吉音水利枢纽混合坝料填筑应用分析

杨树红 韩艳红

(1.新疆吉音水利枢纽工程建设管理局，新疆 和田 848000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

吉音水利枢纽混合坝料填筑应用分析

杨树红1韩艳红2

(1.新疆吉音水利枢纽工程建设管理局，新疆 和田 848000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

吉音水利枢纽大坝填筑因受地形地质条件影响和坝料分布、储量因素制约，采用混合坝料填筑方案具有安全、经济、合理等特点。本文从吉音水利枢纽大坝坝料分区、料场规划、试验检测、控制措施等方面，分析混合坝料填筑应用情况，意在为同类工程设计与施工提供借鉴与参考。

吉音水利枢纽；面板堆石坝；混合坝料；填筑

1 工程概况

吉音水利枢纽位于昆仑山北坡新疆于田县境内的克里雅河干流上，河谷呈不对称“V”形，现代河床深切，两岸为50～60m高、60°～80°的裸露基岩陡坎，深切河槽底宽20～40m、顶宽60～100m。河槽左岸顶部发育有300～500m宽的Ⅲ级阶地，地表上层覆盖有10～25m厚的风积粉土，下层覆盖有7～12.5m厚的第四系上更新统冲积砂砾石层(见图1)。吉音水利枢纽拦河大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2513.00m，最大坝高124.5m，坝顶长489m，坝体总填筑方量430万m3，设计填筑工期16个月[1]。

2 坝料分区

图1 坝轴线纵剖面

根据筑坝材料的分布和储量情况，结合经济、安全因素综合分析，选定吉音水利枢纽的大坝类型为混凝土面板堆石坝。坝体从上游至下游分为垫层料区、过渡料区、堆石料区三个主体层次，在周边缝局部设有特殊垫层料区，在堆石料区内包填有部分砂砾石料。

2.1 垫层料区

垫层料区位于面板下游，水平宽度3m，在岸坡部位向下游酌情延伸，Dmax≤80mm，小于5mm的含量为30%～50%，小于0.075mm的含量不大于8%，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s。碾压层厚0.4m，孔隙率15%～20%。垫层料由爆破石料经二次破碎筛分人工掺配形成。

2.2 特殊垫层料区

特殊垫层料区位于面板周边缝下游，为宽0.5m、高0.5m的梯形小区，其作用是反滤周边缝渗漏水流中的上游铺盖区土料，阻塞渗漏通道。Dmax≤20mm，以小型机械人工碾压，孔隙率15%～20%。特殊垫层料由爆破石料二次破碎筛分人工掺配形成。

2.3 过渡料区

过渡料区位于垫层料区与堆石料区之间，水平宽度5m，Dmax≤300mm，小于5mm的含量为20%～35%，小于0.075mm的含量小于5%，孔隙率18%～22%，级配连续，由爆破石料二次破碎筛分人工掺配形成。

2.4 堆石料区

堆石料区是面板的主要支撑结构，由爆破石料和天然砂砾石料组成。爆破石料通过控制爆破参数来满足技术指标，Dmax≤600mm，级配连续，孔隙率n不大于22%，内摩擦角φ大于40°，渗透系数大于0.1×10-2cm/s。

