砾岩料在魁龙水库大坝工程中的研究应用

张全意，蔡 平，曾 旭

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程概况

魁龙水库工程位于贵州省余庆县境内，水库正常蓄水位630.00m，总库容1152万m3，属中型水库，主要任务是为县城和工业园区供水，年供水量1170万m3/a。水库枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、竖井旋流泄洪洞及取放隧洞等建筑物组成。大坝于2013年11月开始填筑，2014年10月填筑完成，2016年5月下闸蓄水投入运行。

坝址区附近分布地层主要为第三系(E)砾岩，其物质成分多样，为机械式胶结，岩性均一性差，韵律性明显，存在软化、崩解、离散现象，整体含泥量大于10%，饱和抗压强度15～20MPa，属软岩料，弱风化岩体属CⅢ类。而硬岩料分布较近的位于坝址东部，距离约10km，岩性为∈1q灰色厚层至块状灰岩、白云质灰岩，饱和抗压强度大于40MPa，岩质坚硬，抗风化能力强，岩石质量较好。

针对工程区附近天然建筑材料分布及质量、储量和对外交通条件等因素，大坝填筑材料经选择“软岩+部分硬岩料”“全部硬岩料”两种结构设计方案进行技术经济比较后，采用“软岩+部分硬岩料”设计方案，即垫层区、过渡区、竖向及横向排水区料采用灰岩料，其余堆石区为砾岩料，坝体填筑总量约60万m3，其中灰岩料20万m3、砾岩料40万m3。

2 大坝结构设计

大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高58.5m，坝顶宽7.0m，坝顶长190.0m，坝顶高程633.50m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.56，最大坝底宽170.66m。上游采用0.45m等厚防渗混凝土面板，面板后分别设置水平宽3.0m垫层和水平宽4.0m过渡层，过渡层后在高程626.00～583.00m之间设置水平宽4.0～11.20m的竖向排水区，河床583.00m高程以下设水平排水区，竖向排水区后和水平排水区以上为堆石区(采用砾岩料填筑)，下游坝面采用混凝土预制块护坡。面板周边与趾板相接，趾板厚0.50m，宽5.0～4.0m，置于弱风化层上部岩基上，设φ25锚筋与基岩连接，锚入基岩4.0m，间距1.5m，趾板基础采用固结灌浆和帷幕灌浆。面板和趾板采用C25混凝土，设单层双向钢筋，水平向配筋率为0.3%，竖向配筋率为0.45%。根据现场碾压试验数据，坝体各分区材料填筑要求和特性指标见表1。大坝剖面设计图如图1所示。

(1)垫层区，采用灰岩骨料，铺筑层厚0.5m，最大粒径80mm，粒径小于5mm的含量宜为30%～50%，小于0.1mm的含量宜控制在8%左右，压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度，干容重2.20t/m3，孔隙率15%，渗透系数为1×10-3～10-4cm/s。

(2)过渡区，采用灰岩料，铺筑层厚0.5m，最大粒径300mm，且级配连续，压实后应具有低压缩性、高抗剪强度、自由排水性能，干容重2.15t/m3，孔隙率18%，渗透系数>1×10-3cm/s。

表1 材料分区特性表

大坝剖面设计图

表2 砾岩物理力学指标表

(3)排水区，坝体过渡区后竖向排水区和河床583.00m高程以下水平排水区，均采用灰岩料，铺筑层厚1.0m，最大粒径为800mm，压实后应能自由排水、有较高的压实密度和变形模量，干容重2.1t/m3，孔隙率22%，渗透系数>1×10-2cm/s。

(4)堆石区(干燥区)，采用砾岩石料，铺筑层厚0.6m，最大粒径500mm，压实后具有较低的压缩性和一定的抗剪强度，干容重2.15t/m3，孔隙率19%，渗透系数>1×10-4cm/s。

3 大坝结构分析计算

针对大坝填筑材料分区设计，其堆石区为砾岩，岩性均一性差，抗压强度低，存在软化、崩解、离散现象，整体含泥量大于10%(超过规范要求)。对砾岩料开展了室内大型三轴试验工作，其砾岩主要物理力学指标见表2。结合相关试验数据，坝体堆石区分别利用强、弱风化砾岩料填筑的情况下，对大坝应力应变、位移及坝坡稳定等采用三维有限元进行分析计算。

