软硬岩混合料用于堆石坝体填筑的分析研究

杨勇

（河南灵捷水利勘测设计研究有限公司云南分公司，云南昆明650231）

1 工程概况

扎实德水库位于永胜县东山乡向阳村扎实德河源头段，为金沙江左岸一级支流。扎实德水库总库容为280.0万m3，拦河坝为风化土料心墙堆石坝，坝顶轴线长140.5m，坝顶高程为2192.30m，最大坝高66.8m，工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等。水库坝址以上控制径流面积为12.30km2，主河道长4.8km，河道平均比降为0.151，流域形状大致呈扇形。区域内出露地层主要为中生界侏罗系和白垩系，第四系在工程区广泛分布。

2 筑坝料特性

2.1 石料强度及软化性能

工程区分布的地层基本呈对称状分布于细腰梁子的东西两侧，分布的地层从上到下为白垩系江底河组泥质粉砂岩、泥岩，马头山组砾质砂岩、砂岩、泥质粉砂岩，普昌河组、高丰寺组、泥质粉砂岩、泥岩，侏罗系妥甸组泥质粉砂岩、泥岩。经现场调查，料场选用的地层为白垩系马头山组（K2m）上部的厚层状紫红色泥质粉砂岩、灰色砂岩，岩层单斜缓倾角倾向上游。根据钻孔内取岩样分析，堆石料主要为软岩与中硬岩、坚硬岩互层，砂岩层厚占40%，泥岩层厚占30%，泥质粉砂岩层厚占30%。试验结果显示：弱风化及以下泥质粉砂岩饱和抗压强度为24.7～51.3MPa，泥质粉砂岩饱和抗压强度平均值为36.1MPa，为中硬岩类，软化系数为0.48～0.74；砂岩饱和抗压强度为57.3～126.9MPa，为坚硬岩，软化系数为0.40～0.56；弱风化泥岩岩饱和抗压强度为5.3～20.4MPa，饱和抗压强度平均值为12MPa，软化系数为0.33～0.62。堆石料的软化系数偏低，且泥岩含量约为20%，泥岩在干湿循环下易泥化崩解。

2.2 渗透性

根据砂泥岩混合料渗透及渗透变形试验结果，堆石料属于强透水性材料，渗透系数为4.1×10-2～3.4×10-2cm/s，临界坡降为0.14～0.18。由于制样时进行了缩尺，实际坝料的渗透性会比试验的渗透性增大。其堆石料渗透性满足规范要求，需设置排水区加强排水。

2.3 软硬混合料剪切特性

为了解砂泥岩混合料的抗剪强度和应力路径。设计阶段取2组混合料试样，按照设计压实标准、级配进行大三轴试验，其抗剪强度指标、模量基数偏低；结果见表2。

表1 堆石料岩样力学指标统计表

表2 硬岩∶软岩（7∶3）混合料固结排水剪参数表

2.4 软硬混合料变形特性

混合料的变形特性和硬岩与软岩比例有关，马来西亚巴贡（Bakun）面板堆石坝岩层为硬砂岩和页岩互层，页岩含量约占30%，硬砂岩饱和抗压强度约为50MPa，页岩不到30MPa。南科院对巴贡混合料进行室内试验成果，掺页岩30%的混和料的压缩变形小，相同压力条件下与砂岩孔隙比相近。

对巴贡水电站大坝的硬砂岩和页岩的各种堆石料进行了现场碾压试验，不加水碾压的情况下，微风化硬砂岩堆石料的压缩率和页岩含量30%的混合料接近，页岩含量超过30%的混合料的压缩率迅速增加，特别是碾压遍数越多增加更明显。加水量为25%～30%、层厚867～917mm，弱风化硬砂岩中包含30%和50%的页岩混合堆石料，碾压8遍或10遍的压缩率相近，碾压遍数少于8遍，含50%页岩的混合堆石料的压缩较大；随着页岩含量进一步增加，压缩率明显增加。说明硬砂岩中掺30%页岩的混合料，其变形特性仍保持硬岩料的变形。

