TBM渣料用于CCS水电站调蓄水库面板堆石坝次堆区填筑料的设计研究

邢建营　姚宏超　陈　勤

（黄河勘测规划设计有限公司）

摘　要：厄瓜多尔CCS水电站由首部工程、24.8km长的输水隧洞、调蓄水库和地下厂房等几部分组成。其中输水隧洞全长24.8km，开挖洞径9.11m，采用TBM开挖为主、钻爆开挖为辅，开挖洞渣料近160万m3，调蓄水库拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高70m，总填筑量约50万m3，如能采用洞渣料上坝不但可以降低工程投资，而且可以降低因开采坝料、堆渣等对环境造成的影响。设计阶段经过对级配、渗透系数、抗压强度等的研究证明洞渣料满足一定要求后可以作为次堆区的填筑料。

关键词：CCS水电站；TMB渣料；面板堆石坝；次堆石区；填筑料设计

0　引言

厄瓜多尔科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，简称CCS）水电站位于亚马逊河二级支流科卡河上，距离首都基多130km，总装机容量1500MW，是该国最大的水电站，也是世界上规模最大的冲击式机组水电站。CCS水电站年均发电量约87亿kW·h，满足了全国1/3人口的电力需求，结束该国进口电力的历史。通过公开招标，2009年由黄河勘测规划设计有限公司负责工程设计的联营体中标，最终由中国水利水电建设集团签订了附带融资条件的总承包合同，总合同额23亿美元。工程于2010年7月开工，2016年4月首批4台机组并网发电，同年11月8台机组全部投产发电。CCS水电站是中国公司在海外独立承担设计的规模最大的水电工程之一，其成功实施，揭开了中国水电行业“走出去”的新篇章。

CCS水电站主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道、厂房发电系统等。

CCS调蓄水库面板坝的料场取至距大坝距离约5km的G2块石料场，料场剥采比约0.2～0.3，开采单价较高。TBM2开挖的洞渣料约70万m3，如不加利用，按EPC合同要求需考虑堆渣场地和治理的要求，投资较大。因此，总包单位迫切希望能将TBM开挖渣料尽可能多的用于面板堆石坝的填筑。

CCS水电站工程总平面布置见图1。

1　输水隧洞地质条件

1.1　地形地貌

输水隧洞位于Reventador火山东南部，地形起伏较大，地势总体呈西高东低。工程区内河流、沟谷发育，沟内多常年流水，植被较发育。输水隧洞起点位于Quijos河与Salado河交汇处下游约1.5km Coca河右岸，隧洞进口底板高程1250m，输水隧洞穿越区内，河流众多，隧洞穿越区内的主要河流有：MALVA GRANDE河、MALVA CHICO、GALLARDO河、MARLENE河、MAGDALENA河等河流，沟谷较陡峻。隧洞出口位于Q.GRANADILLAS河谷中游，底板高程1204.50m，出口边坡较平缓。

1.2　地层岩性

根据隧洞开挖揭露，隧洞沿线穿过的地层岩性主要划分如下：

K0+000～K0+780段：花岗闪长岩侵入体（gd），整体块状结构，由于风化作用，表层呈砂土状，厚几十厘米到数米不等。K0+780～K22+551段：该洞段为侏罗—白垩系弥撒华林地层（J-Km），主要岩性包括安山岩、玄武岩、流纹岩、凝灰岩、熔结凝灰岩和角砾岩等，岩石致密坚硬，呈次块状—块状结构，较完整。K22+551～K24+807段：隧洞岩性主要为白垩系浩林地层（Kh），中厚层砂岩为主，夹薄层页岩，浸渍沥青，岩石较坚硬，层状结构。

其中桩号11+036.02～24+779.47段由TBM2从输水隧洞出口进洞掘进施工，全长13.743km。

2　TBM开挖料试验结果

2.1　试验室试验结果

（1）试验室筛分试验结果。采用现场TBM2开挖料，筛分试验结果见表1。

TBM2开挖料的特征粒径分别为d60=17～18mm，d30=4～5mm，d10=0.8～1mm。不均匀系数（coefficient uniformity）Cu=d60/d10=17～18/0.8～1=17～22.5，曲率系数（coefficient of curvature）Cc=d30×d30/（d60×d10）=（4～5）2/（17～18）×（0.8～1）=0.9～1.63。