砂砾石料从天然河床直接开采所得，Dmax≤600mm，级配连续，相对密度大于0.85，渗透系数大于0.1×10-2cm/s。

3 料场规划

根据坝体分区对坝料用量和质量的要求，现场可用于筑坝的材料主要有砂砾石料和爆破石料。

3.1 砂砾石料场选择

克里雅河支流——乌什开布隆达里亚河河床内分布有砂砾石料，顺河方向呈条带状分布，距坝址约3～11km，运距适中，可以满足填筑强度要求。坝料天然含水量较高，夏季开采受洪水影响，冬季开采受积冰影响。现状河床较窄、不平坦，坡降约4.2%，宽在40～150m范围内，河床表层堆积少量超径漂卵石。乌什开布隆达里亚河年径流量较小，除5—8月有洪水外，其他季节河水较小，便于机械开采。该料场与坝区有简易道路相连，无陡坡，重新改造后可以满足上坝要求。勘测储量180万m3左右，其中水下150万m3，水上30万m3，能够满足砂砾石料用量要求。颗分试验数据为：粒径不小于600mm含量1.90%；600～400mm含量16.54%；400～200mm含量15.37%；200～5mm含量51.80%；5～0.075mm含量10.60%；不大于0.075mm含量3.84%，装运时去除超径漂卵石后，天然级配能够满足设计指标要求。

3.2 爆破石料场选择

现场勘测，P1料场岩性为灰岩，距坝址10km，质量满足要求，但运距较远，不经济。P2料场岩性为角闪片岩，距坝址2.5km，运距近，储量、质量满足设计要求，选择P2料场作为坝体的爆破石料场。

P2料场位于坝轴线下游河道右岸，有长约1400m、宽约80m的阶地作为坝料的临时堆放场地，地势平坦，能够同时满足坝体堆石料、垫层料和过渡料加工生产和堆放布置要求。基岩平均厚度100m，总面积约33万m2，有用层储量约4200万m3，储量能够满足工程需求。料场开采区山体坡度在45°～65°，高程在2450～2800m，作业面高差较大，施工难度大，因此，需在开采区不同开挖高程规划取料临时道路，确保上坝填筑用量强度要求。开采区基岩节理中等发育，呈块状，巨厚层，干抗压强度弱风化为66MPa，微风化为94MPa；饱和抗压强度弱风化为43MPa，微风化为60MPa；软化系数为0.63～0.64，质量满足筑坝材料要求。开挖时需根据不同区域岩性结构情况，及时调整爆破参数，确保爆破石料级配满足设计要求。

4 试验检测

4.1 爆破料试验

根据工程区岩石的物理力学特性，初步设定吉音水利枢纽垫层料孔隙率不大于18%，过渡料、堆石料孔隙率不大于20%，级配连续。在现场施工试验时，孔隙率指标达不到20%。为进一步验证坝料的压实率，在试验规范的基础上，采取降低铺筑厚度、加水、增加碾压遍数等措施，其孔隙率依然达不到20%。通过对不同碾压遍数的沉降对比分析，当碾压遍数达到10遍时，试验体的沉降变形已趋于稳定。

经分析，造成孔隙率偏大的主要因素如下：

a. 岩体本身物理力学特性。该岩石具有高抗压低抗剪的物理力学特性，在碾压初期，堆石料中有大量颗粒处于受剪切状态，在垂直外压力作用下，处于受剪状态的岩石块体易沿节理面发生剪切破坏。随着块体间的剪切破坏完成，逐步向全抗压状态转化后，因无节理面小块体的岩石抗压强度非常高，块体棱角和块体本身都不容易被继续压碎，堆石料颗粒间不容易发生水平侧向挤入和垂直压缩变形，从而导致碾压试验孔隙率偏大。

b. 坝料级配变化特性。从坝料碾压前后的级配曲线变化来看，包络线呈现出两头尖瘦、中间宽肥的特点。这充分说明大块岩体的破碎率高，极易按岩石节理面碎裂成小块体，但小块体间没有将其继续碎裂成细小颗料的节理面，小块体的破碎率低，碾压前后小于5mm的颗粒变幅很小，堆石料间的空隙没有相应的细料充填，造成碾压前后级配曲线变幅较大，超出设计包络线范围较多，导致试验孔隙率值偏大。

通过对现场试验结果的分析，在爆破堆石料的铺筑厚度、碾压次数和碾压机械等相关工艺、方法、流程没有问题的情况下，依据现场试验数据，将爆破坝料孔隙率调整到22%、碾压遍数确定为10遍较合理，其变形、渗透等参数均在规范允许范围内，能够保证坝体安全[2]。

