软岩面板堆石坝填筑分区碾压施工

胡　伟1　张　洋1　尹　迪2　杨晓明3

（1.宜昌市水利水电勘察设计院有限公司；2.长禹水务投资开发有限公司；3.湖北省水利水电规划勘测设计院）

摘　要：本文以五峰县关门岩水库面板堆石坝工程为依托，针对其中坝体填筑分区及其碾压标准情况进行了分析总结，所提出的改善坝体填筑质量的工程措施可为类似软岩料筑坝工程提供参考。

关键词：面板堆石坝；软岩料；坝体分区；碾压标准

1　工程概况

关门岩水库工程位于湖北省五峰县渔洋关镇渔洋河上段柴埠溪，渔洋河为清江流域一级支流，关门岩水库坝址位于柴埠溪上游朱家铺子坝址处，杜家堡以下约1.5km，大坝料场位于柴埠溪庙包河床左岸处，距渔洋关镇25km。

水库正常蓄水位600.00m，总库容1440万m3，主要建筑物级别为3级，次要建筑级别为4级。枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝，左岸开敞式溢洪道及引水系统，右岸导流洞等组成，大坝设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，最大泄洪流量为998.00m3/s。

关门岩水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高82.60m，坝顶长度237.73m，坝顶宽度7m，坝顶高程605.60m，上游坝坡坡比1∶1.4，下游坝坡综合坡比1∶1.55，下游在高程570.00m处设置一处宽2.5m马道。

该工程于2015年4月开工，2016年1月实现截流，同年2月大坝开始填筑，2017年11月大坝填筑至设计高程，进入预沉降期，预计2018年10月初开始面板浇筑施工，2019年4月具备下闸蓄水条件。

大坝坝址区位于五峰舒缓背斜核部，两岸岩层走向为西北，倾南西，左岸平缓，倾角为6°～10°，右岸大多倾角为10°～30°，两岸岩石以中厚层白云岩、白云质灰岩为主，河床为冲、洪积堆积物，厚度17～22m，以卵石为主，表层夹少量孤石，下部粗、细砂、黏土不均匀分布，其中卵石含量65%以上，碎块石占25%左右，细颗粒含量5%～15%，总体较为均匀。

上坝料主要来源于料场，也有部分河床砂砾石及少部分导流洞开挖料，料场主要岩性以中厚层白云岩、白云质灰岩、薄层泥质白云岩为主，单轴抗压强度为17～111MPa，剥采比达到1∶1，钻孔内共取岩样8组，进行室内物理力学试验。根据试验成果，提出坝址区岩石物理力学参数建议值见表1。

2　大坝结构设计

混凝土面板采用变截面形式布置，顶部厚度0.30m，底部厚度0.53m，面板主要宽度按照6m和12m分缝，总共形成26块面板。

（1）面板混凝土设计。强度等级采用C25，抗渗等级为W10，抗冻等级F100。

（2）面板配筋。考虑大坝软岩填筑比例较高，大坝硬岩骨料不足以作为面板刚性支撑的骨架，同时考虑混凝土温度、干缩、面板自重、水荷载等影响，将面板配筋采用双层双向布置，钢筋直径为18mm、22mm，间距为20cm，配筋率不大于0.5%，同时，在周边缝面板两侧和垂直缝两侧1m范围内设置构造钢筋保护板间缝。

（3）趾板及连接板布置。本工程为深厚覆盖层地基基础，覆盖层厚度为17～22m，考虑在一个枯水期时段同时进行大坝回填与防渗墙施工，为防止大坝填筑其间防渗墙的向上游位移，蓄水期间的水推墙，砂砾石对墙的摩阻力加之施工器具尺寸需求，通过有限元应力应变分析，研究不同趾板、连接板长度，以及不同的趾板、连接板与防渗墙的连接方式对防渗墙、趾板的应力变形及缝位移动的影响，优化大坝趾板与防渗墙的连接方式，增强填筑期间地基适应变形的能力。经过严密计算，与施工总布置，前移防渗墙，增加一块4.3m连接板，以确保大坝填筑期、沉降期趾板与连接板能更好适应大坝变形。

