软岩筑混凝土面板堆石坝关键技术.pdf

2 0 1 4年 第 5 软岩筑混凝土面板堆石坝关键技术 汤 洪 洁 ( 水利部水利水电规划设计总院 北京市 1 0 0 1 2 0 ) 【 摘要】 我国混凝土面板堆石坝发展迅速，分布广泛，堆石体采用硬岩 的设计和施工技术都 已基本成熟。 为了更大限度地利用当地材料或开挖料，软岩料筑坝越来越受到关注 ，特别是在硬岩缺乏的地区，更具有 明 显的实用性。 本文根据国内外软岩筑坝的相关经验， 总结了软岩筑面板堆石坝设计中应注意的相关技术问题， 以期能促进国内水利工程 中软岩筑坝技术的发展，为类似工程提供可借鉴的资料 。 【 关键词 】 混凝土面板堆石坝 软岩 分区设计 填筑标准 【 D O I编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 4 0 5 0 1 2 【中图分类号】T V 6 4 【 文献标识码 】 A 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 4 )0 5 0 0 3 7 0 4 1 软岩特性 按照岩石单 轴饱和抗压强度等 级划 分 ， 小于 3 0 M P a 的岩石 统称 软质 岩 石 ，代 表性 岩石 有泥 岩 、页岩 、泥 质砂 岩 、千 枚 岩及抗 压强 度低 于 3 0 M P a的风化岩石 。 一般 来讲 ， 软岩 与硬岩相 比， 有明显不同的特性表现。 ( 1 )对 于高面板堆石坝 ，主堆石材料 的母 岩饱和单轴抗 压强度要求大于 3 0 M P a ，软化 系数 大于 0 7 0 8 ，堆石级配 中小于 5 m m粒径 的颗 粒含量 宜保持在 1 5 左右 ，相应 的不均 匀系 数应大于 1 5 。级配良好的硬岩对堆石体的压实 密度影 响很大 。而软岩料 在碾压前像石料 ，碾压 后看来像土， 因此软岩料的级配对其在实际工程 中 的应用 并无太 多 的影 响 ，重要 的是要 碾压 密 实 ，并 以压 实后的级配为准 。 ( 2 )软岩料对含 水率敏感 ，类似 土的压实 特性， 存在最优含水率和最大干密度， 这一点与 硬 岩料不 同。 ( 3 )软岩料 自身 强度较低 ，但软岩 料在碾 压过程中颗粒破碎强烈， 经压实后可达到较高的 密度 ， 从而取得较好的力学性能， 在一定程度上 弥补 了软岩强度 的不足 。 ( 4 )软岩料的压缩模量和其密实程度有 良 好 的相关性 ，干密度越 大 ，其压缩模量也越 高。 良好 压实 的软岩 填筑 料均 能达 到较 高 的压 缩模 量 ， 可 以满足筑坝 的要 求 。 但与硬岩堆石料 比较 ， 软岩 堆石料 的压缩模 量 明显偏低 。 根据 类似工程 经验 ， 实 际填料的压缩模量较试验 结果一般要高 一 些 ， 坝体 实际发生 的压缩变形 比根据试 验所得 的压缩模量计算的值一般要小一些。 表 1 软岩筑混凝土面板堆石坝 序号 坝名 国家 坝高 ( m ) 软岩料岩性 竣工年份 备注 1 袋鼠溪 澳大利亚 6 0 肯岩 1 9 6 9 7 0 坝体 2 希拉塔 印度尼西亚 1 2 5 凝灰角砾岩、灿砾凝灰岩 1 9 8 7 7 5 坝体 3 云南茄子山 中国 1 0 7 强风化二云花岗岩 ( 软硬掺用) 1 9 9 9 主堆石区掺 2 0 软岩 ，次堆石区掺 4 o 软岩 4 江西大坳 中国 9 0 2 风化砂岩 2 0 0 1 软岩占坝体总方量 7 3 4 5 四川小井沟 中国 8 7 6 砂岩 在建 8 o 96 以上坝体 2 坝 体 分 区设计 国内外 已有利用软岩筑混凝土面板堆石坝 的工程实例， 大部分是放在坝轴线下游坝体或次 堆石 区 。 