计算，求得最危险滑弧面及其最小安全系数。计算参数见表2。

各种工况下下游坝坡稳定计算结果见表3。

从以上的计算结果可以看出，无论是坝体分区3 还是坝体分区2、4，上、下游坝坡均能满足稳定要求。为了提高开挖料利用率，初选坝体分区方案2 或4，即在下游堆石区3C 料下游边界不设置主堆石3B 料。

2.5 坝体应力应变计算

表2 坝体填筑材料物理力学参数

表3 下游坝坡稳定最小安全系数计算成果表

通过计算分析坝体在其自重及其他外荷载作用下、在各种不同工况下的应力和变形，验证坝体设计的安全性及合理性，确定主堆石、下游堆石区分界面位置。

坝体应力应变计算时选取坝体典型横剖面进行，计算方案采用初选的坝体分区2、4 进行。

有限元计算采用平面非线性总应力法。其中，堆石体静力计算模型采用Duncan E-B 模型，混凝土防渗结构及基岩采用线弹性模型，在混凝土面板和垫层之间、面板与趾板之间设置无厚度goodman单元模拟其接触面特性。计算参数见表4。

各坝体分区方案坝体应力应变计算结果见表5。

分析以上计算结果，可以得出以下结论：

对比坝体分区2 和坝体分区4 计算结果，可以看出，坝体应力和位移分布规律基本相同，只是具体数值互有区别。竣工期坝体最大沉降分别为141cm、149cm，分别为坝高的0.88%、0.93%，蓄水期坝体最大沉降分别为145cm、154cm，分别为坝高的0.91%、0.96%，这说明随着坝体下游堆石料分区范围的加大，坝体沉降亦相应增大，符合坝体变形的一般规律。两种方案下，面板挠度分别为52.8cm、54.1cm，面板挠曲率分别为0.198%、0.203%。

虽然坝体分区2 和坝体分区4 计算结果相差不大，但坝体分区2 对面板的影响较小，因此本阶段推荐坝体断面采用分区2。