（4）周边缝防渗板。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）中第7.0.3条的要求，鉴于水库工程地质特性，两岸趾板（趾墙）基础多为强风化层，容许的水力梯度为5～10，按正常蓄水位计算出岸坡趾板最大宽度13.0m，根据实际地形地质条件结合后续灌浆施工要求，本工程岸坡趾板宽度按4m布置，为延长渗径，保证地基的渗透稳定，岸坡趾板以下部分采用15cm厚C20混凝土挂网喷护，喷护范围不小于9m，同时，设置长4.5m，ϕ25mm锚杆，按间排距2m梅花状布置。

（5）周边缝布置。根据规范要求，面板周边缝底部设置铜片止水，中部设置厚2cm闭孔泡沫板，顶部设置SR塑性填料，用SR盖片封闭保护，底部铜片止水设置橡胶垫片和砂浆垫层。

（6）面板的垂直缝。两岸为张性缝，缝间距为6m，河床段为压性缝，缝间距12m，底部设置止水铜片，垂直缝设厚2cm沥青杉木板填缝，拉性缝顶部设半圆形SR塑性填料，表面用SR盖片封闭保护，底部铜片止水设置橡胶垫片和砂浆垫层。

（7）坝顶结构设计。大坝坝顶宽度主要根据交通、施工及后期运行维护要求布置，根据规范要求，大坝坝顶宽度选取7m，坝顶迎水面设防浪墙、电缆沟、照明路灯及雨量检测仪，背水面设置防护栏杆，坝顶路面设置单向排水坡，排水坡度为2%，坡向下游。

（8）防浪墙布置，防浪墙采用钢筋混凝土结构分槽段施工，混凝土强度等级C25，抗渗指标W10，抗冻指标F100；U形防浪墙底部高程602.60m，顶部高程606.80m，墙高4.2m，防浪墙分缝与面板分缝对应一致。

3　坝体分区结构设计

3.1　料场现状

经过实地勘察、试验、分析，可选填料分别为坝址下游左岸500m处1号料场及下游河道河床砂砾石取料，通过料场实际开挖揭示发现，料场以覃家庙组白云质灰岩夹泥灰岩为主，风化、溶蚀强烈，单轴抗压强度为9～117MPa，爆破后剥采比为1∶1，开挖弃料较大，不能完全满足设计要求。由于2015年5月以后，坝址区域被划入国家一级林地，无法另辟料场；经过勘探，河床砂砾石以耗子沱灰岩、白云质灰岩，储量大约40万m3。

大坝填筑堆石料以白云质灰岩为主，白云质灰岩及薄层泥灰岩作为大坝堆石区填筑料源，河床砂砾石作为骨料生产和大坝过渡料区域填筑，坝前垫层料分别采用料场硬岩料和河床砂砾石破碎混合掺配而成。根据地质分析建议，料场参数指标为干密度2.77g/m3，软化系数0.84，饱和抗压强度85.5MPa。

3.2　施工过程中的设计变更

该工程于2015年6月正式开工建设，2016年2月大坝开始填筑，当月27日经现场试验检测发现高程526.50m以下部分过渡料无法满足自由排水特性，不能形成完整水平排水通道。为保证大坝坝体排水体系畅通，通过方案变更于29日在高程526.50m处增设两条砂砾石排水盲道，盲道上游与过渡料衔接、下游与堆石棱体衔接，形成完整的水平排水体系，同时要求后续填筑采用河床砂砾石加工掺配后作为垫层、过渡料的料源，严格确保大坝填筑指标。

4月初根据现场检测结论揭示，高程543.00m以下已施工部分垫层料及过渡料未达到设计填筑指标，其中垫层料细颗粒含量超标、渗透系数低于设计要求值；过渡料细颗粒含量超标，渗透系数较设计值略小；因此在高程534.00m处向下开挖，增设“烟囱”式竖向排水体，连接高程526.50m处预先布置的排水盲道，以加强竖向排水通道的过流性能，增设的竖向排水体系填料、碾压指标和渗透系数均与底部盲道相同。

