黄石滩水库混凝土面板堆石坝设计
钟家驹, 何旭升 2006-02-16
摘要：本文结合黄石滩混凝土面板堆石坝的关键设计工作，对坝体分区、坝料选择和断层区趾板基础处理等问题进行了大量研究，力求做到工程安全，结构完善，降低造价，便于施工。
关键词：混凝土面板堆石坝 黄石滩 坝料设计 基础处理
1 工程概况
黄石滩坝址位于汉江支流付家河中游峡谷段，控制流域面积348km2，多年平均径流量1.1亿m3，水库总库容4177万m3。面板坝高75.6m，面板面积1.75万m2，面板混凝土5300m3。明流导流泄洪排沙洞一条，断面尺寸为5×6.5m至5×7.1m，洞长322.3m。 开敞式溢洪道一座，溢洪道总长205m。此外还有一座设计流量8~10m3/s的压力输水洞。
工程2001年10月开工，目前大坝已竣工。枢纽总体布置参见图1。
图1 黄石滩水库枢纽总体布置
2坝体设计
大坝顶宽8m，长210m，最大坝高。河床高程355m，坝顶高程423.6m。坝体填筑总方量为68.5万m3。坝体填筑料从上游向下游依次为垫层区(包括垫层小区)、过渡区、主堆石区、次堆石区。大坝分区参见图2。垫层区、过渡区、主堆石区筑坝料采用饱和抗压强度为98.2MPa、软化系数为0.65的辉长—闪长岩爆破料；次堆石区料采用主堆石区同种材料，或用饱和抗压强度为76.9MPa、软化系数为0.52的绿泥石片岩，两种材料作比较，组成第一、二方案，同时采用瓜园绿泥石片岩筑坝作为第三方案进行不同材料分区的大坝变形、应力比较，大坝填筑主要参数见表1。
表1 大坝填筑料设计参数
填筑分区 岩石性质 最大粒径 (mm) 干密度 (kN/m3) 孔隙率 (%) 填筑厚度 (mm) 洒水量 (%) 18t振动碾碾压遍数 垫层区 碎石河砂混合料 80 21.4 19 500 9 8 过渡区 爆破碎石料 300 21.12 20 500 10 6 主堆石区 爆破料 800 20.72 21.5 1000 20 8 次堆石区 爆破料 800 23.1 23.5 1000 20~25 6~8 垫层小区 碎石河砂混合料 40 22.04 16.5 400 9 9
填筑分区
岩石性质
最大粒径
(mm)
干密度
(kN/m3)
孔隙率
(%)
填筑厚度
(mm)
洒水量
(%)
18t振动碾碾压遍数
垫层区
碎石河砂混合料
80
21.4
19
500
9
8
过渡区
爆破碎石料
300
21.12
20
500
10
6
主堆石区
爆破料
800
20.72
21.5
1000
20
8
次堆石区
爆破料
800
23.1
23.5
1000
20~25
6~8
垫层小区
碎石河砂混合料
40
22.04
16.5
400
9
9
垫层区、过渡区填筑料要求为新鲜、坚硬、软化系数大、耐久性强、颗粒级配良好的石料。经碾压密实后，具有低压缩性和半渗透性。垫层区材料渗透系数为10-4~10-3cm/s，粒径小于5mm的含量为35%~45%，粒径小于0.1mm的含量<7%。
过渡区材料渗透系数10-3~10-2cm/s，粒径小于5mm的含量为<16.5%，粒径小于0.1mm的含量<5%。主堆石区要求石料级配良好，耐久性强，特别是坝体靠上游1/3范围内，岩石软化系数大，饱和抗压强度在100MPa以上。
碾压后材料渗透系数10-2~10-1cm/s，粒径小于5mm的含量为<11.4%，粒径小于0.1mm的含量<3.5%。为防止泄洪时河水回流，冲刷大坝下游坡脚，坝脚处砂卵石开挖至基岩，设大块石堆体，顶高程362m，高出下游最高水位1.2m。
图2 黄石滩水库大坝分区图
3筑坝材料性质
坝址附近有筑坝材料两种，它们是：距坝址0.7km的瓜园料场，可开采量324万m3，但无用层剥离量也高达110万m3，系变质岩绿泥石片岩，强度较高但片理发育，碾压试验其破碎率高达13.6%。
另外距坝址12km处的二里料场，一直是当地铁路建设、工业民用建筑业用料的传统采石场，岩性为辉长—闪长岩，饱和抗压强度高达98.2MPa，软化系数0.65，属硬质堆石料。
