铜灌口水库面板堆石坝筑坝材料优化设计

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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筑坝材料优化设计

陈清松，张文胜

(遵义水利水电勘测设计研究院， 贵州 遵义 563002)

筑坝材料特性的研究是面板堆石坝设计研究的关键工作之一。为了减少对工程区周边环境的影响，加快施工进度，充分利用当地砂岩料和建筑物开挖料，本文以铜灌口水库混凝土面板堆石坝为例，对筑坝材料进行了大型静动力三轴和大型流变试验等室内外试验研究，在试验结果基础上进行了大坝静力应力变形特性的三维有限元分析、三维流变分析和坝坡稳定分析，合理优化了坝体填筑材料，确定了大坝结构设计方案。

铜灌口水库； 面板堆石坝； 筑坝材料； 优化设计

1 工程概况

铜灌口水库工程位于贵州省习水县的同民河中游，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749m，总库容1140万m3，为中型水库Ⅲ等工程。工程建设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756m，坝体填筑量约142万m3。

坝址区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。根据坝址区的区域地质条件，初步设计审批的坝体垫层料和过渡料采用距坝址约43.2km的土城集镇附近的灰岩料，主次堆石料主要取自位于坝址下游1km左岸坡料场开采料，砂岩层间夹泥岩、泥质粉砂岩含量为10%～15%左右。由于工程地处自然保护区，且进场公路的通行能力不能满足垫层料和过渡料坝体填筑的运输强度要求，不能达到大坝填筑度汛要求。另外，水库枢纽区开挖弃渣量大，对工程区周边自然保护区的环境产生不良影响。

为研究筑坝材料的工程特性，大坝垫层区和过渡区采用当地砂岩填筑，且优化主次堆石区分区范围，充分利用当地砂岩料和建筑物开挖弃渣料，减少工程施工对周边环境的影响，加快施工进度，以确保大坝填筑及度汛要求。在实施阶段对筑坝材料进行了大型静动力三轴、大型流变试验等大量的室内外试验研究，为坝体设计、坝坡稳定分析、应力应变分析等提供必要的计算参数。结合坝体结构设计，在试验结果基础上进行了大坝静力应力变形特性的三维有限元分析、三维流变分析和坝坡稳定分析，合理优化坝体填筑材料，确定大坝结构设计方案。

2 筑坝材料的基本特性

筑坝材料特性分析是面板堆石坝设计研究的关键工作之一，更是坝体设计、坝坡稳定分析、应力应变分析的基础。通过对筑坝材料进行大型静动力三轴和大型流变试验等室内外试验研究，得出以下主要结论：

a.三轴剪切试验结果表明：堆石料应力应变曲线均呈一定的应变软化，在剪切过程中堆石料不同程度出现剪胀，各种筑坝材料的应力应变关系曲线基本符合“邓肯—张”模型曲线。堆石料的强度特性呈非线性，其强度变形指标总体上随堆石料母岩性质及密度的变化呈规律性变化。

b.渗流试验结果表明：主堆石区料的渗透系数为2.05×10-2cm/s。次堆石区料的渗透系数为9.78×10-3cm/s。与类似工程相比，主、次堆石区的渗透系数偏低，结合强风化料随着坝体运行会进一步产生劣化、崩解，大坝主、次堆石区的排水区应采用弱风化料填筑。

c.流变试验结果显示：围压和剪应力均对堆石体流变有显著影响，轴向流变随围压和应力水平的增加而增加，体积流变随围压和应力水平的增加而增加；剪应变随着应力水平的增加而增加。

3 大坝静力应力变形特性分析

3.1 静力计算分析

3.1.1 竣工期

上游侧堆石顺河向位移指向上游，最大值10.9cm；下游侧堆石顺河向位移指向下游，最大值14.9cm。大坝最大沉降部位位于1/2坝高处，最大沉降量为55.9cm，约占坝高的0.65%。