3.1 计算参数

(1)混凝土材料参数

混凝土面板与趾板按线弹性模型考虑，其弹性模量、泊松比和密度分别为：E=28GPa，μ=0.167，ρ=2.40g/cm3。

(2)堆石料参数

垫层料、过渡料和排水区料的材料参数参考同类工程成果选取，砾岩堆石料参数选用平均线级配、密度2.12g/cm3时的三轴试验结果作为基准方案选取，各材料参数见表3。

表3 坝料的双屈服面模型参数

表4 接触面模型参数

(3)接触面参数面板与垫层间无厚度接触面单元模型参数见表4。

3.2 分析计算结果

根据坝体填筑材料分区设计和岩石的实验指标，按大坝填筑质量控制指标要求，对堆石区采用强、弱砾岩风化料填筑两种条件下进行三维有限元分析计算，其大坝变形与应力特征值、坝坡稳定安全系数见表5。

从表5数据可知，堆石区在分别采用强、弱风化砾岩料两种条件下，坝体和防渗体的应力变形指标均未发生明显变化。坝体顺河向位移最大值12.7cm，最大沉降值42.3cm，占坝高的0.72%，坝体的主应力和应力水平变化较小。面板最大压应力2.66MPa、最大拉应力0.97MPa，其位移和挠度值均较小，均未超过混凝土材料的抗压和抗拉强度。面板周边缝的最大剪切、沉陷和张拉量分别为4.4、27、15.7mm；垂直缝的张拉变位量3.0mm，均在设计止水材料的变形允许值内。上、下游坝坡的稳定安全系数两种组合条件下均大于规范规定的最小安全系数1.25。

根据上述三维有限元分析计算成果，坝体堆石区可采用强、弱风化砾岩料填筑，施工中降低了料场的开采强度，加快施工进度，并可充分利用枢纽区的开挖料，减少弃渣量及渣场征地，节省工程投资，减轻了工程施工对周边环境的影响。

4 大坝安全监测

根据SL551—2012《土石坝安全监测技术规范》的要求，针对本工程大坝堆石区填筑材料的特性，为了及时掌握大坝在施工期和运行期各工况下的安全情况，对大坝外部变形，坝体内部垂直和水平位移，面板垂直缝、周边缝，坝体渗水量等布设相关观测设备进行监测。大坝施工期至运行期监测成果见表6。

表5 堆石区(砾岩料)不同风化程度时的主要计算结果表

表6 施工期至运行期大坝监测成果表

从表6中监测数据可知，大坝垂直最大累积沉降量36.69cm(其中施工期28.38cm，蓄水运行期8.31cm)，为坝高的0.63%。坝体内部水平位移值为1.82～5.78cm，基本表现为向下游方向，水库蓄水后，堆石体水平位移计变化量均较小。面板相对趾板的开合、剪切、沉降位移量无突变等异常现象，周围边缝变化基本正常，面板相对趾板开度基本呈现闭合趋势，最大开度1.01mm，最大闭合值-2.26mm。面板混凝土两向应变基本为压应变，最大总压应变值-196.26με，变化量在14.24～112.3με之间。面板脱空变形量0.0～7.18mm、剪切变形值-0.91～1.72mm，水库蓄水后的累积变形量及变化量均较小，表明脱空计测点附近面板与挤压边墙未发生明显脱空。大坝蓄水至正常蓄水位630.00m，下游量水堰渗漏量在0.70～2.30L/s之间，且量水堰流量水位变化平缓，量级较小。

通过大坝施工期和运行期观测成果分析，大坝变形值在正常范围内，且已趋于稳定；水库蓄水后面板竖直缝及渗压计测值未见明显变化；面板周边缝开合、沉降方向位移量较小，测值基本稳定；坝基渗透水位与下游坝脚水位基本一致，蓄水期左、右岸趾板无明显渗漏情况。

5 结语

魁龙水库大坝堆石区主要利用就近砾岩料填筑，经大坝施工期及蓄水运行期安全监测成果资料分析，与前期“坝体筑坝材料试验及三维有限元分析”计算成果基本一致，其力学性质满足坝体强度和变形要求，大坝结构设计合理，水库大坝运行安全，为同类建设条件下混凝土面板堆石坝设计提供借鉴作用。但由于砾岩的物质成分多样化，并多为机械式胶结，其岩性均一性差，韵律性明显，存在软化、崩解、离散现象，且整体含泥量大，渗透性差，抗压强度低，适宜作为坝体干燥区的填筑材料，并须作好砾岩料堆石区前缘竖向和低部水平排水等措施的结构分区设计。