摘要：本文結(jié)合黃石灘混凝土面板堆石壩的關(guān)鍵設(shè)計工作，對壩體分區(qū)、壩料選擇和斷層區(qū)趾板基礎(chǔ)處理等問題進(jìn)行了大量研究，力求做到工程安全，結(jié)構(gòu)完善，降低造價，便于施工。

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩 黃石灘 壩料設(shè)計 基礎(chǔ)處理

1 工程概況

黃石灘壩址位于漢江支流付家河中游峽谷段，控制流域面積348km2，多年平均徑流量1.1億m3，水庫總庫容4177萬m3。面板壩高75.6m，面板面積1.75萬m2，面板混凝土5300m3。明流導(dǎo)流泄洪排沙洞一條，斷面尺寸為5×6.5m至5×7.1m，洞長322.3m。 開敞式溢洪道一座，溢洪道總長205m。此外還有一座設(shè)計流量8~10m3/s的壓力輸水洞。

工程2001年10月開工，目前大壩已竣工。樞紐總體布置參見圖1。

圖1 黃石灘水庫樞紐總體布置

2壩體設(shè)計

大壩頂寬8m，長210m，最大壩高。河床高程355m，壩頂高程423.6m。壩體填筑總方量為68.5萬m3。壩體填筑料從上游向下游依次為墊層區(qū)(包括墊層小區(qū))、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)。大壩分區(qū)參見圖2。墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)筑壩料采用飽和抗壓強(qiáng)度為98.2MPa、軟化系數(shù)為0.65的輝長—閃長巖爆破料；次堆石區(qū)料采用主堆石區(qū)同種材料，或用飽和抗壓強(qiáng)度為76.9MPa、軟化系數(shù)為0.52的綠泥石片巖，兩種材料作比較，組成第一、二方案，同時采用瓜園綠泥石片巖筑壩作為第三方案進(jìn)行不同材料分區(qū)的大壩變形、應(yīng)力比較，大壩填筑主要參數(shù)見表1。

表1 大壩填筑料設(shè)計參數(shù)

填筑分區(qū) 巖石性質(zhì) 最大粒徑 (mm) 干密度 (kN/m3) 孔隙率 (%) 填筑厚度 (mm) 灑水量 (%) 18t振動碾碾壓遍數(shù) 墊層區(qū) 碎石河砂混合料 80 21.4 19 500 9 8 過渡區(qū) 爆破碎石料 300 21.12 20 500 10 6 主堆石區(qū) 爆破料 800 20.72 21.5 1000 20 8 次堆石區(qū) 爆破料 800 23.1 23.5 1000 20~25 6~8 墊層小區(qū) 碎石河砂混合料 40 22.04 16.5 400 9 9

填筑分區(qū)

巖石性質(zhì)

最大粒徑

(mm)

干密度

(kN/m3)

孔隙率

(%)

填筑厚度

(mm)

灑水量

(%)

18t振動碾碾壓遍數(shù)

墊層區(qū)

碎石河砂混合料

80

21.4

19

500

9

8

過渡區(qū)

爆破碎石料

300

21.12

20

500

10

6

主堆石區(qū)

爆破料

800

20.72

21.5

1000

20

8

次堆石區(qū)

爆破料

800

23.1

23.5

1000

20~25

6~8

墊層小區(qū)

碎石河砂混合料

40

22.04

16.5

400

9

9

墊層區(qū)、過渡區(qū)填筑料要求為新鮮、堅硬、軟化系數(shù)大、耐久性強(qiáng)、顆粒級配良好的石料。經(jīng)碾壓密實(shí)后，具有低壓縮性和半滲透性。墊層區(qū)材料滲透系數(shù)為10-4~10-3cm/s，粒徑小于5mm的含量為35%~45%，粒徑小于0.1mm的含量<7%。

過渡區(qū)材料滲透系數(shù)10-3~10-2cm/s，粒徑小于5mm的含量為<16.5%，粒徑小于0.1mm的含量<5%。主堆石區(qū)要求石料級配良好，耐久性強(qiáng)，特別是壩體靠上游1/3范圍內(nèi)，巖石軟化系數(shù)大，飽和抗壓強(qiáng)度在100MPa以上。

碾壓后材料滲透系數(shù)10-2~10-1cm/s，粒徑小于5mm的含量為<11.4%，粒徑小于0.1mm的含量<3.5%。為防止泄洪時河水回流，沖刷大壩下游坡腳，壩腳處砂卵石開挖至基巖，設(shè)大塊石堆體，頂高程362m，高出下游最高水位1.2m。

圖2 黃石灘水庫大壩分區(qū)圖

3筑壩材料性質(zhì)

壩址附近有筑壩材料兩種，它們是：距壩址0.7km的瓜園料場，可開采量324萬m3，但無用層剝離量也高達(dá)110萬m3，系變質(zhì)巖綠泥石片巖，強(qiáng)度較高但片理發(fā)育，碾壓試驗其破碎率高達(dá)13.6%。

