高土石坝复杂材料筑坝技术新进展

姚 虞，王富强，杨泽艳

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

0 引 言

当前，我国正在大力开展抽水蓄能电站建设，抽水蓄能电站项目分布范围广，电站建设面临的地质条件复杂多样，为了满足生态环境要求需要尽量减少弃渣，提高开挖料利用率，因此，绝大多数抽水蓄能电站采用土石坝坝型。利用软岩、全强风化料等复杂材料筑坝的问题变得突出，近年来，通过大量研究与工程实践，高土石坝复杂材料筑坝技术取得了新进展。

1 高土石坝复杂材料筑坝经验

土石坝作为当地材料坝，其筑坝材料受工程场地地质条件影响较大，有时难以避免采用强度和模量较低的筑坝材料。早在20世纪，国内外高土石坝已开始应用含软岩料筑坝，也逐渐积累了相关技术经验[1-2]。表1、2列举了国外和国内部分含软岩料筑高土石坝的工程案例。由表1、2可知，国外、国内都已将软岩作为筑坝材料应用到坝高超过150 m的高土石坝中，我国在坝高超过200 m的水布垭混凝土面板堆石坝中使用了软岩。

表1 国外部分含软岩高土石坝工程

表2 国内部分含软岩高土石坝工程

表3列出了典型含软岩面板堆石坝的运行情况[3]。由表3可知，坝高不超过110 m的坝总体运行良好；但2010年以前建成的坝高超过150 m的含软岩面板堆石坝基本上都出现了面板结构性裂缝或垂直挤压破损现象。随着软岩筑坝技术在不断发展完善，100 m级高土石坝软岩筑坝技术已基本成熟，150 m级高土石坝软岩筑坝技术取得了突破性进展，2010年建成的坝高150 m的董箐混凝土面板堆石坝没有出现面板结构性裂缝和挤压破损问题。

表3 典型含软岩面板堆石坝运行状况统计

通过大量研究和工程实践，在软岩筑坝料物理力学特性、坝体断面和填筑料设计、软岩料填筑施工等方面均取得了一定的经验和成果，形成了针对软岩筑坝较为完整的技术体系。

对于软岩筑坝料的物理力学特性要求，上坝软岩料饱和抗压强度宜大于15 MPa，不宜小于10 MPa。软岩料经压实后，小于5 mm颗粒含量增加较大，多具有强～中等透水性，压缩模量多在20～70 MPa之间。与硬岩料相比，软岩料的抗剪强度较低，湿化特征更为明显，流变特性还有待更多的经验积累。

对于坝体断面和填筑料设计，软岩堆石体的坝坡宜适当放缓，并结合坝坡稳定计算确定。软岩料多置于坝轴线下游干燥区，或与中硬以上岩石混用，但范围不能过大，与硬岩料的密实度差异也不能过大。利用软岩料筑坝一般应结合坝高、料源情况和特性进行充分的试验研究。当坝高超过150 m时，软岩料尽可能用于变形和应力较小的部位；当坝高超过200 m时，应慎用软岩料。筑坝材料含软岩时，更应重视坝体变形控制，做好坝体排水。含软岩面板堆石坝的轮廓规划和断面分区除充分借鉴已有工程经验外，需在试验的基础上拟定参数。通过坝坡稳定分析验证坝坡的适宜性；通过有限元计算，针对不同软岩料区位置进行坝体应力变形特点分析，从中找出满足坝体变形和面板应力变形要求的最大软岩料区应用范围；通过坝体渗流特性分析，确保坝体能自由排水并满足料间反滤准则。

软岩料的开采爆破、填筑碾压、施工工艺、质量控制均有其特殊性，需在充分研究软岩料特性的基础上，有针对性的进行爆破和碾压试验。在填筑施工过程中，注意检查有无弹簧土、泥化和板结现象，发现问题需及时进行处理。施工时序上，需达到设计要求的预沉降指标后再开始面板混凝土的施工，宜采用预沉降时间和速率双指标控制。

2 高土石坝复杂材料筑坝技术新进展

近年来，抽水蓄能电站建设中遇到的复杂材料筑坝问题日益突出，包括全强风化料筑坝、碎石土填库等带来的大坝变形、稳定及防渗体系安全问题。在解决这些问题的过程中，复杂材料筑坝技术又有了新进展。本文以几个典型工程为例进行分析。

2.1 句容抽水蓄能电站上水库大坝及库底回填

2.1.1 填筑料物理力学性质

句容抽水蓄能电站上水库主坝筑坝料主要来源于上水库石料场的库盆开挖料，料场基岩主要为含燧石白云岩、灰质白云岩、细晶白云岩等，北库岸分布少量泥质白云岩、含硅质白云岩。白云岩类岩石为中硬岩，呈中厚～厚层状，多呈弱～微风化，微风化岩体的饱和单轴抗压强度为40～60 MPa，饱和密度为2.71～2.78 g/cm3，石料质量基本满足堆石料原岩技术要求。

