强震区砂砾石筑坝技术进展

关志诚

(水利部水利水电规划设计总院,100120,北京)

由于近20年在强震区建设的高混凝土面板和沥青心墙砂砾石坝大多未经过抗震检验,其抗震稳定安全性在工程界尚有争议，这也与20世纪同类工程的抗震破坏和认识评价有关。如密云水库白河斜墙砂砾石主坝，其砂砾石料的砾石含量为20%～70%，相对密度平均值为 0.595，在1976年唐山7.8级地震时，坝址地震烈度Ⅵ度（坝基 0.05 g,坝顶 0.14 g），坝体水位以下上游护坡全部滑落，产生15万m3滑坡。

在我国当地材料坝建设快速发展进程中，因地制宜、就地取材是设计的重要原则。我国西部地区砂砾石料分布广泛，具有就地取材的特点，该物料的应用可大幅度节约建设资金。经过近20年来的技术进步和经验总结，我国在砂砾石料工程特性研究、坝体和坝坡抗震措施、填筑碾压标准、合理利用材料综合分区，以及采用新的施工方法与施工设备等方面取得长足发展，并应用于面板与沥青心墙砂砾石高坝建设中，取得了举世瞩目的成就，所积累的经验可为今后同类工程建设借鉴。

一、国内砂砾石坝建设情况

目前，已建、在建和正在设计的以砂砾石料作为大坝主要填筑体的约有24座，已建典型的面板坝有新疆吉林台一级（157 m，2006 年）、青海黑泉 （123.5 m,2001年）、浙江珊溪（132.5 m，2000年）等；已建典型的碾压式沥青心墙砂砾石坝有新疆下坂地 （78 m，2009年）和四川冶勒（125 m，2007年）等。正在建设和设计的同类坝型约有13座。从分布范围看，工程建设地点多处在西部高发地震区，区域工程和自然环境较恶劣。

二、国外已建砂砾石坝情况

目前世界上已建众多以砂砾石料为坝体的面板坝，其坝高在50～187m之间。如智利的圣胡安娜坝（高113m，坝顶长390 m，1995年，砂砾石），哥伦比亚的萨尔瓦吉纳坝 （高148 m，1985年，砂砾硬砂岩）、戈里拉斯坝（高125 m，1982 年，砂砾石），委内瑞拉的亚坎布坝 （高162 m，1994年，砂砾石），墨西哥的阿瓜密尔巴坝 （高187 m，1994 年，砂砾石/堆石）。

圣胡安娜坝坝址位于纳斯卡和南美板块接合部附近破坏性构造边缘，设计采用的抗震标准：里氏地震8.4级；距已发生过震源最小距离58 km；最大水平加速度0.56 g；强震持续时间5.9 s；主导周期 0.2 s；地震总持续时间0.5～3 min。主坝基岩位于河床30 m 以下，上游坝坡为 1∶1.5，下游坝坡为 1∶1.6，坝体积为 270万 m3。 大坝填筑材料取自坝上游瓦斯科河的砾石冲积层，填料为洁净砾石，7 cm左右粒径占50%，通常最大粒径为60 cm，自然容重2.2 t/m3。坝建在30 m厚的砾石层上，设有混凝土板截水墙，与砾石层上的趾板柔性连接。

国外已建砂砾石坝坡体地震破坏实例：希腊的克雷玛斯塔心墙砂砾石坝（163.0 m）,建成同年发生 8.1级强震，坝址距震中68.0 km，坝址地震强度影响约8级，地震引起滑坡垮坝。墨西哥拉维里塔心墙砂砾石、堆石心墙坝（60.0 m），1968 年建成，1985年9月遭遇8.1级强震，坝址距震中约85.0 km，坝顶动峰值加速度696 gal,地震引起上游坝壳沉降31.8 cm，下游坝壳沉降21.8 cm，心墙沉降12.0 cm，坝顶两侧反滤层顶部产生纵向裂缝，坝顶水平位移约17.0 cm等。

