青山冲水库面板堆石坝坝体分区及坝料优化设计

李晓超 周志博 刘春锋 董建鑫

1 工程概况

青山冲水库位于贵州省玉屏县，工程任务为向玉屏县城供水、农村人畜供水和农田灌溉；工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，水库总库容1 287万m3；水库正常蓄水位为443.50 m，死水位为390.0 m。

青山冲水库工程由首部枢纽和输水工程两部分组成。枢纽建筑物包括混凝土面板堆石坝、竖井旋流泄洪洞、引水及放空洞（兼导流洞）等；输水工程包括扬水泵站、县城供水管、灌溉及人畜饮水供水管等。

挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝，坝顶宽度为6.5 m，坝顶长246.0 m，最大坝高83.9 m，上游坝坡坡比1∶1.406，下游坝面局部坡比1∶1.35，坝后设有6.0 m宽的“之”字形上坝公路，坡比8.0%，综合坝坡坡比为1∶1.67。上游用钢筋混凝土面板防渗，趾板下部置于弱风化层上部，趾板上部置于强风化层中部，沿趾板中线布置1排帷幕灌浆孔，深入相对不透水层。坝体材料分区：面板上游为上游铺盖区和盖重区，面板后为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、下游坝基排水区、下游干砌石护坡、下游抛石等，坝体填筑总方量约148.5万m3。

2 招标阶段坝体分区设计及筑坝材料分析

2.1 坝体分区设计

2.1.1 分区原则

根据面板坝的受力特点和渗流要求划分堆料分区，分区主要原则为：

（1）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，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。

（2）各区之间满足水力过渡要求，从上游到下游坝料的渗透系数增加，相应下游坝料应对上游区有反滤保护作用。

（3）同时为节省投资，在坝轴线下游变形模量低的部位，设下游堆石区，利用抗压强度稍低的开挖料，以达到经济目的。

（4）分区尽可能简单，以利于施工运输和质量控制。

2.1.2 坝体分区设计

根据坝体分区原则，坝体分区从上游到下游依次为上游盖重区1B、上游铺盖区1A、垫层区2A、过渡区3A、主堆石区3B、下游堆石区3C、下游坝基排水区3F、下游块石护坡3F。详细分区设计见表1及如图1所示。

表1 坝体分区表

图1 坝体断面分区示意图

2.2 筑坝材料及料源分析

2.2.1 筑坝材料及质量要求

坝体填筑共需各区坝料约148.5万m3（压实方），根据坝体分区设计原则及各分区作用，对坝体填筑材料及质量提出具体要求：

（1）堆石料约134.2万m3，包含主堆石料（3B区）82.4万m3，要求石料具有低压缩性、高抗剪抗压强度、能自由排水；下游堆石料（3C区）33.8万m3，较3B区石料性能可适当降低；下游坝基排水料（3F区）7.9万m3，要求石料坚硬、抗风化能力强、软化系数高、能自由排水。

（2）过渡料（3A区）约8.8万m3，要求石料有良好的级配、具有低压缩性、高抗剪强度。

（3）垫层料（2A区）5.4万m3，要求较高的变形模量及抗剪强度，半透水性。特殊垫层料（2B区）0.1万m3，应具有保砂性、透水性。

（4）上游铺盖（1A区）3.3万m3，要求具有低渗透性，采用粉煤灰和粉细砂等低黏性料。

（5）干砌块石料（P区）1.3万m3以及下游抛石1.4万m3，需采用坚硬、耐风化块石料。

（6）上游弃渣盖重（1B区）4.1万m3，利用开挖料。

2.2.2 料源分析

由于坝址区开挖料除部分质量满足上坝要求（约9万m3，主要用于下游堆石区）外，其余为强度较低的砂质页岩，属较软岩，遇水易软化、崩解，其饱和抗压强度及软化系数指标不能满足筑坝要求，不宜作为填筑料料源。因此，坝体填筑材料主要由料场供应。工程设置两处石料场，即梨子坪石料场和混寨石料场。梨子坪石料场距坝址直线距离约1.2 km，质量和储量均满足工程要求，料场弱风化及微风化岩体均可作为坝体填筑料及混凝土骨料等料源。混寨石料场距坝址约1.5 km，质量和储量满足工程要求，考虑该料场位于省级风景区内，附近有村民水源地和提水泵站，将其作为本工程的备用料场。

3 施工期坝体分区优化设计

3.1 问题的提出

坝体填筑料主料场梨子坪石料场中下部区域岩性为白云质灰岩。在填筑过程中暴露出部分开挖料过于细碎、级配不良的情况。为保证坝体结构安全，开展了筑坝料直接剪切试验、固结试验及岩块物理力学性质试验，了解大坝料源的抗剪、压缩特性和岩石物理力学特性，试验表明白云质灰岩作为筑坝料，其抗剪强度和压缩强度指标满足坝体稳定要求。