哥伦比亚高150m的Porce 3大坝采用片岩填筑，该坝位于地震区采用中央排水，上游坡比1∶1.4，下游坡比1∶1.5，坝体运行情况良好。马铁龙指出，当设计面板堆石坝为引入更多的颗粒材料防止坝体饱和时，地震区在地震时可能会引起趾板渗水，引起大坝堆石饱和采用斜坡与垂直排水可以减少坝体堆石料饱和增加内摩擦角，有利大坝安全运行。

5月经质量监督检查，发现大坝已经填筑部分不满足设计提出的相关指标，并于5月13日下发停工整改通知，10月底报送“大坝变更设计”报告，调整560m以下大坝填筑指标，增设排水体系，明确560m以上大坝结构分区、填筑指标等参数。11月大坝开始复工，至2017年11月底大坝填筑至坝顶高程。

3.3　设计大坝分区及填筑指标

碾压堆石分区，主要是施工期挡水度汛要求、正常运行期控制面板变形，在面板开裂或接缝止水破坏时起到渗控作用。即垫层料要求是半透水料，级配严格要求。按设计要求，关门岩水库混凝土面板堆石坝主要由垫层区（2A）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、次堆石区（3C）组成，总填筑量为169万m3。

垫层料作为面板后部的抗渗限漏体系，具较高的变形模量及抗剪强度，在保证自身稳定前提下，也对面板起到良好的支撑作用；同时，垫层料具备半透水性，若面板及接缝开裂破坏，也能起到抗渗限漏的作用。

过渡料作为大坝排水体系，具有低压缩性和高抗剪强度，采用料场开挖新鲜白云质灰岩加工后参配细料填筑。

主堆石区是大坝主体和主要承载结构，位于坝轴线上游部位，对坝体稳定具有重要意义，应满足抗剪强度高，压缩性低和透水性强的要求，堆石级配最大粒径不得超过600mm，小于5mm颗粒含量不宜大于20%，小于0.075mm的颗粒含量小于5%。主堆石区为大坝主要支撑体的一部分，兼作坝体排水体。

次堆石区承受荷载很小，其压缩性对面板变形影响较小，因此可采用强度较低的石料如软岩填筑。

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）要求，初设阶段将大坝按结构分区分为大坝坝体填筑的主堆石（3B与3C）、过渡料（3A）、垫层料（2A与2B）均从料场开采取用，料场岩性为白云质灰岩及泥质灰岩，岩体抗压强度9～138MPa，平均软化系数0.836，属软岩夹硬岩石，整体强度偏低。

根据设计要求和“筑坝堆石料土工性能试验报告”，坝体填料碾压试验主要控制指标见表2。

3.4　调整变更的大坝填筑分区及填筑指标

鉴于大坝复工后对已经填筑大坝填筑指标及未填筑大坝分区结构、填筑指标等均进行了调整，调整后的大坝填筑分区及填筑指标如下。

（1）垫层料。根据渗流控制要求，在面板后设置渗透系数较低，且施工中又不易产生分离的垫层料，既起到限漏作用，又可为面板水下堵漏创造条件。所以上游垫层区填筑料需采用新鲜完整的无黏性颗粒硬岩料填筑，设计干容重2.20g/cm3，孔隙率18%，最大料径不大于8cm，小于等于5mm的细料含量为35%～55%，小于等于0.075mm的细粒含量不超过4%～8%。

（2）过渡料。根据规范对过渡料的要求，过渡料应具有自由排水的特性，利用其作为竖向排水通道，为保证排水体系的渗透系数、干密度及空隙率能满足过渡料的要求，坝体过渡区利用河床砂砾石破碎料进行碾压填筑，设计干容重2.20g/cm3，孔隙率18%，最大料径不大于300cm，不大于5mm的细料含量为15%～30%，不大于0.075mm的细粒含量不超过4%。

（3）堆石料。结合以软岩料为主，硬岩料储备有限的现状情况，主、次堆石区沿用原硬岩设计分区，意义不大，实际施工过程也无法进行区分，所以本次考虑取消主、次堆石分区，将过渡料以后的部分统一为堆石区，按60%硬岩，40%软岩掺配碾压，以硬岩料做大坝骨架，以软硬料进行填充，降低孔隙率，增大干密度，使得大坝坝坡更为稳定，设计干容重2.10g/cm3，孔隙率20%，最大料径不大于80cm，不大于5mm的细料含量为10%～15%，不大于0.075mm的细粒含量不超过6%，堆石区层厚按80cm控制。

