塘冲水库工程利用河床砂砾石层作坝基持力层设计探讨

明 亮

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

塘冲水库工程利用河床砂砾石层作坝基持力层设计探讨

明 亮

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

由于面板堆石坝为柔性坝，对基础承载能力要求不高，可充分利用当地材料筑坝的特点，在众多坝型中具有一定的优势。本文以工程实例简要说明了利用河床砂砾石层作为基础持力层的论证过程，结果表明，在将河床砾石层作为坝基持力层设计后，需通过细化结构设计以及掌握河床砂砾石层存在状态的情况下，来满足工程建设要求。为类似工程的设计人员提供一定的参考，希望该方面的技术成果得到更为广泛的推广。

面板堆石坝；砂砾石层作为基础；河床砂砾石层

1 基本情况

1.1 工程概况

塘冲水库是贵州省三穗县六洞河第二级综合开发利用水利工程，工程位于滚马乡塘冲村河段，坝址控制流域面积185 km2，多年平均年径流量1.024亿m3。本工程拦河大坝为钢筋混凝土面板堆石坝。大坝枢纽由面板堆石坝、岸边溢洪道、取水建筑物、冲砂兼放空建筑物等组成。最大坝高53.5 m，总库容5225万m3，水库为多年调节性能，水库规模为中型，工程等别为Ⅲ等。坝顶宽5.5 m，坝顶上游设“T”型钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程707.7 m，下游设“L”型挡墙。根据面板堆石坝设计规范及工程类比，大坝上、下游坝坡均为1∶1.5，并在下游687.0 m高程、670.0 m高程分别设2.0 m宽马道。大坝上游面为钢筋混凝土面板，面板厚0.4 m，下游面为C15预制混凝土块护坡，厚0.5 m。

1.2 结构设计

在堆石坝设计中，应根据堆石体各部分受力特点、渗流要求和各自所起的作用，对堆石体进行适当分区。分区的主要原则为：从上游到下游坝料变形模量依次递减，以保证蓄水后坝体变形尽可能小，从而确保面板和止水系统运行的安全可靠性；各区之间应满足水力过渡要求，从上游至下游坝料的渗透系数增加，相应下游坝料应对其上游区有反滤保护作用；为节省投资，坝轴线下游堆石区变形模量低的部位，利用较差的堆石料，以达到经济目的；分区尽可能简单，以利于施工，便于坝料运输和填筑质量控制[1]。

根据以上堆石料分区原则和坝料来源，坝体材料从上游至下游依次分为：上游防渗补强区(盖重区、上游铺盖区)、垫层区、过渡区、主堆石区和下游堆石区，其大坝标准断面图如图1所示。

垫层区位于混凝土面板下部，水平厚度为3 m。过渡区为细堆石料，它是垫层料与主堆石区的过渡料域，水平厚度3 m。主堆石区上游坡为1∶1.5，下游坡取1∶0.5，该区是面板堆石坝的主体，是承受水荷载的主要支撑体。主堆石区后设次堆石区，可利用变形模量较低的石料，粒径可较主堆石区大，碾压层厚亦较主堆石区大。上游防渗补强盖重区采用弃渣回填，弃渣盖重的水平厚度为2.5 m，上游铺盖区采用黏土铺筑，水平厚度为2.5 m，填筑顶部高程均为665.0 m，共同构成面板上游的第一道辅助防渗体[2]。

图1 大坝标准断面图(高程单位m,未标明单位mm)

1.3 河床砂砾石层情况

本工程整个坝址区河床砂卵砾石层厚6～6.9 m，若将整个坝区基础均置于岩石基础上，则需将该部位河床砂卵砾石层全部挖除，挖除方量约为15.6万m3。若能在坝区利用下部稍密至中密砂卵砾石层作为大坝基础持力层，可减少开挖方量约12万m3，同时减少相应坝体填筑方量。可节省开挖投资160万元，节省坝体填筑投资860万元，工程经济效益明显。因此，除趾板区及趾板下游水平开挖区大坝基础置于弱风化基岩外，其余坝体均采用下部稍密至中密砂卵砾石层作为大坝基础持力层，即清除表层1～1.5 m厚松散覆盖层后，下部稍密至中密砂卵砾石层作为大坝基础持力层。

2 河床砂砾石层作为大坝基础持力层的设计过程

2.1 初步设计阶段对河床砂砾石料的分析成果

初步设计阶段，设计人员根据现场调查、钻探、坑槽探及物探揭露情况分析，基本确定坝址区及下游河谷广布冲洪积的砂卵砾石层，厚6～7 m，水平方向厚度较稳定，垂直方向无分层现象[3]。砂砾石成分主要为变余层凝灰岩及凝灰质板岩，据坝址岩石试验资料，平均饱和抗压强度为80.5 MPa，为坚硬岩，磨圆度较差，粒径以5～10 cm为主，经现场试验及取3组样作室内分析试验，级配总体较好。根据《水利水电天然建筑材料勘察规程》 及《混凝土面板堆石坝设计规范》规定，现对试验成果与坝体填筑质量指标进行对比分析，详见表1。