同时为最大限度减少对村庄的影响，尽量不扩大梨子坪料场开采范围，另外为防止对备用的混寨料场附近水源造成影响，不开采混寨料场。因此，坝体填筑尽可能利用梨子坪料场开挖的白云质灰岩料。

为保证填筑质量，一方面对料场白云质灰岩的开采控制、填筑质量控制等施工质量控制，一方面对坝体分区进行优化设计。

3.2 坝体分区优化方案

将原设计的大坝主堆石区（3B）进行优化设计，填筑用料分区细化为3个分区，即竖向排水区（3B-1），过渡区下游394～430 m高程水平宽度20 m区域；主堆石区（3B-2），竖向排水区下游394～430 m高程范围；坝壳区（3B-3），下游堆石区（3C）上部及下游坝坡范围。

竖向排水区和坝壳区采用料场灰岩填筑，主堆石区采用白云质灰岩填筑。优化后坝体分区及主要料源如图2所示。

对于施工过程质量的控制采取：（1）优化岩石开采及爆破参数，确保其开采后级配合格，严格控制石粉含量。（2）建议白云质灰岩采用薄层碾压，适当降低填筑层厚（80 cm），以确保碾压效果，并开展生产性碾压试验，确定生产碾压参数等措施。

图2 坝体断面分区优化图

4 社会料源的合理利用

本工程进行大坝填筑过程中，当地政府提出临近坝址县城内的康华小区正在进行厂坪开挖，存在开挖料外运堆储问题，建议青山冲水库坝体填筑考虑是否可以利用，在缓解康华小区厂坪开挖弃渣压力同时，解决坝体填筑料的料源压力。

对该社会料源石料进行：（1）岩石磨片鉴定和化学分析试验，鉴定名称为含粉砂黏土质粉泥晶灰岩，化学分析无硫化物含量。（2）岩石物理力学试验，泥晶灰岩料的饱和抗压强度平均值为124.64 MPa、软化系数平均值为0.83。根据SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》中堆石料原岩质量技术指标：该料源弱风化及微风化岩体满足坝体填筑料对原岩的指标要求，可作为本工程面板堆石坝的填筑料料源。通过地形条件和分布范围的勘察，厂坪区整个条形山体总体积约为80万m3，料源充足，具有利用价值。

根据试验成果，泥晶灰岩可用于坝体主堆石区（包括3B-1、3B-2和3B-3）和下游堆石区（3C）填筑。对于泥晶灰岩料进行上坝填筑质量要求同原分区坝料一致，即填筑料级配、干密度、孔隙率、碾压参数和渗透系数等其它设计技术指标维持不变，并开展现场生产性碾压试验验证泥晶灰岩料填筑质量满足要求。

社会料源实现了工程料场的补充，保证了大坝填筑的顺利进行。

5 结语

青山冲水库面板堆石坝于2019年11月底填筑到顶，截止目前监测成果来看，主坝内部最大水平位移10.1 cm，最大垂直位移26.7 cm，沉降变形量远低于相应坝高的1%，目前坝体沉降各个测点变化渐趋平缓，说明坝体分区和坝料优化方案是成功的。通过本项目的实践，有一些经验可供借鉴，主要有以下几点：

（1）青山冲水库面板堆石坝建设实践了当地材料坝的最大特点及优势：“充分利用当地材料，根据料设计坝”，较好地解决了就近取料填筑、合理利用开挖料等问题，发挥了面板堆石坝造价低、工期短的优势。

（2）根据施工过程中坝料品质及储量的情况，结合料源岩体物理力学试验及现场碾压实验，充分了解料源的抗剪、压缩特性和岩石物理力学特性，验证料源石料参数指标满足坝体稳定要求。并在此基础上合理调整大坝设计断面，优化坝料分区，确定坝料具体技术要求，提出施工质量控制措施。通过优化坝体分区设置既保证了大坝填筑质量与坝体安全，又做到了“料尽其用”，有利于大坝的顺利填筑和投资控制。

（3）“康华小区厂坪开挖料与梨子坪料场填筑料相结合”的方式，解决大坝用料问题，满足大坝填筑用料的需要。招标阶段，工程所需堆石料、过渡料、垫层料及混凝土骨料均主要梨子坪石料场开采。施工期临近大坝工地的康华小区进行厂坪开挖，存在弃渣外运堆储问题，经反复研究论证，现场组织开展了生产性碾压试验，填筑料级配、干密度、孔隙率、碾压参数和渗透系数等参数指标均满足设计要求。确定康华小区厂坪开挖料与梨子坪料场填筑料能统筹结合，既减轻了原规划料场开采征地困难及对环境影响、又消纳康华小区厂坪开挖弃渣堆存压力，还可节约工程占地，减轻自然环境的破坏，节省工程建设的投资，同时保证工程安全，实现了互利多赢的格局。