4.2 砂砾石料试验

吉音水利枢纽砂砾石料按相对密度大于0.85控制，5mm以下含量为8%～20%，含泥量(粉、黏粒)小于8%，级配连续。现场试验结果中出现了相对密度大于1的情况。

经分析，出现此现象的主要原因：一是在试验室内测定标准密度时，因碾压设备有限，室内试验压实度较现场试验压实度偏低，导致测定的标准密度值偏低。二是在室内无法做全级配试验，对大于60mm的砾石级配全采用替代换算法。但小粒径的砾石比重普遍比大粒径的比重偏小，导致标准密度值偏小。

为解决相对密度大于1问题，采用室外全级配大钢桶试验，将直径1.4m、高1m的钢桶埋在砂砾石料中，按相关试验规范和技术标准进行全级配碾压，准确测定砂砾石料填筑时的各施工控制参数。

5 控制措施

5.1 优化坝料填筑方案

5.1.1 深切河槽段采用砂砾石料填筑

利用砂砾石料沉降变形小的特性，减小坝体在最大断面处的沉降变形。另外，在断面下游侧填筑20m宽的爆破堆石料包住填筑的砂砾石料，主要解决砂砾石料内摩擦角较小和不同坝料区域坝后坡坡度一致性的问题，同时兼起坝后坡角反滤功能(见图2)。

5.1.2 优化左岸阶地覆盖层开挖方案

由于下部为砂砾石覆盖层，经现场取样试验，其原状砂砾石层的自然沉积密度略高于砂砾石料填筑碾压后的密度，因此，只将上部粉土覆盖层清除整平压实后，便直接在其上面填筑爆破石料，以减少基础开挖量和坝体填筑量。

5.1.3 优化深切河槽段砂砾石料的填筑高程

由于左岸台地砂砾石层出露高程比深切河槽左岸基岩顶高程高，为使坝体上部的爆破堆石料填筑基面条件一致，将深切河槽段的砂砾石料填筑高程抬升至阶地砂砾石料的出露高程(见图2)，以减小坝体因基面条件不一致产生的不均匀沉降量。

5.1.4 优化爆破石料填筑施工方案

为减小坝体的总沉降量，在高程2456～2498m，纵断面0-027～0+050和横断面0+070～0+390之间包填砂砾石料65万m3(见图1)，仍是利用砂砾石料沉降变形小的特性。

5.2 质量控制

5.2.1 砂砾石料施工质量控制

a. 含水量控制。控制河床砂砾石料的含水量，提前一段时间将水下部分的砂砾石料挖出堆放于水面之上，待含水量达到标准后拉运上坝。

b. 粒径级配控制。砂砾石料开挖时，将杂物和大于600mm的超径漂卵石剔除，避开级配不合格的料场区域。

c. 铺筑质量控制。采用进占法后退卸料，大型推土机平料，保证铺筑厚度均匀，避免坝料多次摊铺分离；采用进退错距法碾压。

5.2.2 爆破石料施工质量控制

a. 级配控制。根据不同的基岩条件，及时调整爆破方案，同时对超径的块石采用二次破碎，对级配不连续坝料，在料场机械掺拌合格后上坝。

b. 含水量控制。修建专用洒水站，在坝后车上直接加水，坝料碾压前若局部含水量不够，再采用坝面花管洒水补充。

c. 铺筑质量控制。采用进占法后退卸料，对超径坝料用机械直接破碎，大型推土机平料，人工测量放线，每隔50m树立标尺，保证铺筑厚度均匀，避免坝料多次摊铺分离；采用平行坝轴线进退错距法碾压。