工程填筑料为硬岩与软岩混合料，混合比为7∶3，设计阶段进行2组混合料固结压缩试验，试验结果压缩模量为32.6～35.0MPa，试验为低压缩性土，但坝料软化系数偏低，根据试验结果及类似工程经验，填筑料变形特性接近硬岩，工程大坝设计按照硬岩堆石料力学性质进行坝坡设计，根据坝料特性，进行合理的坝体分区。

3 坝体分区设计

根据工程建筑材料特性，拟定大坝的体型参数。大坝主要分区为度汛坝体粘土斜墙，上、下游堆石区，下游风化料区，过渡料，反滤料，防渗心墙，下游堆石排水区。

3.1 度汛坝体防渗斜墙区

根据大坝填筑量及施工强度分析，确定度汛坝体采用抬头坝形式，风化土斜墙防渗，料源为土料场风化土料。

3.2 风化土料心墙区

防渗心墙料采用全风化层与残破积层混合料，碾压后各项指标满足规范要求。心墙顶宽3.0m，防渗体最高65.9m，上、下游侧坡比均为1.00∶0.25；心墙料压实后渗透系数K＜1×10-5cm/s，压实度不小于0.98，压实检测采用三点击实法。

3.3 过渡层、反滤层区

反滤料包络线设计按心墙料碾压后的级配设计，心墙上游分别设置反滤料、过渡料各一层；心墙下游侧分别设置Ⅰ区反滤层、Ⅱ区反滤层。大坝心墙与坝壳料变形模量差大，心墙与两侧堆石料变形不协调，大坝心墙部位存在拱效应，下游反滤料处应力集中，所以拟定下游Ⅰ，Ⅱ反滤料宽度均为2.0m，坡比均为1.00∶0.25，以协调变形及加强心墙的保护。上游侧反滤料参照下游侧Ⅰ区反滤层级配，上游过渡料级配参照Ⅱ区反滤料。反滤料要求级配连续，Ⅰ区、Ⅱ区反滤料要求相对密度不小于0.75。

3.4 上、下游堆石区

大坝上、下游堆石区是承受和传递水荷载的主要部分，是坝体抗震和坝坡稳定的关键部位。填筑料为弱风化泥岩、泥质粉砂岩、灰色砂岩混合料，由于堆石料软化系数低，应重视堆石料加水碾压。大坝上、下游堆石料压实后有良好的颗粒级配，最大粒径不大于600mm，小于5mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%。填筑标准：压实后孔隙率为不大于22%，干密度大于2.14g/cm3，堆石料碾压前应加水，加水量为堆石料体积比的20%；压实后渗透系数K≥1×10-2cm/s。

3.5 下游风化料区

为充分利用当地材料减少弃渣，降低工程造价，在下游干燥区设置风化料区。该区布置于下游坝壳区高程EL2147.50～2158.00m段，采用石料场强风化石料及洞渣料填筑。压实后孔隙率不大于22%，干密度不小于2.08g/cm3，碾压前应加水，加水量为填筑料体积比的20%；压实后渗透系数K≥1×10-3cm/s。

3.6 下游堆石排水区

由于下游坝壳料为软岩～中硬岩混合料，碾压后易碎，坝体排水效果较差。为加强排水效果，下游坝壳区2140.00m高程以下设置一层堆石排水区，采用块石填筑，厚度大于3.0m。排水区石料采用石料场弱风化砂岩，排水区采用块石填筑。填筑标准：压实后孔隙率为25%～28%，干密度大于2.05g/cm3，碾压前应加水，加水量为块石料体积比的20%；压实后渗透系数K≥1cm/s。

4 应力应变分析

根据坝体设计分区，对大坝施工期和蓄水期进行二维平面应力变形分析，计算的过程中，采用分层加载的方式对施工期坝体填筑进行模拟，计算模型取最大坝高断面。

对于土石坝，由于土体材料本构为非线性弹性模型，坝体最终的应力变形与加载历史有关。因此，数值分析建模按设计加载顺序分15级加载，其中第1级是大坝修建前地基基础的模拟计算，第2级至12级大坝填筑至2192.30m高程（坝顶高程），第13级至第15级大坝蓄水至正常蓄水位。