而将 软岩 作为主体填筑材 料的代表性工 程较 少 ，见表 1 。 根据 国内外 已有 的工程实践 ， 对于软 岩堆石 料的利用采用的原则是：保证软岩料区的底部 边界线在大坝运行时处于干燥区， 以便坝体排水 作者简介：汤洪洁 ( 1 9 7 2年一) ，女，教授级高级工程师。 3 7 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 5期 通畅， 并避免软岩遇水产生湿化变形； 软岩料区 的下游边界线应通过计算分析确定合理的坡度， 以保证坝体 下游边 坡的稳定 ， 且在其 外侧 留有不 小于 2 m的新鲜硬岩填筑 区， 以防止 软岩料 的继 续风 化 ；上部边 界线 应保证 其上 有不 小于 5 l O m的新鲜 硬岩填筑层覆盖 。下游边 界线应通过 计算分析， 在保证坝体施工期、 运行期的沉降量 以及面板的应力在合理范围内的前提下， 上游边 界线尽量往坝体上游侧 靠近 ， 以期 能够最大限度 地利用软岩材料 。 至于进入软岩 区。在 峡谷地 区的面板堆石坝 ，在 通 过 二维 应力变 形分析 确 定软岩 堆石 分 区范 围 后 ，还应进行三维应力变形 分析 ，以研 究岸坡约 束对坝体及面板应 力变形 的影响 。 已建成的江西大坳面板坝采用全断面软岩 筑坝 ， 正在 建设的 四川小井沟面板坝 由于料场砂 岩饱 和抗压强度 小于 3 0 M P a的 占 5 0 以上 ，必须 全 断面采用软岩筑坝 。 两个工程共 同点都是在堆 石区上游设置 了 “ L ”型的排水体 ，江西 大坳排 水 体设计水平宽为 5 m 2 0 m ，四川 I 小井沟排 水体 应注意 ： 软岩堆石 区周 围必须用排水通 畅的 设计 水平宽为 5 m 。 堆石包 围起来 ，以保证 出现 上游渗 水时，渗 水不 江西大坳面板坝应力、变形分析成果见表 2 。 表2 江西大坳面板坝应力应变分析 面板顺坡向 面板顺坡向 方案 坝体最大沉降量 ( m ) 面板最大挠度 ( c m ) 最大压应力 ( h IP a ) 最大拉应力 ( M P a ) 软硬岩分界线为坝轴线 1 2 O 1 5 1 2 1 4 1 0 0 5 ( 比较方案 ) 全断面利用软岩 ( 推荐方案) 1 3 1 2 7 3 3 1 3 3 O 5 6 施工期观测值 0 9 2( 0 5倍坝高处) O 6 3 0 1 8 蓄水期观测值 0 1 9 8 2 2 5 2 0 8 5 0 1 6 可 以看 出， 全面利用软岩筑坝虽然坝体变 形 和 面板应力均增加较 多， 但仍然在结 构安全 允许 的范 围之 内。实测资料表 明，实 际变形和应力水 平 均较理论计算 的低一些 。 说 明江西大坳全 断面 利 用软岩及排水体 结构 等分区设计是合理 的 四川小井 沟面 板坝 的建 设正在 进行 中，应 力、变形分析计算结果见表 3 。根据国内已建工 程 经验 ，建 议根 据高程 加厚 上游 排水 带水平 厚 度 ；下游 应有一定厚度 的新鲜砂岩保 护，防止湿 化 变形及继续风化 。 坝体下游干燥区可设置一 定 范围 的次堆石 区， 次堆石区 的填筑质量要求可 比 主堆石区略低，小于 5 m m的颗粒含量可略高，但前 提是不致导致坝体变形过大，引起面板应力增加。 表 3 四川小井沟面板坝应力应变分析 坝体最大 面板最大 面板最大 坝体最大 计算工况 沉降量 挠度 主压应力 主压应力 ( c m) ( c m ) ( 1 舡 a) ( 姬 a) 竣工期 6 0 2 6 1 2 7 5 9 5 4 1 5 6 死水位 6 0 0 1 1 7 3 5 l 0 5 1 l l 5 8 正常蓄水 6 1 O 5 2 O 2 7 l 4 6 3 1 8 3 位 3筑坝材料要求 3 1 坝料反滤关系 根 据垫层料 、过渡料 、排水带料及主堆石料 的颗粒级配 曲线 ，按太沙基 反滤准 则，从 以下三 3 8 个方面核算反滤保护的合理性。 ( 1 )对 于垫层料平均 级配 曲线按过渡料 平 均级 配 曲线核算反滤 。 ( 2 )对 于过渡 料平均级配 曲线按 5 m m以下 颗粒 排水堆石料平均级配 曲线核算 反滤 。 ( 3 )对 于过渡 料平均级配 曲线 按 5 m m以下 颗粒主堆石料平均级配 曲线核算反滤。 应满足 D 1 5 d 1 5 5 ，D 1 5 d 8 5 4 5 。 D 1 5 ：反滤料 的粒径 ，小于该粒径 的土 占总 土重 的 1 5 。 d 8 5 ：被 保护土 的粒径 ，小于该粒径 的土 占 总土重的 8 5 。 d 1 5 ：被保 护土的粒径 ，小于该粒径 的土 占 总土 重的 1 5 。 3 2 坝料填筑施工控制 混凝土面板堆 石坝设计规 范( 以下简称 设计规范 )( S L 2 2 8 -2 0 1 3 )中对筑坝材料 的 填筑 标准要求见表 4 。 表 4 坝料填筑标准 主堆 下游堆 坝料 垫层料 砂砾石料 过渡料 石料 石料 孔隙率 l 5 2 0 1 8 2 2 2 O 2 5 2 3 2 8 ( ) 相对 密度 0 7 5 0 8 5 在施工过程 中， 常用最大干密度及干密 度标 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 5期 准差 来控制坝体填筑 标准 。根据类似工程经 验 ， 建 议 将 表 面 振 动 器 法 试 验 的 最 大 干 密 度 乘 以 0 9 6 0 9 8的压实度 作为设计控制干 密度 ，并 作 为施工填筑控制干 密度下 限。 干 密度标准差反 映了堆石填筑 的均一 性 ，建议控制在 0 0 5 g c m 。 以 下 。 在 设计规范中规定 ，设计堆石干密度可 用孔隙率和岩石密度换算。 这项规定对于坚硬岩 石 是合适 的，软岩则对堆 石孔隙率 、干密度 的计 算 影响较大 ，可 能会 导致设计控制标准偏低 。应 在施 工期根据现场碾 压试验得 出相对密度 、 孔 隙 率 与干密度 的关系 ，及时修正设计填筑 标准 。 为使 软岩 堆石 体蓄 水后 不致 产 生过 大 的变 形 ，应通过提高堆石 体的密度 ，降低孔 隙率而提 高堆石体压缩模量的方式来实现。 软岩的填筑标 准 要求 比硬岩应 高一些 。例如 ：江西大坳面板坝 原设计 根 据规 范提 出主 、次堆 石 区的孔 隙率 为 2 1 和 2 4 。根据碾 压试验成 果，设计要求主 堆 石 体 孔 隙 率 小 于1 9 ，次 堆 石 区 孔 隙 率 小 于 2 1 2 4 。实际施工达到 的孔 隙率分别为 1 9 4 和 21 5 。 4 坝体稳定及应 力变形分析 4 1 分析方法 边坡 稳 定分析 是采 用条 分法 利用 极 限平衡 理论计算边坡 的安全 系数 。 根 据土石坝设计规 范 的要 求 ， 面 板堆石坝 的边坡稳 定分析一般均采用 简化 毕 肖普法 。 面板坝的坝体应力变形分析通常采用非线 性有 限元分析方法进 行 。计算分析 时，一般先对 集 中不 同的分 区方案进 行 二维应 力变 形有 限元 计算 ，在分析计算结 果优 选一种方案 的基础 上， 可进行 三维有 限元计算 ， 以进一步对所 选方案分 析研 究 。 4 2 抗剪强度指标 坝坡稳定分析中堆石料抗剪强度采用线性 还 是非 线性 ，取 决于堆 石材料 的岩性 、颗粒 形 状 、级配 和密度 等 。