竣工期最大剖面的大主应力和小主应力与上覆堆石厚度成正比，最大值位于坝轴线底部。主、次堆石分界面附近坝料的应力水平较坝内其他部位高，但最大值仅在0.65～0.74MPa之间，小于1.0，不会出现剪切破坏。

3.1.2 蓄水期

在水压力作用下，坝轴线上游侧堆石体指向上游的水平位移大幅减小，最大值2.8cm；坝轴线下游侧堆石体指向下游的水平位移则进一步增加，最大值18.0cm，可见上游侧坝体受水压力的影响较大。蓄水后坝体上游坝坡附近堆石体沉降增加显著(最大值14.0cm)，但坝内最大沉降量仅由55.9cm增加至57.6cm。水压力的作用范围主要集中在坝轴线上游侧堆石体内。

静水压力的施加使大主应力极值由1.47MPa增加至1.57MPa，但没有改变大主应力分布的规律。对于小主应力，除坝轴线底部最大值由0.49MPa增加至0.53MPa以外，上游侧坝体内的分布规律有所改变，蓄水后上游侧坝体内特别是上游坝坡表面附近小主应力增加较大，而下游侧堆石体内的小主应力几乎未受到蓄水的影响。由于水压力方向与小主应力方向接近，其作用使坝体(特别是上游侧坝体)内应力水平有所降低，普遍低于0.6MPa，蓄水后坝料不会出现剪切破坏。

面板轴向位移以河谷中央为界，两侧基本呈对称分布。两侧面板均向河谷中央位移，且面板位移峰值区均位于左右两岸的陡坡处，最大值分别为2.4cm(指向右岸)和-2.4cm(指向左岸)。从坝底至坝顶，面板挠度先增大后减小，在河谷中央1/3坝高附近达到最大值，约为18.6cm，此处面板长度约为145m，挠曲率约为1.28‰，在同类工程的常见范围之内。

蓄水期面板的应力状态良好，大部分区域内面板处于三向受压状态。面板轴向应力和顺坡向应力均以压为主，压应力极值为3.79MPa(坝轴向)和4.41MPa(顺坡向)，均小于混凝土材料的抗压强度，故蓄水期面板不会出现压碎破坏。面板仅在很有限的范围内存在拉应力，且最大拉应力仅为0.23MPa和0.50MPa，低于面板混凝土材料的抗拉强度，故蓄水期面板也不会出现拉裂破坏。

河床中央的周边缝剪切位移较小，左、右两岸坡附近周边缝的剪切位移相对较大，左岸周边缝剪切方向指向河谷中央，最大值约6.9mm；右岸周边缝剪切方向亦指向河谷中央，最大值约8.0mm，均在周边缝止水的可承受范围之内。周边缝的沉陷均指向坝内，最大沉陷亦位于两岸陡坡处(分别为8.6mm和16.8mm)。相反，河床部位的面板所受水压力较大，但其下堆石料处于三向受压的良好应力状态下，变形模量高，位移反而小。蓄水后周边缝全部处于拉开状态，左岸岸坡处最大张拉值为23.6mm；河床中央最大张拉值为23.5mm；右岸岸坡处最大张拉值为21.5mm。总之，周边缝的沉陷和张拉亦在止水的可承受范围之内，蓄水后周边缝是安全的。

蓄水后除左岸坝肩和右岸坝肩部位的垂直缝以及高陡岸坡附近的垂直缝处于拉开状态外，绝大多数垂直缝处于压紧状态。左岸坝肩部位的垂直缝最大张拉量为2.4mm；右岸坝肩部位的垂直缝最大张拉量为2.7mm，均远低于止水的极限抗拉范围，故面板垂直缝不会出现张拉失效。