表2为三轴压缩试验非线性指标，由指标中看出，瓜园绿泥石压缩模量系数很低，仅为二里辉长岩的1/3。
表2.1 DuncanE-v模型参数
试样名称 坝料名称 试样状态 ρ (g/cm3) C (kPa) φ (º) K n Rf G F D 瓜园料 主堆 干样 2.31 173 33.92 499 0.08 0.80 / / / 主堆 饱和 2.31 21 38.10 198 0.32 0.74 0.22 0.20 4.67 砂砾石 垫层 饱和 2.16 97 40.24 577 0.68 0.81 0.36 0.05 0.36 主堆 饱和 20.3 22 39.21 589 0.21 0.83 0.30 0.07 3.644 辉长岩 垫层 饱和 2.13 120 43.86 591 0.53 0.73 0.33 0.09 5.32 主堆 饱和 2.00 134 40.19 622 0.34 0.85 0.26 0.11 4.45
试样名称
坝料名称
试样状态
ρ
(g/cm3)
C
(kPa)
φ
(º)
K
n
Rf
G
F
D
瓜园料
主堆
干样
2.31
173
33.92
499
0.08
0.80
/
/
/
主堆
饱和
2.31
21
38.10
198
0.32
0.74
0.22
0.20
4.67
砂砾石
垫层
饱和
2.16
97
40.24
577
0.68
0.81
0.36
0.05
0.36
主堆
饱和
20.3
22
39.21
589
0.21
0.83
0.30
0.07
3.644
辉长岩
垫层
饱和
2.13
120
43.86
591
0.53
0.73
0.33
0.09
5.32
主堆
饱和
2.00
134
40.19
622
0.34
0.85
0.26
0.11
4.45
表2.2DuncanE-B模型参数
试样 名称 坝料名称 试样状态 ρ (g/cm3) φ (º) Δφ (º) K n Rf Kb m 瓜园料 主堆 干样 2.31 57.21 16.00 499 0.08 0.80 / / 主堆 饱和 2.31 40.82 2.41 198 0.32 0.74 98 0.23 砂砾石 垫层 饱和 2.16 50.24 8.74 577 0.68 0.81 343 0.41 主堆 饱和 23.0 49.23 10.37 589 0.21 0.83 248 0.21 辉长岩 垫层 饱和 2.13 53.57 7.53 591 0.53 0.73 304 0.46 主堆 饱和 2.00 52.05 9.60 622 0.34 0.85 153 0.34
试样
名称
坝料名称
试样状态
ρ
(g/cm3)
φ
(º)
Δφ
(º)
K
n
Rf
Kb
m
瓜园料
主堆
干样
2.31
57.21
16.00
499
0.08
0.80
/
/
主堆
饱和
2.31
40.82
2.41
198
0.32
0.74
98
0.23
砂砾石
垫层
饱和
2.16
50.24
8.74
577
0.68
0.81
343
0.41
主堆
饱和
23.0
49.23
10.37
589
0.21
0.83
248
0.21
辉长岩
垫层
饱和
2.13
53.57
7.53
591
0.53
0.73
304
0.46
主堆
饱和
2.00
52.05
9.60
622
0.34
0.85
153
0.34
4坝体变形与应力
采用以上参数，使用双屈服面模型可以计算出不同筑坝材料分区时对大坝应力与变形的影响，结果表明，既使将片理状岩石放置在次堆石区，影响也是很大的，参见表3。
表3 大坝分区材料与应力变形关系
计算参数
单位
全瓜园料场绿泥石填筑
主堆石辉长岩
次堆石绿泥石
全二里料场
辉长岩填筑
施工期最大沉降
cm
132.4
73.4
28.6
蓄水期最大沉降
cm
141.9
75.9
竣工期
水平位移
上
cm
36.9
9.11
下
cm
37.8
16.69
蓄水期
水平移位
上
cm
26.4
4.47
下
cm
