混凝土面板堆石坝软岩料工程特性探讨

摘要：软岩料是指采用爆破、开采手段将软岩岩体破碎而得到的石料，规范将饱和无侧限抗压强度小于30MPa的岩石划分为软质岩。有效的利用工程开采料作为筑坝材料，不仅能降低工程造价，加快工程建设，保护生态环境，具有重大经济和社会效益。本文参照已建工程经验，探讨软岩筑坝料工程特性，为类似工程设计提供参考。

Abstract： Soft rock material refers to the rock material obtained by crushing the soft rock mass by blasting and mining methods. The standard classifies the rock with the saturated unconfined compressive strength less than 30MPa as soft rock. Effective use of engineering mining materials as dam construction materials can not only reduce engineering costs， speed up engineering construction， and protect the ecological environment， which has major economic and social benefits. This article refers to the experience of existing projects to discuss the engineering characteristics of soft rock dam materials and provide references for similar engineering design.

关键词：混凝土面板堆石坝;软岩料;渗透系数

Key words： concrete face rockfill dam;soft rock;permeability coefficient

中图分类号：TV642                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）30-0115-02

1  概况

软岩料的变形相对较大，过大的坝体变形容易造成面板脱空、应力状态恶化、使周边缝剪切位移和沉陷增加，影响大坝的运行安全性。西北口、三板溪、水布垭等均出现了面板不同程度的脱空、裂缝问题，严重的将影响大坝的安全运行。

本文借鉴我国软岩筑坝经验，对软岩料堆石坝的工程特性进行类比，为类似工程设计提供参考。

2  软岩堆石料工程特性

2.1 岩石性质

某工程岩石室内物理力学试验成果表明：弱风化及以下的中、细粒砂岩的孔隙率7.43～13.06%，饱和抗压强度为23.3～41.5MPa，平均值32.7MPa，少数仅10MPa，软化系数平均值约0.45，个别为0.27，干密度2.24～2.54g/cm3，个别为2.08g/cm3，平均值2.39g/cm3。从已建面板堆石坝工程经验看，用于筑坝的软岩饱和抗压强度宜大于15MPa饱和抗压强度小于10MPa的软岩料不宜上坝。（表1）

2.2 工程特性

2.2.1 级配特性

某工程软岩料碾压后，小于5mm颗粒一般占16～23%，最高达到25%。软岩料粒径在碾压后一般都比较细，细粒含量较多。由于软岩堆石料的变异性，碾压后堆石料的级配很难控制。小于0.075mm的颗粒一般占0.3～0.8%，远低于设计限值（≤5%）。不均匀系数 Cu值明显偏高，曲率系数 Cc一般大于3，表明级配曲线坡度较陡且级配连续性较差。软岩岩块一般具有遇水软化、失水崩解的特性。

已有工程经验表明，软岩料经压实后，小于5mm颗粒含量增加较大，大于0.075mm颗粒含量所占比例仍是很小的。而软岩料在碾压后泥化现象严重，因此软岩料的级配对其在实际工程中的应用并无太多的影响，重要的是要碾压密实，并充分考虑坝体的排水。

2.2.2 密度与压实特性

某工程软岩料区干密度为1.90～2.00g/cm3，孔隙率约为21～25%。室內压缩试验成果显示，随着压力的增大，压缩模量快速提高，且没有收敛趋势，在压力为0.1～3.2MPa范围内干样压缩模量为19.6～99.2MPa，饱和样压缩模量为9.9～67.9MPa，饱和样压缩模量明显低于干样压缩模量，这是因为软岩堆石料为泥质粉砂岩，强度低，遇水软化严重。

寺坪坝、鱼跳坝软岩料干密度为2.00～2.28g/cm3，孔隙率约为18～20%。而一般中硬岩面板堆石坝堆石孔隙率为20～25%。软岩材料的压缩变形随着密度的增加而渐减，在饱和状态下的压缩变形较大。由于软岩颗粒较细，孔隙率大，遇水风化崩解，对水极为敏感。

2.2.3 渗透特性

某工程软岩料现场碾压试验表明：渗透系数大多数在 i×10-4～i×10-3cm/s范围，少数测点在1.0×10-3～3.5×10-3cm/s范围。因此软岩堆石料不能满足坝体自由排水的要求。其原因主要是级配不良，天然堆石料中细料含量较多，且随着碾压遍数的增加，细料含量进一步增加，使得堆石体中大量渗流通路堵塞，甚至出现不渗透的情况，且经表面清除处理仍无改善，表明细料泥化对渗透系数影响明显。