（4）增设坝体排水区。考虑过渡料区采用料场软岩填筑岩石破损率高，细颗粒含量超标，渗透系数高达i×10-3，不满足规范对过渡料填筑要求，增设竖向排水体系是避免大坝渗透破坏的先决条件；在548.00m过渡料以下增设15处竖向导渗井，导渗井与底部设置两条排水盲沟，盲沟衔接坝下游排水棱体，导渗井及排水盲沟填筑料均采用砾石掺加细料填筑，其干密度为2.10g/m3，渗透系数i×10-3。

4　基础处理

4.1　大坝基础处理

根据坝基河床开挖揭示，河床为冲、洪积堆积物，厚度17～21m，以卵粒为主，成分为灰岩、白云质灰岩，平均直径2.5cm。表层夹少量孤石，直径0.3～0.5m，下部夹大量碎块石，少量粗、细砂、黏土不均匀分布其中。卵粒含量在65%以上，碎块石约占25%，细颗粒含量在5%～10%，总体较为均一；但位于左岸0+60～0+100段河床局部见淤泥质黏土夹碎石透镜体，经过开挖置换，满足设计要求。开挖后河床砂卵石层属中密状态，其承载力可达380kPa，碾压完成后的砂卵石干密度达到2.0g/cm3，可作为大坝基础，满足大坝填筑要求。

4.2　趾板基础灌浆

关门岩水库面板堆石坝为3及建筑物，根据规范要求，防渗标准应按5～10Lu控制。但考虑坝址区岩层为水平产状，故将防渗标准提高至3Lu，根据趾板轴线的水文地质资料，沿趾板中线设置一排灌浆帷幕，灌浆孔距为1.5m，帷幕灌浆底线位于相对隔水层顶面（3Lu处）以下5m。帷幕灌浆最大孔深约57m，两岸坝肩均设置灌浆平洞，其中右岸平洞长50m，左岸平洞长75m，岸坡帷幕与基础帷幕衔接形成完整的封闭防渗体系。同时，水平趾板与岸坡趾板处均设置双排固结灌浆，孔距1.5m，排间距2m，孔深8m。

基础灌浆效果检查采用岩体压水透水率，通过灌浆前后透水率比较，帷幕灌浆与固结灌浆效果明显，满足趾板对基础要求。

5　大坝沉降监测成果及分析

目前关门岩水库大坝处于预沉降期，面板混凝土处于施工准备期。现阶段对大坝的变形情况进行了严密监测，大坝坝体沉降和水平位移监测仪器布置情况（见图1）。

自2017年6月取沉降基准值至2018年3月期间，坝体月沉降变化情况见图2～图4。

从图2～图4中可以看出，坝体各测点沉降速率逐渐减小，月沉降值、月水平位移变化量均逐渐趋于稳定。其中TA4/TA5月沉降值已满足滑膜需要的月沉降量5mm指标，2018年3月雨季略有反弹，预计在2018年10月能满足面板滑模施工每月沉降小于5mm条件。

6　结语

在施工阶段根据面板堆石坝筑坝材料实际料源情况，经过坝料原位掺兑试验和分析计算，对大坝坝体断面进行优化后，经过近9个月的监测数据分析，大坝坝体沉降和变形情况趋于稳定，待坝体进一步沉降稳定后，即可择机进行面板施工。

根据以上分析可知，在采用软岩料筑坝过程中，通过优化面板堆石坝填筑分区、改善坝体碾压标准、增设坝体排水性能等一系列措施后，坝体填筑期的变形符合面板堆石坝一般变形规律，大坝工作性态正常。

参考文献

[1] J.B.Coooke and J.l.Sherand.“CFRD Dessign，Construction and Performance”-ASCE Symposium，Detroit，Michigan，1985.

[2] 焦修刚，王毅鸣，杨文利.勐野江水电站混凝土面板堆石坝软岩筑坝.中国混凝土面板堆石坝30年，2016（1）：226-23.