另外距壩址12km處的二里料場，一直是當(dāng)?shù)罔F路建設(shè)、工業(yè)民用建筑業(yè)用料的傳統(tǒng)采石場，巖性為輝長—閃長巖，飽和抗壓強(qiáng)度高達(dá)98.2MPa，軟化系數(shù)0.65，屬硬質(zhì)堆石料。

表2為三軸壓縮試驗非線性指標(biāo)，由指標(biāo)中看出，瓜園綠泥石壓縮模量系數(shù)很低，僅為二里輝長巖的1/3。

表2.1 DuncanE-v模型參數(shù)

試樣名稱 壩料名稱 試樣狀態(tài) ρ (g/cm3) C (kPa) φ (o) K n Rf G F D 瓜園料 主堆 干樣 2.31 173 33.92 499 0.08 0.80 / / / 主堆 飽和 2.31 21 38.10 198 0.32 0.74 0.22 0.20 4.67 砂礫石 墊層 飽和 2.16 97 40.24 577 0.68 0.81 0.36 0.05 0.36 主堆 飽和 20.3 22 39.21 589 0.21 0.83 0.30 0.07 3.644 輝長巖 墊層 飽和 2.13 120 43.86 591 0.53 0.73 0.33 0.09 5.32 主堆 飽和 2.00 134 40.19 622 0.34 0.85 0.26 0.11 4.45

試樣名稱

壩料名稱

試樣狀態(tài)

ρ

(g/cm3)

C

(kPa)

φ

(o)

K

n

Rf

G

F

D

瓜園料

主堆

干樣

2.31

173

33.92

499

0.08

0.80

/

/

/

主堆

飽和

2.31

21

38.10

198

0.32

0.74

0.22

0.20

4.67

砂礫石

墊層

飽和

2.16

97

40.24

577

0.68

0.81

0.36

0.05

0.36

主堆

飽和

20.3

22

39.21

589

0.21

0.83

0.30

0.07

3.644

輝長巖

墊層

飽和

2.13

120

43.86

591

0.53

0.73

0.33

0.09

5.32

主堆

飽和

2.00

134

40.19

622

0.34

0.85

0.26

0.11

4.45

表2.2DuncanE-B模型參數(shù)

試樣 名稱 壩料名稱 試樣狀態(tài) ρ (g/cm3) φ (o) Δφ (o) K n Rf Kb m 瓜園料 主堆 干樣 2.31 57.21 16.00 499 0.08 0.80 / / 主堆 飽和 2.31 40.82 2.41 198 0.32 0.74 98 0.23 砂礫石 墊層 飽和 2.16 50.24 8.74 577 0.68 0.81 343 0.41 主堆 飽和 23.0 49.23 10.37 589 0.21 0.83 248 0.21 輝長巖 墊層 飽和 2.13 53.57 7.53 591 0.53 0.73 304 0.46 主堆 飽和 2.00 52.05 9.60 622 0.34 0.85 153 0.34

試樣

名稱

壩料名稱

試樣狀態(tài)

ρ

(g/cm3)

φ

(o)

Δφ

(o)

K

n

Rf

Kb

m

瓜園料

主堆

干樣

2.31

57.21

16.00

499

0.08

0.80

/

/

主堆

飽和

2.31

40.82

2.41

198

0.32

0.74

98

0.23

砂礫石

墊層

飽和

2.16

50.24

8.74

577

0.68

0.81

343

0.41

主堆

飽和

23.0

49.23

10.37

589

0.21

0.83

248

0.21

輝長巖

墊層

飽和

2.13

53.57

7.53

591

0.53

0.73

304

0.46

主堆

飽和

2.00

52.05

9.60

622

0.34

0.85

153

0.34

4壩體變形與應(yīng)力

采用以上參數(shù)，使用雙屈服面模型可以計算出不同筑壩材料分區(qū)時對大壩應(yīng)力與變形的影響，結(jié)果表明，既使將片理狀巖石放置在次堆石區(qū)，影響也是很大的，參見表3。

表3 大壩分區(qū)材料與應(yīng)力變形關(guān)系

計算參數(shù)

單位

全瓜園料場綠泥石填筑

主堆石輝長巖

次堆石綠泥石

全二里料場

輝長巖填筑

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

竣工期大小主應(yīng)力

σ1

kPa

1294.6

1229.4

σ3

kPa

628.5

596.7

蓄水期大小主應(yīng)力

σ1

kPa

1441.4

1348.9

σ3

kPa

701.5

720.5

最大應(yīng)力水平

%

80

45

面板最大撓度

cm

34.96

11.97

周邊縫三向變形

mm

切/沉/張 11.02/27.5/28.4 32/22.7/16.5

由表3可以看出綠泥石片巖盡管屬中硬巖石，但它的層理性和各向不均性顯示非常明顯，同一塊試件沿不同層次角度的強(qiáng)度指標(biāo)相差2~3倍，軟化系數(shù)也相差一倍，因此使用層理性較強(qiáng)的中硬巖石筑壩，除了應(yīng)適當(dāng)放緩設(shè)計壩坡而外，尚應(yīng)承擔(dān)壩體大變形和面板較大撓曲度的風(fēng)險。采用無層理結(jié)構(gòu)的塊狀巖石筑壩，由于該種材料無各向異性問題，反映出壩體變形僅為層理填筑料的1/4。因此“什么材料都可以筑壩”這句話并不全面，除了就地取材使用而外，還應(yīng)更多地顧及大壩和面板的變形及應(yīng)力狀況。