参考已建工程，十三陵蓄能上库坝为10-1～10-3cm/s量级，大坳、鱼跳、盘石头等三座坝为10-2～10-3cm/s量级，均属强～中等透水性。寺坪坝强风化页岩渗透系数为2.75×10-3cm/s，属中等透水性，弱风化和微风化页岩料分别为2.28×10-3cm/s和2.47×10-3cm/s，属强透水性。部分试样的临界比降在0.28～1.48之间，较容易发生渗透破坏，破坏形式为首先产生管涌，然后发展为流土。

软岩料的渗透特性表明，软岩料的渗透系数均不高，因此实际工程中软岩料一般放在坝轴线下游干燥区，若作为大坝主堆石料，则在坝体中一般需设置“L”型排水体，确保坝体能够自由排水。

2.2.4 压缩特性

某工程软岩料压缩试验成果表明，上水库紫红色砂岩在试验级配和设计密度条件下，上包线0.1～0.2MPa 压力下的压缩模量在30.5～32.9MPa范围内，压缩系数在 0.039～0.044MPa-1范围内，下包线0.1～0.2MPa压力下的压缩模量在46.3～65.9MPa 范围内，压缩系数在0.019～0.029MPa-1范围内，均属于低压缩性土。

工程实践表明，由于室内试验条件的限制，试验所取的干密度无法达到施工现场实际干密度。坝体实际压缩变形比试验值偏小。

2.2.5 湿化和流变特性

软岩料的湿化特征更为明显。实际工程中使用的各种软岩料均有一个较为普遍的特点，即软岩料对环境变化的敏感性很强，现场刚开采的各种软岩料尚有一定强度，但稍经风雨、日晒的影响，其强度迅速降低，颗粒加剧破碎。大坳坝砂岩料湿化轴向应变从2.24%增加到3.67%。鱼跳坝的泥岩化轴向应变从2.98%增加到6.22%。

实际工程开采中，刚开采的软岩料具有一定的强度，但经过干湿循环，强度降低，风化崩解速度快，即软岩料对环境变化的敏感性很强。已有工程经验和有关研究表明，软岩堆石料的湿化和流变现象比较明显，坝体的变形在工程完工后一定时间内还未结束。

2.2.6 沉降变形

某工程软岩料碾压试验表明，每2遍碾压的沉降量随着碾压遍数的增加而减小，累计沉降量以26t最大，小铺厚的最小。在碾压8遍后平均沉降率基本上小于1%。表明振动平碾8遍后变形趋于稳定。在施工中，关键是控制坝体的均匀沉降和控制软岩料的沉降，采用小铺厚，能够碾压密实，避免后期沉降对面板的不利影响。

沉降控制标准：硬岩面板堆石坝施工期最大沉降量与坝高之比一般仅为0.5%左右。可参考实测沉降数据，根据坝高，软岩料比例等综合确定沉降安全控制标准。

3  施工技术处理

3.1 加水工艺

碾压前适当洒水有助于堆石料的碾压密实，但是软岩料遇水软化崩解，对水极敏感，洒水率需要考虑到软岩料的天然含水率，以及洒水对软岩料的浸润过程。

在施工前，应通过对比相同碾重、相同铺后条件下洒水率对堆石料颗粒分析、干密度、沉降及渗透的影响。选择合适的加水方案。

3.2 泥化层的处理

由于软岩料强度较低，孔隙率大，遇水软化崩解。施工中，经过机具碾压后，在表面形成一层板结状泥化层，透水率差甚至不透水，且形成人为的软弱结构面，施工过程中，每一层终碾后应用推土机把泥化层剥离，再进行下一层堆石料的铺摊。

4  已建工程运行情况

表2统计了典型软岩面板堆石坝运行情况，利用软岩料筑坝，由于母岩强度低等特性，压实度好，但是总体上沉降还是比同规模中硬岩筑坝大。近年来，严格的控制沉降时间和沉降速率，尽量的让含软岩料大坝沉降时间长，能够有效的控制面板施工后坝体的沉降，避免了面板的结构性破坏。

5  结语

①在混凝土面板堆石坝工程设计中，采用软岩或者软岩混合料筑坝时，合理布置坝体分区，设置排水区，控制坝体沉降，有着良好的借鉴作用。

②充分利用建筑物开挖软岩料筑坝，不仅有良好的社会效益，并且可以取得較好的经济效益，在今后的工程建设中，不断总结相关经验，为软岩筑坝技术提供可靠支持。

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作者简介：李泰熙（1989-），男，湖南衡阳人，硕士研究生，工程师，主要从事水工设计工作。