铜灌口水库面板堆石坝坝基覆盖层利用研究

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(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

铜灌口水库面板堆石坝坝基覆盖层利用研究

陈清松，张全意，张文胜

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002)

铜灌口水库是西南五省(自治区、直辖市)重点水源工程和贵州省骨干水源工程之一，坝址区覆盖层深厚，河床覆盖层最大厚度24.6m。通过对坝基覆盖层进行钻孔、注水试验、筛分、载荷试验及物探等工作，查明其分布厚度、成因类型、分布结构、物理力学性质及有无粉细砂、黏性土层等地质条件，对其作为坝基的工程地质特性提供可靠依据；并通过三维有限元对坝体及覆盖层进行应力变形分析，论证河床覆盖层上直接筑坝的安全性。本文对此加以介绍。

铜灌口水库；面板堆石坝；坝基覆盖层；利用研究

1 工程概况

铜灌口水库工程位于贵州省习水县同民河中游，工程地处自然保护区内。坝址以上流域面积109.1km2，水库正常蓄水位749.00m，总库容1140万m3，为中型水库Ⅲ等工程。工程建设的主要任务为农田灌溉、乡镇及农村人畜饮水。水库枢纽工程主要建筑物有拦河大坝、洞室溢洪道、取水兼放空隧洞。拦河大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高86m，坝顶高程756.00m，坝体填筑总量约142万m3。

工程区地震基本烈度为6度，大坝坝基肩地层岩性主要为白垩系夹关组下段砂岩、长石岩屑砂岩及泥岩。河床及左岸坡中下部坡脚地带分布有崩塌堆积和冲洪积堆积物。河床覆盖层厚6.1～24.6m，主要为块石(巨块石)、砂卵砾石等，局部含粉细砂、腐殖物。

目前，国内高混凝土面板堆石坝深覆盖层地基上建坝的实例并不多，而在贵州省境内更缺少相关的建坝经验。铜灌口水库大坝位于自然保护区内，在同类水源工程中规模较大，地形地质条件特殊，坝基覆盖层开挖不仅加大了坝体填筑量，还将不可避免地造成大量开挖弃渣，加大对环境的不利影响。在确保工程安全的前提下，为了尽可能减少开挖弃渣量，保护工程周边生态环境，加快施工进度，节省投资，坝基覆盖层的特性及其合理利用或处理是勘测、设计的关键技术之一。在实施阶段对坝基覆盖层做了大量的勘探、试验工作，结合坝体结构设计，采用三维有限单元法，研究了不同覆盖层开挖方案时坝体、面板和接缝系统的应力变形特性，确定坝基覆盖层的合理利用设计方案。

2 覆盖层的工程地质特征

坝址区为山区峡谷型地貌，河谷狭窄，河床高程676.00～699.00m，谷宽50～80m，两岸多不对称，岸坡较陡，多为陡岩，植被较好。根据钻孔和物探资料，左岸743.00m高程以下及河床多为崩塌堆积和冲洪积堆积物覆盖，河床覆盖厚6.1～24.6m，左岸坡覆盖层厚4.0～33.7m，物质成分以块石(巨块石)、砂卵砾石等为主，成层性不明显，结构松散，渗透性强，由于覆盖层均一性较差，存在不均一沉降变形和渗透变形问题。初步设计方案是坝基清除覆盖层，全部坐落于基岩上。

3 覆盖层物理力学性质分析

坝基深覆盖层的密实度和颗粒组成直接影响其强度及变形特性，更是室内试验力学参数的基础。为了进一步研究坝基覆盖层的物质成分、结构、承载力及变形特性等，此次研究开展了钻孔、注水试验、筛分、载荷试验及物探等工作。同时，还进一步开展了坝基覆盖层利用研究分析及大坝筑坝材料试验和三维应力变形稳定分析。