根据玢岩岩脉的分布情况将上水库石料场分为A、B、C3个区。A区有用层储量约756.5万m3、C区有用层储量约296.4万m3，A区、C区岩脉不发育，岩体主要为弱～微风化的白云岩类，料源质量较好。B区有用层储量约1 049.7万m3，但岩体中闪长玢岩岩脉较发育，以全强风化为主，岩脉蚀变风化、软弱破碎，饱和抗压强度5～7 MPa，开挖暴露后多崩解呈土状。

2.1.2 坝体布置和分区设计

句容抽水蓄能电站上水库大坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝轴线处最大坝高182.3 m，上游坝坡坡比为1∶1.7，下游坝坡在240.00 m高程以上坡比为1∶1.9，以下坡比为1∶1.8。坝体布置和分区如图1所示。

图1 句容上水库大坝典型剖面

大坝坝体分区从上游向下游使各料区的渗透性依次递增(下游填筑区除外)，确保各料区在水压力作用下变形协调且变形最小，最大限度地利用工程开挖料，料区划分尽可能简单。沥青混凝土面板采用简式结构。面板下部的垫层、过渡层宽度分别为3.0、4.0 m，主要利用新鲜、微风化白云岩料制备，特殊垫层区位于面板与连接板连接缝部位的小区，石料要求同垫层料。上游堆石料采用上水库内开采的新鲜或弱、微风化白云岩填筑，下游堆石料采用库内开挖的新鲜或弱、微风化白云岩掺50%闪长玢岩填筑，按向下游1∶0.2分区，在上、下游堆石之间设置宽5 m的过渡区，采用上游堆石料与下游堆石料互层填筑。大坝岸坡部位下游堆石料下部设置厚3.0～5.0 m的上游透水堆石料，河床部位加大为8.0 m，以保证坝体排水。右坝脚由于建基面倾向下游，在坝脚处设混凝土挡墙，墙顶高程180.50 m，并将高程200 m以下的透水主堆料设为增模区，保留有透水功能，但压缩模量提高。

上水库库底为半挖半填形式。上库库底回填料成分复杂，从下到上分别为上水库库底及坝基底部剥离的除掉表面腐殖土后的含碎石黏土、上水库库盆开挖弱、微风化白云岩掺一定量的蚀变闪长玢岩及下水库库盆开挖的白云岩掺灰岩、粗面岩、安山岩及蚀变闪长玢岩混合料等。

2.1.3 利用全强风化闪长玢岩料筑坝和碎石黏土料回填的工程措施

句容抽水蓄能电站上水库大坝下游堆石料为含一定量全风化玢岩的白云岩，全风化玢岩含量较多时呈现土料的特性，对填筑料的碾压厚度及碾压效果影响较大。根据招标设计阶段现场碾压试验成果分析，白云岩中全风化玢岩含量为33%时，层厚50 cm，26 t振动碾碾压8遍，平均孔隙率为13.7%，由于细颗粒容易充填颗粒间的孔隙，极易达到孔隙率≤20%的要求。加水量为8%时，静碾时沉降量已经严重偏大，无法进行后续碾压。

针对上述问题，采取的工程措施有：①控制蚀变闪长玢岩含量≤33%，剔除宽度>2 m的玢岩岩脉；②下游堆石按照孔隙率≤18%控制，碾压施工参数拟定为铺层厚80 cm，不加水或少加水，采用32 t振动碾碾压8遍。

上水库库盆回填高度超过120 m且回填料源复杂，回填料来源为风化崩解的玢岩和白云岩混合料及下水库开挖的碎石黏土料，白云岩中全风化玢岩含量较少时，填筑料呈现石料特性，当回填料中玢岩含量达到一定程度或为碎石土料时，呈现土料的特性。不同料源的控制指标为当玢岩含量较少、填筑料呈现石料特性时，按孔隙率控制；当呈现土的特性时，按压实度控制。

2.2 文登抽水蓄能电站上水库大坝

2.2.1 填筑料物理力学性质

文登抽水蓄能电站上水库大坝料源主要分布在上水库库盆、进水出口及坝基3个部位，岩性主要为石英二长岩及二长花岗岩，全强风化层较厚，且分布不均。全强风化层储量约266.72万m3，弱风化以下储量约278.25万m3，共计544.97万m3，为设计需求总量的1.23倍。

弱风化岩体的饱和单轴抗压强度为93.6～150 MPa，软化系数0.69～0.98，饱和密度为2.61～2.77 g/cm3。强风化岩体的饱和单轴抗压强度为27.8 MPa，软化系数0.32，饱和密度为2.61 g/cm3。弱风化料、强风化料、全强混合料、全风化料干密度分别为2.12、2.11、2.11、2.89 g/cm3，黏聚力分别为103、63～71、58、58 kPa，内摩擦角分别为36.3°、36.3°～36.8°、36.1°、35.7°，饱和压缩模量分别为90、75、57.7、44.9 MPa。

