沙千水库拱坝混凝土砂石骨料试验分析与应用

申洪波,罗 键

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 工程概况

沙千水库位于赤水市长兴村境内的沙千河中游河段，总库容642万m3[1]。项目区境内出露基岩侏罗系、白垩系红色构造地层。堆石混凝土重力拱坝填筑需要大量的砂石骨料及堆石混凝土石料，初设阶段推荐在习水县东面上洞村人工骨料场外购成品砂石骨料和坝址右岸下游老房子沟Ⅰ号石料场开采堆石料的方案，外购运距70km较远，道路通行状况较差，综合成本较高且难满足大坝填筑强度要求。工程区域内虽有10余座砌石拱坝采用当地材料砌筑且取样检测各项指标良好，但大多仅作为砌石块料，而且没有当地材料加工作为自密实混凝土砂石骨料的使用经验。近年来，在水利水电工程建设中因混凝土骨料质量引起的停工、窝工甚至失事等事件时有发生，系统准确地质量测试分析是大坝填筑混凝土骨料料源勘察和选择的关键[2- 4]。因此，本文以沙千水库地质勘察资料为依据，对采用当地砂岩料加工大坝填筑混凝土砂石骨料的可行性、适应性和质量进行全面论证，为合理确定料源和投资成本控制提供科学依据[5- 6]，确保工程高效优质的施工建设。

2 坝址地形地质条件

水库坝址区两岸以陡—峻坡地形为主，岸坡地形顺河流发育，地形综合坡度50°。坝址河床及岸坡基岩多裸露，为单斜岩层，岩层产状为缓倾上游偏左岸，为对称性较好“V”型横向河谷结构，河谷宽高比为2.4～2.6。坝址出露地层为白垩系上统夹关组下段(K2j1)及第四系地层。根据岩性、岩体结构及所占比例不同，将K2j1分为2层4个亚层：夹关组下段第二层K2j1-2：为砖红色中厚至巨厚层(含钙质)岩屑石英砂岩夹粉砂岩、泥岩等，主要分布于两岸坝顶以上。夹关组下段第一层地层(K2j1-1)平行两岸分布于坝址区内，根据岩性、层厚及颜色不同分为4个亚层。第四系(Q)主要为崩塌堆积、残坡积、冲洪积等。大坝河床段基面主要坐落于中厚层岩屑石英砂岩，两坝肩中厚层石英砂岩、粉砂岩、泥岩各层相间分布。

3 枢纽布置及筑坝材料评价

3.1 大坝枢纽布置

大坝枢纽由拱坝、泄洪表孔、取水建筑物、放空兼冲沙建筑物等组成。大坝为堆石混凝土拱坝，单圆心布置，顶拱中心角为95.69°。坝基建基面高程392.00m，坝顶高程458.00m，坝高66.0m，最大坝底厚23.0m，厚高比0.348。大坝主体采用一级配C9015堆石混凝土，上游面设厚0.5m一级配C9015自密实混凝土防渗面板，设计抗渗标准W6，抗冻等级F50泄洪表孔布置于坝顶中部，为开敞式自由泄洪方式。沙千水库大坝枢纽布置，如图1所示。

3.1.1区域可用当地材料

沙千水库工程坝体部分大坝堆石混凝土约12.8万m3。根据设计配比，堆石料：砂：碎石=6∶2.5∶1.5，即：堆石料7.68万m3、砂3.07万m3、碎石2.05万m3。拱坝填筑需要量主要为砂石骨料及堆石混凝土块石料，推荐石料场为坝址右岸下游600m的老房子沟Ⅰ号石料场。料场有用层主要为K2j1-1-1和K2j1-1-2的中厚层钙质岩屑砂岩，总储量23.5万m3，有用层储量17.5万m3，开采率50%～60%。其物理性质试验结果见表1。

表1 料场岩石物理性质试验结果

从表1可知，工程区石料场岩石试验指标均在天然建筑材料技术要求范围内，且区域内采用相同岩性当地料已建成投运10余座砌石拱坝，最长服役50余年，取样检测各项指标均良好。虽当地材料已有砌石拱坝成功应用经验，但大多仅作为砌石块料，而对于坝体填筑自密实混凝土所需的大量砂石骨料，则无采用当地材料加工应用经验。通过钙质岩屑石英砂岩进行加工碎石料筛分：颗粒级配5～10mm占31.8%，10～20mm占68.1%，5～20mm占比99.9%，能满足工程对砂石料的级配要求，但采用当地石料加工作为堆石混凝土的骨料，还需对砂岩料质量和工程适应性进行深入研究。