（2）TBM2开挖料物理性能试验结果见表2。

（3）室内三轴试验结果。采用上述三组级配曲线按综合缩尺法进行缩尺，制成直径101mm，高度204mm的试样，进行固结排水三轴压缩试验，试验结果见表3。

（4）TBM2开挖料抗压强度试验结果。从TBM2开挖区取两组6个试验进行抗压强度试验，采用天然试样进行试验，其试验结果见表4。

2.2　现场初步碾压试验结果

为验证TBM2开挖料用于坝体填筑的可行性，现场进行了初步碾压试验，试验采用BW216 D-4自行式10t振动碾，分别采用40cm、60cm、80cm的初始铺筑层厚进行试验，每种铺筑厚度分别采用先静碾2遍后再分别碾压6遍、8遍、10遍的方式进行，试验过程中不加水，控制含水量在4.5%～7.5%之间。

经现场碾压试验验证，次堆石区要求的孔隙率、干容重在不同铺筑厚度和不同碾压遍数时都可以达到设计要求。

2.3　试验结果分析

从上述试验可以看出，天然岩石的抗压强度均大于45MPa，属于中硬岩；小于4.8mm粒径的颗粒含量在25%～35%之间，小于0.074mm粒径的颗粒含量在0.5%左右；抗剪强度φ＞46°，渗透系数K≤1.5-4cm/s。TBM2渣料除小于4.8mm粒径颗粒含量超出基本设计要求约5%，渗透系数较小外，其余均满足基本设计、相关规范、参考资料和动力分析等的要求。

3　调蓄水库面板堆石坝设计

3.1　调蓄水库枢纽布置

调蓄水库由输水隧洞出口、面板堆石坝、溢洪道、压力管道进水口、导流兼放空洞等组成。调蓄水库通过长约25km的输水隧洞从首部枢纽引水，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾；压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。水库正常蓄水位1229.50m，死水位1216.00m。

3.2　调蓄水库地质情况

调蓄水库坝址区主要为Hollin地层的砂页岩互层，层理比较发育。砂岩岩层厚度一般100～400mm，页岩厚度小于5mm，岩体为中硬—较软岩类。岩层总体倾向NE，局部倾向NW，倾角大多5°～10°，局部15°～20°。从开挖揭露的情况看，砂岩及页岩开挖后易受风化，风化后成泥状，岩体风化带厚度一般15～20m。

坝址区岩体主要发育一组优势节理，发育的节理以陡倾角为主，走向330°～340°，倾向SW，倾角70°～88°，微张。强风化带内节理面多蚀变，呈褐黄色，充填泥质或钙质，间距30～50cm，节理一般延伸3～10m，一般不切割相邻地层。

根据资料，坝址区地震动峰值加速度为260cm/s2（0.27g，g=9.78m/s2），可能最大动峰值加速度（Amax）为404cm/s2（0.4g）。

3.3　面板堆石坝设计

根据混凝土面板堆石坝一般设计经验并结合ICOLD141的分区习惯，调蓄水库混凝土面板堆石坝分区见图2，从上游向下游依次为任意料盖重区（1B）、无黏性细粒料铺盖区（1A）、混凝土面板防渗区（F）、垫层区（2A）、特殊垫层区（2B）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、次堆石区（3C）、下游护坡（3D）。

4　相关规范对填筑料的要求

4.1　国外规范对次堆料的要求

ICOLD公告认为3C区一般由最大粒径2000mm的堆石组成，按2000mm的填筑厚度进行填筑，其作用是完善大坝断面，从面板变形的角度考虑这一区域的沉降并不十分重要。根据岩石特性和大坝高度，对次堆石区3C可以采用1.5～2.0m填筑厚度和更宽的级配包络线。当采用质量较好的岩石时，上下游坝坡一般可以采用（1.3～1.4）H∶1.0V。如果采用软岩堆石或在软弱基础上坝，需要采用稍微缓一点的坝坡。并认为软细堆石、淤积砂、砂砾石（小于0.074mm粒径含量7%～12%），是渗漏系数非常小的材料，一样都可以用在合适的区域。这时需要设置能自由排水、大容量的烟囱式排水。