2.2.2 坝体布置和分区设计

文登抽水蓄能电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝轴线处最大坝高101 m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶2。坝体布置和分区如图2所示。

上水库上游堆石3B区填筑料主要为弱风化石英二长岩，下游堆石3C区填筑料主要为全风化及强风化石英二长岩混合料，两者强度指标相差较大。在上游堆石3B区与下游堆石3C区之间增设下游过渡区3A区，其层厚及强度指标同上游过渡区3A区。下游过渡区3A区的增设有助于坝体在各工况下的整体变形协调。

2.2.3 利用全强风化料筑坝的工程措施

为控制补充料场规模、减少文登抽水蓄能电站上水库库区开挖弃渣以及节省投资和减少环境破坏，采用库盆开挖出的全、强风化料作为下游堆石料。试验成果表明，全、强风化料碾压后为含细粒砂，力学性能较差，而国内外百米级高面板堆石坝大区域采用全风化料筑坝的经验少，全强风化料的使用可能导致较大的坝体变形及面板应力。

针对全强风化料筑坝问题，采取的工程措施有：①充分重视下游堆石区填筑质量控制，尽量提高压实密度，按照全强风化料呈现出的碎石土的性质，采用压实度作为压实控制指标，采用重型击实试验、压实度≥95%控制；②碾压厚度40～60 cm，按最优含水量控制加水，采用26 t振动碾碾压8～10遍，并根据实际填筑施工中不断积累的检测数据和经验研究调整压实度控制标准；③结合渗流分析成果优化调整下游堆石区的底部界限，并强化排水反滤措施；④适当扩大下游坝坡土工格栅的布置范围。

2.3 溧阳抽水蓄能电站上水库工程

2.3.1 填筑料物理力学性质

强风化石英砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的饱和单轴抗压强度分别为30～50、10～20、5～10 MPa，干密度分别为2.62、2.55、2.5 g/cm3。

2.3.2 坝体布置和分区设计[4]

上水库主坝坝轴线处最大坝高165 m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.45。主坝典型剖面见图3。

图3 溧阳上水库主坝典型剖面

2.3.3 利用强风化料筑坝的工程措施

溧阳抽水蓄能电站上水库大坝较高、坝体填筑石料岩性多样且软硬差异大、坝基地形条件差，坝体不均匀变形控制难度大。为此，采取的工程措施有：①将强风化料置于次堆石区上部干燥区域，避免湿化变形，压实层厚0.8 m，设计干密度≥2.15 g/cm3，孔隙率≤20%，25 t自行式振动碾碾压8遍，洒水量≤10%；②主坝坝基对W形中间山脊进行了宽缓平台开挖，以减少坝体不均匀变形差；③在坝体高程185.00 m以下和下游堆石区高程265.800～284.500 m部位设增模区，压实层厚0.6 m，设计干密度≥2.18 g/cm3，孔隙率≤19%，25 t自行式振动碾碾压8遍，洒水量≤10%。

2.4 镇安抽水蓄能电站上水库工程

2.4.1 填筑料物理力学性质

镇安抽水蓄能电站上水库库盆开挖料(含杨家湾料场开挖料)主要为泥盆系古道岭组结晶灰岩、花岗闪长岩，上水库坝基和趾板开挖料为白色大理岩，上水库引水洞开挖料为花岗闪长岩。其中，大理岩饱和单轴抗压强度<40 MPa，作为库底回填渣料利用；花岗闪长岩饱和单轴抗压强度平均为84 MPa；弱风化结晶灰岩饱和抗压强度平均为62 MPa，但其呈脆性，碾压后破碎率高。

过渡料采用弱风化花岗岩、左坝肩炭化灰岩，有排水功能的主堆石和排水体料采用弱风化花岗岩，其余主堆石料采用弱风化结晶灰岩，下游堆石料区采用弱风化结晶灰岩+强风化结晶灰岩混合料。因结晶灰岩料碾压后破碎率高、表面易形成约10 cm的“细化层”(石粉层)，致使5 mm以下颗粒含量超标严重，透水性差，渗透系数<1×10-2cm/s，可在坝体干燥区使用。

2.4.2 坝体布置和分区设计

镇安抽水蓄能电站上水库大坝为混凝土面板堆石坝，坝轴线处最大坝高125.90 m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.53。大坝典型剖面见图4。