3.1.3 主、次堆石区范围影响分析

为了更多利用开挖弃渣料，该次优化拟对主、次堆石区分界线进行调整，以增加次堆石区用量。除原设计主、次堆石分界面坡比1∶0.5(向下游)外，另考虑了1∶0.3和1∶0.1两种坡比情况进行计算(见表1)，以研究坡比改变后对坝体和防渗体系应力变形特性的影响。经计算，主、次堆石区分界面坡度变陡后，竣工期和蓄水期大坝的应力变形特性、蓄水期面板和接缝系统的应力变形特性均未产生足以影响到大坝安全的变化。因此，可根据料源情况，通过改变主、次堆石分界面的坡比，更充分地利用开挖弃渣料。

表1 主、次堆石分区方案对大坝应力变形特性

3.1.4 堆石料性质的影响分析

3.1.4.1 主、次堆石强风化料含量的影响

主、次堆石强风化料的含量对大坝应力变形的影响见下页表2。

主、次堆石区泥质粉砂岩、泥岩料含量分别增加至20%和30%时，坝体、面板和接缝的变形均有所增加，但防渗面板的压应力和拉应力均低于混凝土的强度；周边缝的三向变位同样低于止水允许范围，大坝仍是安全的。

表2 主、次堆石强风化料含量对大坝应力变形特性影响

注为了使试验样品与料场开采料更加吻合，真实模拟施工过程中的筑坝材料特性，试验用料按砂岩料场原始岩层层间夹泥岩、泥质粉砂岩含量为10%～15%左右的比例人为掺加进行试验。考虑到施工过程中机械挖装和运输有更为集中的可能，把软岩料的比例增加数倍(最大比例30%)进行了论证和复核。

3.1.4.2 垫层和过渡料性质的影响

灰岩料和砂岩料作为垫层和过渡料时大坝的应力变形指标见表3。

表3 灰岩料和砂岩料作为垫层和过渡料时大坝的应力变形指标

从坝体和防渗系统应力变形的角度来看，垫层和过渡层采用砂岩料填筑满足设计要求。

3.2 流变计算分析

大坝第2年流变位移增量相较于第1年变化很小，坝料流变主要在蓄水运行后第1年内，至第2年可基本稳定。流变2年后，坝体最大沉降达到66.9cm，约占坝高的0.78%左右；面板挠度达到23.6cm，增量不大；面板的轴向应力、顺坡向应力以及周边缝和垂直缝的三向变形均未超出安全可控范围，运行期大坝仍是安全的。流变计算详细成果见表4。

表4 三维流变计算的主要成果

3.3 坝坡稳定分析

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)，在土石坝施工、建成、蓄水和库水位降落的各个时期的不同荷载下，应分别计算稳定性。控制稳定的有施工期(包括竣工时)、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容有：ⓐ施工期的上下游坝坡；ⓑ稳定渗流期的上下游坝坡；ⓒ水库水位降落期的上游坝坡；ⓓ正常运用遇地震的上下游坝坡。

计算中考虑了坝料强度的非线性特性。经计算，主堆石为弱风化砂岩料+10%泥质粉砂岩、泥岩料，次堆石为弱风化砂岩料+20%泥质粉砂岩、泥岩料情况下的上、下游坝坡最危险滑弧及安全系数分别为1.773、1.711，均高于允许值1.25；主堆石为弱风化砂岩料+20%泥质粉砂岩、泥岩料，次堆石为弱风化砂岩料+30%泥质粉砂岩、泥岩料情况下的上、下游坝坡安全系数分别为1.716、1.664，亦高于允许值1.25。两种条件下，坝坡的稳定性均满足规范要求。