表1 塘冲水库砂砾料试验成果与填筑质量指标对比表

根据上述对比分析，砂砾料质量满足规范要求，可作为筑坝材料，可以该砂砾石层作为大坝基础持力层。

2.2 施工图阶段对河床砂砾石料的进一步论证

结合现场趾板区开挖揭示情况及主堆石区清除1～1.5m松散覆盖层后情况，进行了现场取样分析，取样点分别位于填筑区域上游侧、中部、下游侧，以及左岸侧、中部、右岸侧。

在主堆区砂砾石层共检测10个试坑，含水率2.8%～6.1%，平均含水率4.4%;湿密度2.19～2.36 g/cm3，平均湿密度2.24 g/cm3；干密度2.09～2.22 g/cm3，平均干密度2.1 g/cm3。颗粒级配共测试18组，其中1#～6#、7#-1、8#-1为试坑料，位于水位以上，7#-2～7#-5、8#-2～8#-5位于水位以下，水位以下试样采用挖机挖到地面上进行试验，在挖取试样过程中小颗粒部分随水流留在试坑内，导致检测成果中小颗粒含量减少，与实际含量有一定偏差。小于5 mm含量大多在20%以内，另外5组均小于25%；小于0.075 mm含量均小于3%。颗粒级配只有两组不良，其他均为良好[4]。

经对主堆石区河床砂卵砾石层做了钻探、坑探及现场取样试验后，设计认为河床砂卵砾石层在清除表层1～1.5 m厚松散覆盖层后，下部稍密至中密砂卵砾石层的几项主要指标，如干密度、孔隙率、渗透系数、颗粒级配等能满足设计规范《混凝土面板堆石坝设计规范》的指标要求，可作为大坝基础持力层。

结合现场取样试验数据资料，可以得到河床砂卵砾石层的几项主要指标：①干密度为2.09～2.15 g/cm3(10个样中仅一个样为2.09 g/cm3)；②孔隙率为17%～22%；③渗透系数为3.21×10-3～2.62×10-2cm/s；④小于5 mm颗粒含量平均值P5=8.74%～35.31%，仅1#样偏高(分析为在取样过程中额外掺入了外部局部泥团)；剔除1#样后，P5=8.74%～24.82%，大部分取样位于20%以下；⑤小于0.075 mm颗粒含量平均值P0.075=0.11%～2.02%；⑥河床砂卵砾石层砂卵石大、小颗粒分布均匀，无集中或成层较软弱夹粉砂含泥层带。

根据现行规范《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL 228-2013)及初设、施工图设计依据规范《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL 228-98)要求：坝体堆石料最大粒径不超过压实层厚度，P5≤20%，P0.075≤5%，主堆石料压实后的孔隙率宜为20%～25%，满足自由排水性(渗透系数经验数据宜>10-3cm/s)。根据以上指标分析，设计认为河床砂卵砾石层在清除表层松散层后可作为主堆石区建基面，能够满足工程的需要。

2.3 实施效果

本工程于2013年8月开始进行大坝主堆石区及下游堆石区填筑工作，于2015年10月完成面板浇筑工作，于2016年10月完成水库蓄水安全鉴定工作。从大坝填筑质量来看，均能满足规范要求[5]。

3 结 论

由于面板堆石坝为柔性坝，对基础承载能力要求不高，可充分利用当地材料筑坝。在遇到基础覆盖层较厚的坝址位置，若能充分利用覆盖层作为大坝基础，可以带来明显的经济效益，对工程施工进度也有很大的提高。但基础覆盖层是否能作为大坝基础持力层，需按规范要求作好充分的论证工作，必需以试验数据为依据，不可盲目照搬照套。本文以工程实例简要说明了利用河床砂砾石层作为基础持力层的论证过程，为类似工程的设计人员提供一定的参考，利于该方面的技术成果得到更为广泛的推广。

[1] 高超.山西省天镇县石佛寺水库大坝坝基及坝肩处理工程设计[J]. 水利建设与管理,2016(8)：33-35，47.

[2] 卡米力江·亚森. 浅谈水库除险加固工程坝基防渗方案的设计[J]. 内蒙古水利，2014(5)：20-21.

[3] 杨德用． 桃云水库工程坝基的渗漏评价及防渗处理设计[J]．水利科技与经济,2014(5)：20-21.

[4] 陈海全．宁夏吴忠市同心县丁家二沟水库除险加固工程坝基防渗墙设计[J]．科技创新与应用，2013(11):152.

[5] 刘茂祥．磨盘山水库坝基防渗工程设计技术特点[J]．黑龙江水利科技，2012(3)：159-160.

明 亮(1978-),男,黎族,贵州镇宁人,高级工程师，主要从事水利工程设计方面工作。E-mail：377301377@qq.com。

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2096-0506(2017)05-0082-03