对 于坚硬 、浑圆且 级配 优 良的砂卵 石 ，其 颗粒 在较 大 的应 力下仍 不会破 碎 ，因此 ，其强度包线在较高的应力水平下仍 可 保 持近似 的直 线关 系 。而对 于棱 角尖 锐 的堆 石 而 言 ， 由于颗 粒破碎 的影响 ，其 强度包 线在 相 对较 小 的应力 下 即发生 了弯 曲，因而呈 现 出 非 线性 的特 征 。 相关 资料表 明， 同一非线性强度计算 的安全 系数随坝高的增加而降低， 这个规律符合坝越高 越不 安全 的实际情况 。 用 线性强度计算 的安全系 数 随坝 高增加没有变化 ，不符合 实际。 而采 用非 线性 强度计 算 的安全 系数要 高于 采 用线 性强度 计 算 的安全系 数 。因此 ，可 以建 议 非线 性强度 计算 坝坡 稳定 ，允许 安全 系数可 提 高 8 。 4 3 变形控制标准 ( 1 )面板挠度控制标准 笔者 根据类似工程经验数据 统计， 建议根据 水 工混凝土结构设计规 范( S L 1 9 1 - 2 0 0 8 ) ，按 照 L 4 0 0 L 4 5 0考 虑 。可参照表 5中数据 。 表 5 面板挠度控制标准 坝高 ( m ) 5 0 i 0 0 1 5 0 2 0 0 挠度安全值 2 0 3 5 5 5 7 5 ( c m) L是指一块板 的长度 ，高坝如果分期浇筑 面 板， 可根据分期接缝间的面板长度综合考虑挠度 安全值 。 天生桥一 级面 板坝最高1 7 8 m ，蓄水期裂 缝 较 蓄 水 前 增 加 了 1 O倍 。蓄 水 后 面 板 出现 了 1 0 2 3 c m的很大水平 位移 ，产生 了 8 9 8 c m的挠 度 ，由于过大的挠 曲变形 ，使面板混凝土 的压应 变超 过了混凝土 的极 限压应 变， 使面板成 为类似 余弦 曲线 的形状而 出现两个 反弯 点， 从而产 生了 弯矩 、拉 应力及压应变 ，直 至产 生一系列裂缝 。 ( 2 )沉 降控制 标准 硬岩面板堆石坝施工期最大沉降量与坝高 之 比一般 仅为 0 5 左右 。江 西大坳堆石坝施工 期沉 降量 约 占坝高 的 1 0 2 ，偏大 ，说 明软岩 的 压缩性较 大 。 根据 国 内外实测资料 ，竣工后沉 降 量小于坝 高的 1 时都 没有 发生裂 缝 ，大于 3 的 有 裂 缝 。 因此 ，可 确 定 总 沉 降 量 小 于 坝 高 的 1 5 2 为安全 控制标准 。 沉降量包括坝高和坝 基 的总沉 降量 。 江 西大 坳坝 填筑 到坝顶 直至 蓄水 前 的沉 降 速率在半年内即将为 1 2 m m 月， 表明软岩料的 变 形也是 以瞬 时发 生为主 ， 施工 期结束后坝体 的 沉 降变形很快趋于稳 定， 这 也是软岩筑 坝提高压 实密度 的一个优势 。 ( 3 )应 力控 制标准 按照面板混凝土的强度指标控制，见表 6 。 3 9 。 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 5期 表 6 混凝土强度设计值单位 ：M P a( N ra m ) 混凝土强度等级 强度种类 符号 C 1 5 I C 2 0 l C 2 5 C 3 0 C 3 5 C 4 0 C 4 5 C 5 0 C 5 5 C 6 0 轴心抗 压 f c 7 2 l 9 6 1 1 9 1 4 3 l 6 7 1 9 1 2 1 1 2 3 1 2 5 3 2 7 5 轴 心抗 拉 f t 0 9 1 l 1 1 0 l 1 2 7 l _ 4 3 1 5 7 L 7 1 1 8 0 L 8 9 l _ 9 6 2 0 4 5 碾 压 施工 技术 5 1 碾压存在的问题 软岩 强度低 ，碾压后 易破碎 ，诸 多软岩碾 压 试验表 明易出现 以下问题 。 ( 1 )现场洒水时 ，水渗透很 慢 ，表面流淌 。 需等十几个小 时后方可进行碾 压 。 碾压过程 中出 现粘碾 、涌土 、弹簧土等现象 ，影 响该料 的压 实 性及施工进度 。 ( 2 )天然含 水率不 能太小 ，天 然含水率 低 于 4 时 ，干密度很难达到设计技术指 标要求 。 (3)碾 压 后 渗 透 系 数 偏 小 ，在1 0 1 0 一 c m s 。 ( 4 )碾压施 工后每一 层大体可 分为三层 。 细化层 ：主要 以小于 5 m m颗 粒为主，约 占 4 0 6 0 ，层厚 0 5 c m不等 ，且不连续 ；压碎层 ：最 大粒径 l O O m m 2 0 0 m m ， 小于 5 m m颗粒含量主要 范 围 2 5 3 5 ，厚度 1 5 c m 2 0 c m不等 ；影 响层 ： 基本保 持原级配 ，少量破碎挤密 。 5 2 施工技术处理 ( 1 )加水工艺 适 量洒水有助于软岩料 的碾 压密实 ， 但软岩 料洒水 会湿化 、软化 、泥化 ，因此 洒水要适量 。 在碾压 前洒水 ，碾压 时粘碾严重 ，不利碾压 。碾 压前 要提前洒水 ，洒水可在料场或途 中进 行 ，如 在坝 面洒水要使碾压前有较长 的漫润 实践 。 在 缺水或寒冷地区不 能加水 时，可 以采用减 少填筑厚度和加大压实功能作为补偿， 如十三陵 上 池坝 ( 风 化安 山岩 ) ，在 冬季不 能加 水时 ，填 筑层厚由8 0 c m 减为 6 0 c m ，并增加碾压遍数。 ( 2 )细化层 的处理 细 化层对堆石坝 的稳定和变形影 响较大 ， 必 须进行 处理 。根据类似工程经验 ，对不 同厚度 的 细化层 进行如下处理 。 对 于 5 a m以下 很薄 的细化 层 ，在上 一层 铺 料 前洒 水 ，冲洗 软化 板 结层 ，可使 上层 石棱 嵌 入 下层 。 对 于较薄 的细化层 ( 5 l O a m ) ，采用履带式 推土机 、拖拉机在 板结层表面行走 的方式 ，使层 40 面翻起和错位 ，也可加工功能相 同的专用 工具进 行处理 。 对于大于 l O c m厚 的细化层 ，可采用推 土机 的铲刀将板 结层刮掉 的方式 。 细料可推 至两岸坝 肩处 ，还可 改善坝坡 结合处 的防渗作用 。 6 主要 结论 本文根据 国内外 软岩筑坝的相关经验 ，总结 了软 岩筑 面板 堆石 坝 设计 中应注 意 的相 关技 术 问题 ，以期 能促进 国内水利工程 中软岩筑坝 技术 的发展，为类似工程提供可借鉴的资料。 ( 1 )软岩 强度低 、软化系数 小、压缩模 量 低 、湿 化变形大 。软岩料经压实后可达 到较 高 的 密度 ，从而取得较好 的力学性 能，在 一定程 度上 弥补 了软岩强度 的不足 。良好压实 的软岩填 筑料 均能达到较高的压缩模量，可 以满足筑坝 的要 求 。 坝体实 际发生的压缩变形 比根据试验所 得的 压缩 模量计算 的值一般要 小一些 。 ( 2 )坝体分 区设计 要在保证坝 体施工 期、 运 行期 的沉 降量 以及面 板应 力在 合理 范 围 的前 提 下，软岩 料的边界线进行控制 ，保证 软岩 料区 在 大坝运行时处于干燥 区，避免软岩遇水产 生湿 化变 形 ，防止 软岩料 的继续风化 ，同时最大 限度 地利用软岩材料，节省工程投资。 ( 3 )堆石坝 中垫层 料、过渡料 、排水 带料 及 主堆石料应根据颗粒 级配 曲线 ， 按太沙基 反滤 准 则进行反滤保护核算 。主堆石料 的填筑标准 应 在施 工期根据现场碾压试验得 出相 对密度 、 孔 隙 率 与干密度 的关系 ，及 时修正设 计填筑 标准 。