3.1 钻孔、注水试验

此次研究在河床堆石区范围内布置10个钻孔，钻孔内共做注水试验22段。钻孔勘探及注水试验成果见表1。

表1 覆盖层钻孔勘探及注水试验主要成果

3.2 跨孔声波CT探测

在钻孔ZK1～ZK10内进行跨孔声波CT探测，形成测试剖面6个(见图1)。

图1 声波CT探测钻孔布置

通过跨孔声波CT探测，测试深度1.0～3.2m左右，声波波速在1510～2070m/s之间，推测岩性为块石夹砂质土、细砂等；测试深度2.0～7.2m左右，声波波速在1820～2530m/s之间，推测岩性为块石夹砾石、细砂等；测试深度6.0～12.0m左右，声波波速在2440～3040m/s之间，推测岩性为块石夹卵石、细砂等；测试深度9.0～12.0m左右，声波波速在2870～3420m/s之间，推测岩性为强风化砂岩、粉砂岩等。

3.3 覆盖层的颗粒组成分析

此次研究对河床内随机选取了4个取样点进行颗粒级配及含泥量试验，取样深度均在现场开挖地表面以下1m左右。试验结果见表2。

表2 覆盖层颗粒级配试验成果

从表2数据看，4组样品中大于5mm的颗粒含量为77.37%～89.77%，0.075～5mm的颗粒含量为7.68%～20.12%，小于0.075mm的颗粒含量为2.18%～2.72%。覆盖层主要以粗颗粒为主，粉粒、黏粒极少，细颗粒含量均在3%以下。

3.4 载荷试验

该研究共在河床选取了3个载荷试点，各点测试结果见表3。

表3 浅层平板载荷试验成果

根据测试结果分析，选取的3个试点承载力的特征值均大于400kPa，其承载力取400kPa；试点2处的变形模量显著高于其余2个试点，推测由测点下卧大孤石所致，其覆盖层变形模量大于70MPa。

3.5 主要结论

a.钻孔及孔内跨孔声波检测揭露，覆盖层厚度为7.8～15.7m，其中顶部为松散的人工堆积层，厚0.5～2.1m，下部主要为块石，含卵石、细砂等，覆盖层主要以粗颗粒为主，粉粒、黏粒极少，工程地质条件较好。

b.跨孔声波CT探测显示，覆盖层波速为1510～3040m/s，从上至下均匀增大，推测为覆盖层越往下越密实，不存在黏土层、淤泥质等不良地质体的集中分布，工程地质条件较好。

c.钻孔内共做注水试验22段，渗透系数k=1.1×10-3～1.7×10-2cm/s,仅局部点达9×10-4cm/s，渗透系数可满足主、次堆石区填筑堆石料的技术要求。

d.3个试点均是受反力限制终止测试，根据测试结果分析，河床覆盖层的承载力取400kPa，变形模量均在70MPa以上，高于国内同类工程的覆盖层变形模量，总体承载力较高，压缩变形较小，具有覆盖层上直接筑坝的条件。

4 坝基覆盖层利用研究

4.1 大坝结构设计

坝顶宽7.50m，坝顶长202.00m，最大坝高86.00m，上游坝面综合坝坡1∶1.506，下游坝坡结合大坝填筑施工上料方便，按 “之”字形公路布置，路宽6.5m，综合坡比1∶1.57。坝体填筑材料分区从上至下分别为垫层(水平宽3m)、过渡层(水平宽4m)、主堆石区及次堆石区。坝体分区材料设计参数及压实标准见表4。

表4 坝体分区材料设计参数及压实标准

4.2 覆盖层利用分析计算

根据坝基覆盖层检测的上述物质成分、结构及相应的物理力学参数等，结合坝体结构设计，采用三维有限单元法，对河床覆盖层利用研究了4种方案，即覆盖层开挖范围从趾板以下分别按40m、70m、100m及全开挖进行计算分析。

上述三维有限元计算结果表明：由于覆盖层的变形模量要高于主、次堆石料，故开挖范围越小，即河床砂砾石层利用越多，坝体、面板的变形和接缝的三向变位越小，且面板的轴向和顺坡向拉压应力始终未超过面板混凝土的强度，大坝的应力变形性状相比大范围开挖反而更加有利。因此，对于铜灌口水库混凝土面板堆石坝而言可优先考虑在覆盖层上直接筑坝。其中覆盖层开挖范围为趾板下游40m时：