图4 镇安上水库大坝典型剖面

2.4.3 利用脆性结晶灰岩筑坝的工程措施

脆性结晶灰岩碾压后石粉含量高，透水性差。为此，采取的工程措施有：①将结晶灰岩料分区置于坝体中部，其上游和底部均布置渗透系数较大的弱风化花岗岩块石控制爆破料，并在坝趾布置渗透性好的弱风化花岗岩块石料，形成排水通道；结晶灰岩料根据其风化程度和透水性布置在坝体中部不同位置，透水性相对好的弱风化结晶灰岩块石料布置靠上游，透水性相对差的弱风化结晶灰岩级配料布置在中间，透水性相对差且掺入强风化结晶灰岩的混合料布置在下游。②主堆石区(3B2)采用弱风化结晶灰岩块石级配料(饱和抗压强度≥30 MPa)，设计孔隙率≤19%，设计干密度≥2.15 g/cm3，渗透系数为1×10-3～1×10-2cm/s，压实层厚80 cm，洒水量控制在10%～12%，压实采用26 t振动碾碾压8遍。③主堆石区(3B3)采用弱风化结晶灰岩级配料(饱和抗压强度≥30 MPa)，设计孔隙率≤16%，设计干密度≥2.20 g/cm3，渗透系数为1×10-5～1×10-3cm/s，压实层厚80 cm，洒水量控制在10%～12%，压实采用26 t振动碾碾压10遍。④下游堆石料区(3C1)采用弱风化结晶灰岩+强风化结晶灰岩混合料(强风化掺量最大不超过40%，饱和抗压强度≥30 MPa)，设计孔隙率≤16%，设计干密度≥2.20 g/cm3，渗透系数为1×10-5～1×10-3cm/s。压实层厚80 cm，洒水量控制在10%～12%，压实采用26 t振动碾碾压10遍。

3 关键问题及对策措施

抽水蓄能电站中高土石坝建设所面临的关键问题，一方面是复杂多样的料源条件所带来的对复杂材料碾压的参数与质量控制问题，另一方面是抽水蓄能电站水位长期涨落的循环荷载下土石坝变形和稳定问题，此外抽水蓄能电站对防渗要求高，也需要防渗体系更加安全可靠。

针对复杂材料碾压参数与质量控制。对于不同料源需要针对其物理力学性质确定控制指标，并通过碾压试验研究确定碾压参数。例如，句容抽水蓄能电站上水库库盆回填料，采取了当玢岩含量较少、填筑料呈现石料特性时按孔隙率控制，当呈现土料的特性时按压实度控制的原则；文登抽水蓄能电站上水库大坝利用全强风化料筑坝，则按照全强风化料呈现出的碎石土的性质，采用压实度作为压实控制指标，并根据实际填筑施工中不断积累的检测数据和经验研究调整压实度控制标准。

针对抽水蓄能电站水位频繁涨落情况下土石坝变形和稳定问题，应做好坝体断面和分区设计，针对坝料性质确定坡比和碾压参数，确保排水系统通畅并做好反滤，抗震设防烈度高的要做好抗震设计。例如，句容抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坝综合考虑工程规模、地震烈度以及开挖料性质较差等因素，采用上游坡比1∶1.7、下游综合坡比1∶1.9，且根据碾压试验将碾压参数提高至按照孔隙率不大于18%控制，采用32 t振动碾碾压8遍；镇安抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝则针对结晶灰岩料易碎透水性差的问题，通过合理分区将透水性好的花岗岩料布置在上游和坝底形成排水通道，将结晶灰岩料布置在坝体中部和下游；溧阳抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝为减小坝体不均匀沉降和满足抗震性能要求，在大坝下游底部和顶部设置增模区，并将强风化料置于次堆石区上部干燥区域，避免湿化变形；文登抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝结合渗流分析成果优化调整下游堆石区的底部界限，并加强排水反滤措施。

针对防渗体系安全可靠性问题，除了要做好坝基灌浆和接缝止水外，主要通过控制坝体变形，特别是不均匀变形，以减小面板或心墙防渗体开裂风险。例如，溧阳抽水蓄能电站上水库主坝坝基对W形中间山脊进行了宽缓平台开挖，大坝下游底部和顶部设增模区，以减少坝体不均匀变形差，从而减小面板开裂的风险。

4 结 语

抽水蓄能电站的快速建设带来了土石坝建设的新机遇，面对抽水蓄能电站中土石坝建设所遇到的复杂材料筑坝问题，以及对循环荷载下大坝长期稳定、防渗系统安全可靠的要求，近年的工程实践实现了筑坝技术的新进展，并且土石坝筑坝技术随着工程建设的推进和研究的深入还在不断发展。本文对复杂材料筑坝已有经验进行了总结，并以句容、文登、溧阳、镇安抽水蓄能电站上水库工程复杂材料筑混凝土面板堆石坝为例，分析了高土石坝复杂材料筑坝技术的新进展，总结了抽水蓄能电站土石坝建设的关键问题及对策措施，以期为新形势下土石坝建设提供参考。