满 足 设计 要 求 的填筑 标准 应通 过提 高堆 石 体 的密 度，降低孔隙率而提高堆石体压缩模量的方式来 实现 。 ( 4 )坝体稳 定分析采 用非线性 强度计 算的 安全 系数要高于采用线性 强度 计算的安全系数 。 堆 石坝 面板 挠度 控 制标准 百米 级 可按 照 不大 于 3 5 c m控制 ；沉降量可按照不大 于坝高 的 1 5 2 控 制 ； 面板应力可 按照混凝土强度设计值 标准 控制 。 ( 5 )软岩强度低，碾压后 ( 下转第 4 5页) 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 4年第 5期 经对 以上数据 分析可得 ，一体化 闸门系统 自 动 化 测 量 共 测 了 2 0 1组 流 量 数 据 ，平 均 值 为 1 1 0 3 m 。 s ，该 系 统测 流 的容 许 误 差值 为 5 即 0 0 5 5 ， 自动化测流 中只有 4 6 的测流成果在 容 许误差之 外 ，人工测流共测 了 3 6组数据 ，其 中 有 5 2 8 的测流 成果超过 了容许误 差值 ， 得 出 的结论 是一体化 闸门 自动化测 流时间间 隔短 ，实 时监控 性强 ，测流 的精确度 要远高于人工测流 。 7系统效益总结 昌马 灌 区拟 实施 一体 化测 控 闸 门 自动 化 系 统项 目使供 水 与用 水 的管理 和服 务达 到智 能 化 和一体化 。该系 统给渠道管理 、用水户和环境 带 来 以下众 多的显著效益 ： ( 1 )提供整个 系统 的远程和本地 监控 ，实 现 了渠 道系统全面信息化 。为灌 区提供 实时数 据 采集 、检测及报 告 以改善管理方式 ，既保 障了安 全供水 ，又可 以防洪 防汛 。 ( 2 )通过渠道 系统 的智能化全 自动调节 ， ( 上接第 4 0 页 ) 易破碎、渗透系数偏小。碾压后每一层碾压层可 分为细 化层 、压碎层 、影响层 。细化层对堆 石坝 的稳定和变 形影响较大 ，必须进行 处理 。每层 处 理后才能进行下易破碎、渗透系一层铺料，实际 施工 中尤其要注 意对竖 向排水 区的专 门保护 。 ( 6 )随着水利工程的建设，利用软岩料筑 坝技术会得到越来越广泛 的应用。在工程设计 中，应 了解软岩 的特性 ，并针 对其特性进行坝体 取代 了人工计划 、调度和 闸 门控制 ，快速 有效 的 稳定渠道水位异 常波 动 ， 使渠道 始终保持最佳运 行状态 ，水资源浪 费最小化 ，并消除传统系统 中 不可避免的渠道剩水及退水。 ( 3 )闸 门和流量 计无 需外接 电源 由太 阳 能 驱动 ，减 少污 染 ，节能环保 ，改善 生态环境 。 ( 4 )一体化测控 闸门的高集成性大 大简化 了工程施 工和安装 的要求 ，大部分情况下 ，在原 有建筑物 结构上稍作改造 即可安装 。 ( 5 )覆盖整个 系统 的高精度流量计 量 ，流 量计量精度超 过 9 5 ，这 为水 权分配和水费 的合 理征收提供保 障，为用水户提供公平 、公正 的供 水服务 。 ( 6 )通过精确计量和水平衡模型，准确找 出泄漏 、渗漏 和偷盗 。发现渠道 流失 ，可有针对 性 的实施修补 工作 。 ( 7 )合 理 、精确 的分配 水资源 ，对 灌溉用 水 、工业供 水、生态用水提供接近按 需的配水 。 结构及筑坝材料的设计， 并在碾压施工过程中加 强质量控制 ，既保证 了软岩筑 面板堆石坝 的施工 及运行 的安全性 ，又为工程合理利用 当地材料 、 节省工程投 资创造 了 良好 的条件 。 参考文献 软岩筑面板坝技术 蒋涛、付军、周小文。 中国水利 水电出版社 I S B N 9 7 8 - 7 - 5 0 8 4 - 7 1 9 1 - 4 4 5