计算考虑2种工况。工况一：坝体自重（施工期）；工况二：坝体自重+正常蓄水位（分3步加载）。

蓄水对坝体的影响主要体现在以下两个方面：一是坝内心墙防渗体迎水面受到水压力的作用；二是上游坝壳料区在上游蓄水位以下的部分受到浮力的作用。这两方面的共同作用，必然对土石坝的应力-应变产生影响。

4.1 计算参数

根据地质资料及室内试验成果，结合工程类比确定，主要计算参数见表3。

表3 邓肯—张的E—B模型计算参数

4.2 计算成果

计算结果表明，坝体应力、变形分布规律及数值大小均在合理范围内。不同材料区之间存在着不同程度的相对变形，计算结果显示大坝的水平位移是向外坡移动，外坡的排水区上部风化料区数值较大，竣工时上游堆石水平位移的最大值为向上游偏移8.1cm，下游堆石水平位移的最大值为向下游偏移8.7cm。随着水位的升高，水平位移的分布形式发生改变，主要的变化是上游侧水平位移变化较大的区域向下游移动，当蓄水至正常蓄水位时，上游水平位移的最大值位于下游1/2坝高处反滤层与心墙连接处，值为向下游偏移15.3cm；竣工期和蓄水期坝体竖向最大位移均发生在1/2坝高处心墙附近，竣工期竖向最大位移值为0.663m，蓄水期竖向最大位移值为0.566m。竣工期、蓄水期坝体大主应力和小主应力的最大值均出现在大坝底部心墙附近，竣工期大主应力为1392kPa、小主应力为635kPa，蓄水期大主应力为1290kPa、小主应力为539kPa，大主应力和小主应力蓄水期比竣工期略有减小。由于坝体分层填筑，心墙部位必然存在薄弱面或隐蔽的裂缝，故受到水力劈裂机理的威胁也较大，当蓄水至正常蓄水位时，心墙迎水面静水压强都小于心墙上游面的竖向应力，因此不会发生水力劈裂。应力水平均小于1，不发生应力破坏。由心墙与坝壳料变形模量差距大，导致各填筑区的不均匀沉降，本来应该由心墙承担的部分重量荷载传递给了两侧的过渡层（或坝壳料区），形成使心墙压应力降低的拱效应，反滤料处应力集中。

5 变形控制措施

依据填筑料的试验结果及坝体应力应变分析情况，大坝坝壳料为软硬岩混合料，压缩模量约为32.6～35.0MPa，软化系数较低，在蓄水期沉降变形稍大，说明堆石流变及湿化变形明显。所以尽可能加速施工期变形，减少后期变形是工程的重点。针对工程筑坝料特性，提出变形控制措施：

1）合理坝壳料压实标准及增大压实功。堆石料压实选用23t振动碾，铺填厚60cm，压实后孔隙率小于22%，干密度大于2.14g/cm3，其竣工期堆石的压缩模量与室内试验接近。

2）加水碾压。对于软化系数较低的堆石料，碾压前应加水，其压实性能更好，可加大施工期的湿化变形，设计加水量为堆石料体积比的20%。

3）设计级配。级配良好堆石料比均匀级配堆石料颗粒间摩擦阻力高，抗剪强度自然较大，控制最大粒径小于600mm，小于0.1mm的颗粒含量不超过5%，不均匀系数为15或更大。

4）合理坝体分区。由于软硬岩混合料上部堆石区压实后渗透系数K=1×10-2～1×10-1cm/s，所以下游底部设置排水区，上部堆石区设置反滤料。

5）合理初期蓄水方案。水库主体工程完工后，初期大坝蓄水分3个年度蓄水。第一年最大蓄水量控制在水库正常库容的40%左右；第二年最大蓄水量控制在水库正常库容的60%左右，蓄水速度控制在40cm/d；第三年蓄满至正常蓄水位。

6 结语

通过分析得出：软岩占比小于30%的软硬岩混合料，其力学性质接近硬岩，其坝坡设计可按硬岩力学性质设计。工程根据试验成果及已建工程监测数据，得出堆石料的强度、渗透、变形特性，确定坝体分区和各区用料，提出设计标准、压实要求、碾压加水量及变形控制措施；且工程大坝承受的应力小，压缩变形量小，后期堆石料流变、湿化变形可通过工程措施控制，因此软硬岩混合料填筑大坝满足大坝抗滑稳定、变形控制。