5.3 现场检测

坝料级配检测采用筛分法。测定坝料碾压后的级配曲线是否在设计包络线以内，并分析级配曲线的变化情况及规律。从样坑中挖出的石料，大于60mm的颗粒直接用钢卷尺测量，小于60mm的颗粒用大筛(孔径60mm、40mm、20mm、10mm、5mm)筛分至5mm，小于5mm的颗粒以四分法取样进行室内筛分，最终计算全试样级配，绘制各试验单元的填筑堆石料碾压前后的级配曲线[3]。

坝料相对密度和孔隙率检测采用挖坑灌砂法。灌砂时需将薄绸子铺在样坑周围，防止标准砂进入侧面孔隙。样坑直径为取料最大粒径的3倍，深度为铺料层厚。灌砂速度应与标准砂率定时的灌砂速度一致，用直尺刮平砂面，使之与坑上边缘齐平。为提高不同频次检测结果的精度，尽量固定人员操作，挖样坑时应由中心向边缘扩挖，根据粒径确定样坑大小，收料时将坑内壁上的松散坝料用毛刷清理干净，全部回收计量[3]。

含水量测定采用烘干法，使烘箱温度保持在105～110℃，将试样烘干到恒重，烘干时间不少于6h，然后将试样放入干燥器内冷却至室温时称量[3]。

6 检测结果分析

6.1 级配变化分析

现场实测数据表明：级配曲线变化规律与施工前试验参数变化规律一致，碾压前后爆破石料粒径有变细的趋势，但级配曲线仍在设计包络线以内。主要原因是爆破棱角突出的石料及爆破预存的裂纹在振动碾压的作用下发生二次破碎挤压。同时，通过对碾压前后5mm以下含量的测定分析，当5mm以下含量在13%～20%时，碾压后的孔隙率最小，压实效果最好。

6.2 沉降变形分析

施工期坝体沉降量大，沉降速度较快，后期沉降量小，且速度明显变缓，蓄水后已基本趋于稳定。最大沉降量对比见下表。

吉音水利枢纽较国内外同类坝型的沉降值偏低，充分说明混合坝料填筑在应对沉降变形中发挥了积极作用。

6.3 渗透系数分析

根据现场碾压试验渗透系数统计分析，堆石料渗透系数碾压8遍平均值为5.1×10-2cm/s；碾压10遍平均值为5.4×10-2cm/s，均高于设计指标0.1×10-2cm/s，有利于坝体排水和渗透稳定。

7 结 语

土石坝规划设计应充分利用砂砾石料变形模量较小的特点，以减小变形较大区域的沉降值，这样比较经济、合理，安全可靠性也较高。利用爆破石料内摩擦角较大的特性，在砂砾石料上下游两侧填筑爆破石料，在保证坝体稳定安全的前提下，可有效缩小坝体断面尺寸，减小填筑工程量，节省工程投资。因此，混合坝料填筑方案在土石坝设计施工中具有推广应用前景。

[1] 陈雯龙，等.新疆吉音水利枢纽工程初步设计报告[R].乌鲁木齐：水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，2012：160.

[2] 杨树红. 坚硬爆破坝料碾压试验孔隙率偏大原因分析[J].水利建设与管理，2015 (10)： 29-33.

[3] SL237—1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.007

Analysis on Application of Mixed Dam Material Filling in Jiyin Hydro-junction

YANG Shuhong1, HAN Yanhong2

(1.XinjiangJilinWaterConservancyHubEngineeringConstructionManagementBureau,Hetian848000,China; 2.XinjiangWaterConservancy&WaterandPowerSurveyingandDesigningInstitute,Urumchi830000,China)

Constrained by topographical geological conditions, distribution of dam materials and reserve, Jiyin Water Conservancy Dam deploys mixed dam materials as its construction scheme. It features safe, economical and reasonable characteristics. This article analyzes application condition of mixed dam material building from such aspects from division of dam materials, planning of stock ground, test detection, control measures in an attempt to provide reference to design and construction of similar projects.

Jiyin hydro-junction; concrete faced rock-fill dam; mixed dam materials; filling

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.006

TV641.8

A

1673-8241(2017)04- 0017- 05