3.1.2砂岩料质量评价

根据《赤水市沙千水库工程岩矿鉴定报告》，砂岩料呈紫褐色细-中粒砂状结构，由陆源碎屑和填屑物共同组成。其中：陆源碎屑约占样品总量75%，分布不均匀，以粒度<0.50～0.25mm中砂级为主，中砂/细砂约6/4，主要成分为石英矿物屑(45%)、岩屑(26%)、长石矿物屑(3%)及其他矿物屑(1%)组成；填屑物约占样品总量21%，主要成分为方解石(20%)和石英(1%)。除陆源碎屑和填屑物外，其他黄铁矿、铁质、泥质构成，总占比约4%。

根据砂岩料成份分析，虽含可能发生碱骨料反应的物质，但沙千水库堆石混凝土使用的自密实混凝土占比约48%，块石占比约52%，单方堆石混凝土中混凝土用量较少，而煤灰用量高，粉煤灰掺量为53.7%。文献[9- 11]等研究成果表明：当粉煤灰掺量大于30%时，完全可以有效抑制碱骨料反应，可将其引起的膨胀约束在规范允许范围内。沙千水库坝体采用一级配堆石混凝土浇筑，粗骨料(碎石)粒径为5～20mm，碎石骨料相关参数检测成果见表2。

图1 堆石混凝土拱坝平面布置

表2 碎石骨料检测质量评定表

从表2可知，各项指标均在规范允许范围内，能满足自密实混凝土对粗骨料的质量要求。

3.2 填筑混凝土性能参数

根据DB52/T 1545—2020《堆石混凝土拱坝技术规范》[10]中对高自密实混凝土原材料和配合比的规定，采用当地石料加工混凝土粗骨料(碎石)，室内通过不同砂率在标准养护条件获得混凝土试件，初选并试拌确定混凝土对应的各材料用量和水灰比，与当地已实施项目混凝土配合比进行对比分析，见表3。

从表3可以看出，沙千水库拱坝高自密实性能混凝土配合比各材料用量差异性不明显，当地料工程适应性较好，其主要技术指标为：强度等级：C9015W6F50；坍落扩展度：650～720mm；V形漏斗通过时间：10～22s；水粉比(体积比):0.9；水泥掺量:25%；体积砂率:45%；单位体积粗骨料绝对体积:0.23m3；实测容重:22.9kN/m3；抗压强度:21.7MPa。

4 大坝应力及稳定分析

实施阶段按当地砂岩料加工堆石混凝土骨料进行大坝应力及稳定分析。按自密混凝土22.9kN/m3、埋石率52%计算得坝体容重为24.2kN/m3；堆石料以砂岩块石为主，饱和抗压强度>40MPa，坝体弹性模量取6.9Gpa。采用《ADAO拱坝分析与优化软件》和三维有限元对大坝应力应变情况、坝(基)破坏模式及整体稳定进行分析，如图2所示。

图2 大坝三维有限元分析模型

分析成果表明：正常蓄水工况下坝体最大顺河向变位-3.457cm，出现在坝顶▽458.0m高程拱冠；建基面▽392m高程顺河向变位-0.368cm。设计洪水工况与校核洪水工况坝体位移规律接近，校核洪水工况下坝体最大顺河向变位-3.485cm，建基面▽392m高程顺河向变位-0.401cm。死水位+温升工况下坝体最大顺河向变位0.910cm，建基面▽392m高程顺河向变位-0.126cm。正常蓄水位+温降上游坝面主应力分布，如图3所示。

表3 沙千水库混凝土配合比与典型堆石混凝土坝配合比对比 单位:kg

从图3可知：正常蓄水工况下，上游坝面最大主压应力向坝体中腹部集中，极值出现在▽438m拱冠处，量值为2.03MPa；拉应力出现在上游坝面与基岩交界处，极值出现在392m高程左拱端，量值-1.06MPa。下游坝面最大主压应力向中下部高程左右拱端集中，其中坝体最大主压应力4.80MPa，下游坝面主拉应力极值-0.74MPa。数值分析得下游坝面左右拱端位移变化规律，如图4所示。

从图4可知：在超载作用下，坝体中下部高程392m至420m高程顺河向位移更为显著。拱坝超载安全系数Kp=3.8，高于规范要求(规范安全系数允许值为1.25)，坝体结构设计合理、整体安全稳定。

图3 正常蓄水位+温降上游坝面主应力分布(MPa)

图4 下游坝面左右拱端位移变化规律

5 结语

通过物理性能测试、典型堆石混凝土坝配合比对比、三维有限元及应力变形分析，验证了沙千水库工程区采用当地砂岩料加工混凝土粗骨料，其骨料质量、储量和填筑后大坝稳定性等均满足规范和设计要求，且可节约运输成本降低工程投资，经济性好、可操作的料源问题得到了合理解决。在类似工程建设中，当可用天然建筑材料料源匮乏时，除了要深入、有序地开展项目区可用料源勘查外，还需加强复杂料源制备砂石骨料工艺技术研究，确保混凝土成品骨料的质量。