ICOLD公告认为目前堆石坝的发展趋势是建造采用人工防渗膜、钢筋混凝土/沥青混凝土土面板或其他材料作为防渗体的堆石坝。这些坝通过采用振动碾和薄层碾压技术提高堆石质量来达到减小大坝断面、减少劳动力等使此种坝型更经济的目的。当堆石为良好材料，则在上游采用较薄的填筑层厚来获得较高的模量和密度。在下游为降低施工投资和减少堆石用量一般采用较大的填筑层厚；实践证明2.0m的填筑层厚的压实度比1.0m填筑层厚降低7%～9%。在最近建设的大坝中，部分甚至在下游坝址采用了抛填堆石。

4.2　中国规范

《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）认为下游堆石区在坝体底部下游水位以下部分，应采用能自由排水的、抗风化能力较强的石料填筑。150m以下的坝，下游水位以上部分采用与主堆石区相同材料时，可适当降低压实标准，也可采用质量较差的堆石料。

《混凝土面板堆石坝设计规范》（DL/T 5016—2011）认为对下游水位以上的下游堆石区，对堆石料的要求可适当降低。软岩堆石料可用于高坝坝轴线下游的干燥部位，压实后其变形特性应和下游堆石区的变形特征相适应，中低坝也可用于上游堆石区。对坝高小于150m的面板堆石坝，下游堆石区采用硬质岩时孔隙率应在20%～25%之间，采用软质岩时孔隙率应在18%～23%之间。

4.3　相关文献对次堆石区的要求

库克和谢腊德认为：任何硬岩，只要小于4.8mm的颗粒含量小于20%，小于0.074mm的颗粒含量小于10%都能达到面板堆石坝所需要的低压缩性和高抗剪强度。据此，与目前规范规定的小于25mm粒径含量的方法相比，这些界限将成为堆石选择的一个好方法。

Watzko（2007）在关于面板堆石坝的硕士论文中，根据Machadinho工程实例，指出：在20世纪70年代，堆石被定义为这样一种材料，即大于12.5mm粒径的颗粒含量大于等于70%，小于4.8mm的颗粒含量小于等于30%（理想状态是10%）。目前对堆石的定义比前述要灵活很多。已有工程采用最大粒径1.5m，小于4.8mm粒径含量达35%～40%，小于0.074mm颗粒含量达10%的堆石。一个准则就是堆石的渗透系数应大于10-3cm/s。在Salvajina大坝中，小于2.5mm的颗粒含量达50%。

库克对次堆石区3C有这样描述：下游堆石区3C承担很小的水荷载，它的压缩性对面板的沉降影响很小。因此，3C区一般采用较大填筑层厚，约1.5～2.0m，采用振动碾压实4遍。为得到较大的渗透性和减少设备磨耗，可以采用更大一些的层厚。当然如果最大粒径较大的话，采用更大一些的填筑层厚也是必须的。

堆石的级配和质量：对硬岩堆石来说，料场小于25mm的颗粒含量一般小于30%。因此，一般规定堆石小于25mm的颗粒含量不超过30%（或40%），但是有一些小于25mm颗粒含量达50%的堆石一样达到了非常好的效果。在Salvajina大坝中小于25mm的颗粒含量界限是80%，但要求采用薄层铺筑和更好的压实。近年来，已有相当多的最大粒径为10～15cm的硬岩堆石证明具有满足堆石坝要求的特性。这些小粒径岩石常类似于河流冲击的砂砾石，可以获得非常好的低压缩性和高抗剪强度。

堆石坝填筑料的最重要特性为低压缩性和高抗剪强度。通常来说堆石具有较大的透水性，但是低透水性的材料通过设置内部排水一样可以用来筑坝。通常来说，任何硬岩料场小于4.8mm颗粒含量小于20%，小于0.074mm颗粒含量小于10%，都可以达到堆石坝要求的低压缩性和高抗剪强度。这个规定要比限制小于25mm粒径含量的方法要好一些。

5　总结

根据上述规范，对下游次堆石区3C的规定可以看出，对中低坝来说，由于该区对面板和接缝的位移影响较小，一般不像对主堆石区3B一样要求严格，在满足下游坝坡稳定的前提下，不对该区的级配、渗透性、抗压强度等做强制性的要求。

从文献资料也可以看出，根据目前的设计和施工经验，对堆石特别是下游次堆石区3C的要求已经大大降低，关键是需要满足低压缩性和高抗剪强度的要求，如果渗透系数过低，可以通过设置内部排水来解决。

参考文献

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