a.水库蓄水后坝体的轴向位移分别为8.9cm(指向左岸)和6.4cm(指向右岸)；坝体的顺河向位移分别为3.7cm(指向上游)和16.6cm(指向下游)；沉降为53.2cm，约占坝高的0.62%，其变形均在同类工程的常见位移量值范围内。大坝竣工期和蓄水期，坝体的应力水平均未超过1，坝料不会出现剪切破坏。

b.面板指向左岸和指向右岸的轴向位移均为1.9cm；面板挠度约16.3cm，挠曲率为1.12‰，亦在常见范围内。除两岸坡附近和河床坝段面板底部外，面板绝大多数区域处于三向受压的良好应力状态，轴向和顺坡向压应力极值分别为2.88MPa和3.62MPa，轴向和顺坡向拉应力分别为0.20MPa和0.68MPa，均低于面板混凝土的抗压和抗拉强度，故面板不会出现压碎或拉裂。

c.周边缝的最大剪切、沉陷和张拉分别为5.8mm、14.7mm和18.6mm；垂直缝的最大张拉为1.9mm，接缝变位均未超出现代止水材料的可承受范围。

另外，经三维有限元分析计算，上、下游坝坡最危险滑弧的安全系数分别为1.773、1.711，均高于允许值1.25。

4.3 坝基覆盖层利用

通过上述坝基覆盖层分析计算成果，该工程在实施阶段设计的坝基河床仅挖除趾板区及趾板下游50m范围(含40m低压缩区)的覆盖层，其余坝基覆盖层保留利用，减少坝基开挖和填筑工程量均在20万m3以上，降低了施工强度，可确保度汛目标(见图2)。

图2 坝基覆盖层利用大坝剖面

为使坝基覆盖层具有较好的反滤性、透水性和排水效果，对主堆石区、下游堆石区河床覆盖层基础以上设置2m厚过渡层和2m厚排水区。

5 结 语

a.深厚覆盖层具有勘探与试验工作难度大、工程特性复杂及工程处理困难等特点，铜灌口水库工程采取多种方法进行勘探、试验，研究其工程特性，对其作为坝基的工程地质特性提供可靠依据。

b.通过三维有限元对坝体及覆盖层进行应力变形分析，论证结论为可优先考虑在河床覆盖层上直接筑坝。

c.根据河床覆盖层利用研究成果，坝基河床仅挖除趾板区及趾板下游50m范围(含40m低压缩区)的覆盖层，其余坝基覆盖层保留利用，减少开挖和填筑工程量，降低了截流至度汛期间的施工强度；减少弃渣量及弃渣场征地，有利于简化或加快施工进度，缩短建设工期，保护工程所在自然保护区环境。

d.通过大量的试验研究，针对坝基不同部位覆盖层提出的挖除、保留利用等综合处理措施，工程技术可行并节省工程投资。

[1]南京水利科学研究院.铜灌口水库工程大坝基础砂砾石层利用研究分析报告[R].南京:2013,8.

[2]遵义水利水电勘测设计研究院.铜灌口水库工程大坝优化设计报告[R].遵义:2013,9.

[3]SL 228—2013 混凝土面板堆石坝设计规范[S].

ResearchonApplicationofPanelRock-fillDamFoundationCoveringLayerinTongguankouReservoir

CHEN Qing-song, ZHANG Quan-yi, ZHANG Wen-sheng

(ZunyiSurveyandDesignInstituteofWaterConservamcyandHydropower,Zunyi563002,China)

Tongguankou Reservoir is one of key water source projects in five southwestern provinces (autonomous regions and municipalities) and backbone water source projects in Guizhou Province. Dam area has deep covering layer. The riverbed layering layer is as deep as 24.6m. The distribution thickness, cause type, distribution structure, physical and mechanical properties, presence of fine sand, sticky soil layer and other geological conditions are identified through drilling, water injection testing, screening, load testing and geophysical prospecting test and other work in dam foundation laying layer, thereby providing reliable basis as project geological characteristics of dam foundation. In addition, stress deformation analysis is conducted on the dam and covering layer through three-dimensional finite element. Safety of directly constructing dam on the riverbed covering layer is discussed. The condition is introduced in the paper.

Tongguankou reservoir; panel rock-fill dam; dam covering layer; utilization research

TV223

B

1673-8241(2014)08-0057-05