4 筑坝材料优化设计

根据铜灌口水库大坝筑坝材料试验和三维应力变形分析成果，由于垫层料和过渡料所占坝体体积较少，竣工期和蓄水期坝轴向水平位移、顺河向水平位移、沉降以及坝体的大、小主应力、面板的轴向位移等均未发生明显变化；面板的拉、压应力仍低于面板混凝土的抗压和抗拉强度；周边缝的剪切、沉陷和张拉，垂直缝的最大张拉，均在止水结构可承受范围之内。故采用砂岩料场的微新砂岩(剔除原始岩层中软岩料夹层)替代灰岩料作为大坝垫层料和过渡料填筑。主、次堆石区中分别含10%(或20%)和20%(或30%)的泥质粉砂岩、泥岩料时，无论是竣工期还是蓄水期，坝内应力水平均小于1，坝体不会出现剪切破坏；面板的拉、压应力仍低于其强度要求，不会出现拉裂和压碎破坏；面板周边缝的剪切、沉陷和张拉，垂直缝的最大张拉量均低于止水结构的允许变形量，面板接缝系统是安全的。同时，主、次堆石区分界面坡度变为1∶0.2后，坝体和面板的应力变形特性及接缝系统的三向变位均不影响大坝的安全。考虑到室内试验与现场施工的差异性，工程实际施工人为掺加的施工工艺复杂，可操作性和可控性差，极不利于工程施工质量的保证。为确保大坝安全，保护工程区周边环境，采用砂岩料场的开采料(料场原始岩层层间夹泥岩、泥质粉砂岩含量为10%～15%)或洞渣料(选用较新鲜砂岩料)作为主、次堆石区的筑坝材料是安全可靠的，且未被其他泥土污染，岩性和级配等性质经检测合格，满足堆石体质量要求的开挖弃渣料可填筑在坝体下游次堆石区或堆至上游石渣盖重区，须严格控制上坝堆石料中软岩料的比例在试验研究的范围内。下页图为优化设计后大坝的剖面图。

通过筑坝材料的优化设计，垫层、过渡料充分利用当地材料(微新砂岩料，剔除原始岩层中软岩料夹层)，主、次堆石区均可采用砂岩料场的开采料(料场原始岩层层间夹泥岩、泥质粉砂岩含量为10%～15%)填筑，合理利用经检测合格、满足堆石体质量要求的开挖弃渣填筑在坝体下游次堆石区或堆至上游石渣盖重区。在确保工程安全、质量的前提下，垫层、过渡料填筑优化减少了外购料的运输，缓解了对外交通公路的压力；弃渣料的利用，减少弃渣量约35万m3，减少弃渣场征地约10亩，同时节省工程投资约2000余万元，减轻了对环境的影响，更重要的是保护了工程所在自然保护区的环境。

优化设计大坝剖面图

5 结 语

铜灌口水库工程开展了大坝筑坝材料的室内试验研究，在试验结果基础上进行了大坝静力应力变形特性的三维有限元分析、三维流变分析和坝坡稳定分析，合理优化主次堆石区分区范围，充分利用当地砂岩料和建筑物开挖弃渣料作为筑坝材料。在保证工程安全的同时，合理优化坝体结构，节省工程投资效果显著，更重要的是保护了工程区周边环境，对类似工程设计有较好的借鉴作用。

[1] 南京水利科学研究院.铜灌口水库工程大坝筑坝材料试验及三维应力变形分析研究报告[R].2013.

[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].2013.

[3] SL 228—2013混凝土面板堆石坝设计规范[S].

OptimalDesignonDamConstructionMaterialsforConcreteFacedRockfillDamofTongguankouReservoir

Chen Qing-song, Zhang Wen-sheng

(Zunyi Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Zunyi 563002, China)

The study on characteristics of dam construction materials is one of the key tasks in the design of concrete faced rockfill dam. In order to reduce the influence on surroundings of the project area, speed up schedule of construction and make the best of the local sandstone and building excavated materials, this paper studies the interior and outdoor tests such as the large-scale static dynamic tri axial and rheological tests for the dam construction materials taking an example of concrete face rockfill dam of Tongguankou Reservoir. On the basis of the test results, 3-dimensional finite element, 3-dimensional rheological and dam slope stability analyses of the dam static stress deformation characteristics are carried out. The dam body filling materials are optimized rationally, and the dam design scheme is determined.

Tongguankou Reservoir; concrete faced rockfill dam; dam construction material; optimal design

TV41

A

1005-4774(2014)11-0031-06