41.9
17.8
竣工期大小主应力
σ1
kPa
1294.6
1229.4
σ3
kPa
628.5
596.7
蓄水期大小主应力
σ1
kPa
1441.4
1348.9
σ3
kPa
701.5
720.5
最大应力水平
%
80
45
面板最大挠度
cm
34.96
11.97
周边缝三向变形
mm
切/沉/张 11.02/27.5/28.4 32/22.7/16.5
由表3可以看出绿泥石片岩尽管属中硬岩石，但它的层理性和各向不均性显示非常明显，同一块试件沿不同层次角度的强度指标相差2~3倍，软化系数也相差一倍，因此使用层理性较强的中硬岩石筑坝，除了应适当放缓设计坝坡而外，尚应承担坝体大变形和面板较大挠曲度的风险。采用无层理结构的块状岩石筑坝，由于该种材料无各向异性问题，反映出坝体变形仅为层理填筑料的1/4。因此“什么材料都可以筑坝”这句话并不全面，除了就地取材使用而外，还应更多地顾及大坝和面板的变形及应力状况。
5强风化趾板基础处理
河床趾板基础位于断层两交汇处，岩体破碎，风化强烈，强风化层厚度达14m之多。若按常规挖除强风化层作为趾板建基面，则基坑深达20m，第二年度汛将被迫采用坝面过流方案，汛期坝体填筑停工，致使工期延长一年，坝面保护等临建工程费用增加约三百余万元。
设计采用保留强风化岩体，剥离冲积覆盖层及全风化层，基坑深度8m，在清基面上浇筑2~3m厚C15混凝土板。基础采用深锚杆和深固结孔灌浆，孔、排距采用1.5m(详见图3)。
根据地表与钻孔实测强风化岩体波速不足2000m/s，通过固结灌浆，加强岩体的整体性，使其波速提高至3000~3500m/s以上，弹模由5.7GPa提高到15GPa以上，将趾板
图3 黄石滩水库左岸断层区趾板基础处理
基础改造成弱风化基础性质。另据地质资料显示，在强风化岩层中，岩体透水性较强，单位吸水量ω=10~5Lu，属中等透水性质；21~32m范围内ω=5~3Lu，属弱透水层。设计两排帷幕灌浆施工，使趾板基础达到微透水性质。
图3小开挖方案，趾板建基面位于强风化表层，高程▽348.0m，坝底宽缩短了40m长，改变了趾板基础▽330.0m，帷幕灌浆线上移40m的大开挖方案，整个大坝填筑工程提前一年完工，使大坝在第一个枯水期突击填筑至▽395m高程，完成了大坝小断面拦洪50年一遇洪水的要求，使整个枢纽工程提前一年进入正常施工状态，工程取得了主动。
由于左岸坝脚F9、F19两断层穿过且交汇于左岸坡，因此趾板河床左半部基础形成一个风化深坑，弱风化深度深310.0m，较地表下降28m。趾板建基在风化槽边坡上。该段强风化深基础设计采用固结灌浆办法，以提高其完整性。于2003年3月用面波仪对固结灌浆后的岩体进行了检查测试， 结果表明破碎岩体灌浆后弹性波波速增加较明显，岩石完整程度提高，但对完整岩石或邻近断层的破碎岩石其波速提高幅度较慢，详见表4。
由于个别岩性段灌浆前后，效果不十分明显，设计提出第二次高压灌浆要求，起始压力0.3MPa。检查孔检测结果表明，灌浆后岩体完好率提升至94.4%，达到了设计预期的目的。
表4 灌浆前后岩性参数对照表
趾板基础
岩体波速Vp
动弹模量
完整系数Kv
评价
m/s
Gpa
①区
原岩
3300~3750
17.40~20.90
0.36~0.56
较破碎
灌浆后
4330~4615
40.30~46.80
0.75~0.85
完整岩体
②区
原岩
1905~2667
5.96~13.25
0.15~0.27
破碎岩体
灌浆后
2857
15.64
0.35
较破碎
③区
原岩
3067~3200
18.30~20.30
0.38~0.41
破碎岩体
灌浆后
3630
26.95
0.55
较破碎
④区
原岩
3750~4167
28.90~36.85
0.56~0.69
较完整岩
灌浆后
4242~4950
38.10~55.10
0.72~0.98
完整岩体
黄石滩趾板基础固结灌浆处理，使原强风化、强透水、低完整性趾板基础，改造并达到完整性系数提高，抗渗性降低，符合规范要求的非冲蚀性基础。