5強(qiáng)風(fēng)化趾板基礎(chǔ)處理

河床趾板基礎(chǔ)位于斷層兩交匯處，巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化層厚度達(dá)14m之多。若按常規(guī)挖除強(qiáng)風(fēng)化層作為趾板建基面，則基坑深達(dá)20m，第二年度汛將被迫采用壩面過流方案，汛期壩體填筑停工，致使工期延長一年，壩面保護(hù)等臨建工程費(fèi)用增加約三百余萬元。

設(shè)計采用保留強(qiáng)風(fēng)化巖體，剝離沖積覆蓋層及全風(fēng)化層，基坑深度8m，在清基面上澆筑2~3m厚C15混凝土板。基礎(chǔ)采用深錨桿和深固結(jié)孔灌漿，孔、排距采用1.5m(詳見圖3)。

根據(jù)地表與鉆孔實(shí)測強(qiáng)風(fēng)化巖體波速不足2000m/s，通過固結(jié)灌漿，加強(qiáng)巖體的整體性，使其波速提高至3000~3500m/s以上，彈模由5.7GPa提高到15GPa以上，將趾板

圖3 黃石灘水庫左岸斷層區(qū)趾板基礎(chǔ)處理

基礎(chǔ)改造成弱風(fēng)化基礎(chǔ)性質(zhì)。另據(jù)地質(zhì)資料顯示，在強(qiáng)風(fēng)化巖層中，巖體透水性較強(qiáng)，單位吸水量ω=10~5Lu，屬中等透水性質(zhì)；21~32m范圍內(nèi)ω=5~3Lu，屬弱透水層。設(shè)計兩排帷幕灌漿施工，使趾板基礎(chǔ)達(dá)到微透水性質(zhì)。

圖3小開挖方案，趾板建基面位于強(qiáng)風(fēng)化表層，高程▽348.0m，壩底寬縮短了40m長，改變了趾板基礎(chǔ)▽330.0m，帷幕灌漿線上移40m的大開挖方案，整個大壩填筑工程提前一年完工，使大壩在第一個枯水期突擊填筑至▽395m高程，完成了大壩小斷面攔洪50年一遇洪水的要求，使整個樞紐工程提前一年進(jìn)入正常施工狀態(tài)，工程取得了主動。

由于左岸壩腳F9、F19兩斷層穿過且交匯于左岸坡，因此趾板河床左半部基礎(chǔ)形成一個風(fēng)化深坑，弱風(fēng)化深度深310.0m，較地表下降28m。趾板建基在風(fēng)化槽邊坡上。該段強(qiáng)風(fēng)化深基礎(chǔ)設(shè)計采用固結(jié)灌漿辦法，以提高其完整性。于2003年3月用面波儀對固結(jié)灌漿后的巖體進(jìn)行了檢查測試， 結(jié)果表明破碎巖體灌漿后彈性波波速增加較明顯，巖石完整程度提高，但對完整巖石或鄰近斷層的破碎巖石其波速提高幅度較慢，詳見表4。

由于個別巖性段灌漿前后，效果不十分明顯，設(shè)計提出第二次高壓灌漿要求，起始壓力0.3MPa。檢查孔檢測結(jié)果表明，灌漿后巖體完好率提升至94.4%，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期的目的。

表4 灌漿前后巖性參數(shù)對照表

趾板基礎(chǔ)

巖體波速Vp

動彈模量

完整系數(shù)Kv

評價

m/s

Gpa

①區(qū)

原巖

3300~3750

17.40~20.90

0.36~0.56

較破碎

灌漿后

4330~4615

40.30~46.80

0.75~0.85

完整巖體

②區(qū)

原巖

1905~2667

5.96~13.25

0.15~0.27

破碎巖體

灌漿后

2857

15.64

0.35

較破碎

③區(qū)

原巖

3067~3200

18.30~20.30

0.38~0.41

破碎巖體

灌漿后

3630

26.95

0.55

較破碎

④區(qū)

原巖

3750~4167

28.90~36.85

0.56~0.69

較完整巖

灌漿后

4242~4950

38.10~55.10

0.72~0.98

完整巖體

黃石灘趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理，使原強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)透水、低完整性趾板基礎(chǔ)，改造并達(dá)到完整性系數(shù)提高，抗?jié)B性降低，符合規(guī)范要求的非沖蝕性基礎(chǔ)。