三、砂砾石筑坝的工程特性

1.砂砾石筑坝材料特点

①砂砾石料在较高围压下具有较高的抗压强度和变形模量，压缩变形较小。

②砂砾石料具有一定的级配，且颗粒磨圆度较好，易于压实。

③便于施工，造价较低，料源丰富，可就地就近取材。

④用于填筑面板坝和沥青心墙坝时，各料区间的应力变形易满足过渡条件。

⑤在低应力条件下，由于砂砾石浑圆度影响其强度比堆石料低，地震荷载易于剪胀、松动。

2.砂砾石料与爆破堆石料的比较

①砂砾石料承载能力高，压缩变形量小于爆破堆石，尤其是在运行期变形量小，有利于混凝土面板伸缩缝和沥青心墙正常工作。

②爆破堆石料是有棱角的材料，咬合力较大，为非冲蚀性材料；而砂砾石料粗颗粒磨圆度较好，咬合力差，细料可被渗透水流冲蚀。故砂砾石料抗冲蚀能力低，渗透稳定性差，在渗流作用下易产生渗透破坏。

③关于抗震性能，作为坝体内部组合填筑料区，砂砾石料具有与堆石坝相当的抗震性能，但坡面一定厚度抗震性能不如堆石坝。全断面填筑砂砾石坝应采取坡面并具有一定复合厚度的抗震措施，以确保坝体较高部位的抗震稳定。

3.砂砾石料强度特性

砂砾石的工程特性（压实、抗剪强度、浸水变形和渗透变形等）与其颗粒级配有密切的关系。如砂砾石压实的最大干密度与砾石含量P5（大于5 mm颗粒含量）有密切关系，一般砾石含量60%～80%的砂砾石其压实最大干密度较高。砂砾石压实的最大干密度与最大粒径有密切关系，在颗粒级配曲线上截取不同最大粒径、砾石含量P5不变的砂砾石料试验可见：最大粒径越大，压实的最大干密度与最小干密度都越大，因此可以测定不同最大粒径砂砾石的压实特性，外延得到筑坝砂砾石的压实特性。

四、砂砾石坝填筑标准与材料分区

1.填筑标准

砂砾石料压实后具有较高的抗剪强度和较低的压缩性，宜用于填筑主堆石区，并按规定进行坝体渗流控制设计。在施工初期，填筑标准应通过碾压试验复核和修正，并确定相应的碾压施工参数。在施工过程中，采用碾压参数和孔隙率 （或相对密度）两种参数作为施工控制标准。相对密度D r填筑标准：

坝高 H＜150 m，D r=0.75～0.85

150 m≤H＜200 m，D r=0.8～0.9

对重要的高坝，或筑坝材料性质特殊，已有经验不能满足需要的情况，应对其填筑标准进行专门论证。按目前设计参数和施工方法，当震动碾压机具的重量和激振力大于或等于25 t时，一般在建工程压实填筑标准 D r为 0.85。

2.典型分区设计

砂砾石坝（面板、心墙）应有合理的分区填筑设计，以砂砾石料为主的填筑体，其坝体分区设计以设置排水体为特征。

面板坝按照类型（砂砾石料填筑分区）可划分为：组合填筑式——主受力区填筑砂砾石，坝体一定厚度表部区填筑堆石料；全断面填筑式——全部采用砂砾石料筑坝。滩坑面板坝坝体分区设计中：砂砾石置于坝体中部干燥区，是利用天然砂砾石料储量丰富、承载能力高、缩变形小的特点；坝下游坡一定范围内设置堆石区，是利用堆石为非冲蚀材料、抗剪强度高的特点。碾压式沥青心墙坝心墙两侧设反滤过渡区，上下两侧坝体填筑砂砾料利用与面板坝具有共性。

3.排水体设计

面板堆石坝设计规范中明确规定：对渗透性不满足自由排水要求的砂砾石、软岩坝体，应在坝体上游区设置竖向排水区，与坝底水平排水区连接，将可能的渗水排至坝外。设置竖向排水区的顶部高程宜高于水库正常运用最高蓄水位，排水区与坝体间应满足水力过渡要求，必要时可设置反滤层。我国大多已建同类工程在砂砾石区中上游设置L形排水体，在具体设计方案上，应考虑填筑体上升过程填筑形态与两岸坝坡地形的关系，注重排水体通畅与介质连续可靠性，尤其要严格控制施工和物料质量。

不设排水体实例：墨西哥阿瓜米尔帕坝为混凝土面板砂砾石坝，上游坝坡为 1∶1.5，下游坝坡为 1∶1.4，防浪墙高3m，坝体总体积为1 300万m3。大坝趾板直接坐落在岩基上。趾板下游90m以后的冲积层被保留作为堆石体地基。经试验，天然冲积砂砾料的最小渗透系数为2×10-3cm/s，属自由排水材料的下限，且砂砾石中细料（粒径小于0.074mm）含量少于2%，坝体主堆区和3C区堆石也均是透水的，故在坝基和坝体内不设竖向和水平排水层。

五、面板及沥青心墙砂砾石抗震措施

1.坝体抗震措施

在确定地震区坝的安全超高时，应包括地震涌浪高度。设计烈度为Ⅷ、Ⅸ度时，安全超高应计入坝体和地基在地震作用下的附加沉降。对库区内可能因地震引起的大体积塌岸、滑坡而形成的涌浪，应专门研究。坝体设计抗震措施包括：

①宜加大坝顶宽度，放缓坝坡和采用上缓下陡的坝坡，在坝坡变化处设置马道。采用高度较小的防浪墙，并采取措施增加防浪墙的抗震稳定性。

②对砂砾石料填筑坝体，应增加排水区的排水能力。下游坝坡以内一定区域宜采用堆石填筑。应加大垫层区的宽度，加大与地基及岸坡的连接宽度，当岸坡较陡时，宜适当延长垫层料与基岩接触的长度，并采用更细的垫层料。

2.结构构造措施

①下游坡面上部宜采取坡面防护和坝坡加固措施。可选用浆砌石护坡、加筋混凝土格构梁、加筋土工织物、锚固筋或锚固混凝土梁等措施，也可采取多项措施的组合方式。

②部分面板垂直缝内宜填塞沥青，用于浸渍木板、橡胶板或其他有一定强度的可压缩填充材料。

③坝坡附近一定厚度采用胶结式砂砾石料，即砂砾料加拌水泥，以提高坝顶结构和坡面的抗震性能。

④对砂砾石坝上游面抗震防护有待检验，对150 m级以上高坝，可结合施工在上游面面板垫层料进行拉锚工艺处理，以增加稳定性。

六、结 语

①压实后的砂砾石料比爆破堆石料具有更高的变形模量，变形稳定时间短，高围压下强度衰减小，成本低，尽管其抗渗透破坏和抗冲蚀能力相对较低，但只要认真做好防渗排水和坡面一定范围固化，砂砾石仍是修筑高坝的理想材料。砂砾石料在低应力条件下，由于受浑圆度影响，其强度比堆石料低，地震荷载易于出现剪胀、开裂、滑脱等。在高应力水平条件下，强度与堆石相当，高应力条件适应沉降变形能力则更好些。

②在下游坝坡附近应力较小区域设置碾压堆石区，对坝体砂砾石有所约束，有利于和保证大坝抗震稳定。这样的坝坡可以陡些，可节约填筑量。

③抗震措施是西部地区面板砂砾石坝建设必须要考虑的。要提高对工程抗震安全重要性的认识，加强管理和技术防御。具体设计中主要考虑的是防患于未然，如高震区面板的连接柔性，周边缝止水的可靠性，挤压破坏与板间缝材料与构造，坝安全超高和地震涌浪、高边坡处理、区内大型滑坡体大对工程安全的影响等。

[1]邓铭江，等.新疆坝工建设[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[2]关志诚，土石坝[M]//水工设计手册（第二版），第六卷.北京：中国水利水电出版社，2012.