多石料场下面板堆石坝坝体的填料工程特性研究及稳定分析

贺小康, 肖 利

(1．广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；2.长江水利委员会长江科学院，武汉 430019)

面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一，坝主体由堆石或砾石分层碾压而成，起支承作用，其上游面设置混凝土面板起防渗作用[1]，属于当地材料坝，以其良好的适应性得到了广泛应用[2-4〗。但施工过程中由于主石料场的出料质量或速度无法满足现场需要，备用料场又无法启用，此时需要新增其他石料场以掺配方式上坝，由此导致坝体的填料特性有所变化。本文以麻江县上寨水库工程中大坝结构设计为例，对多石料场下面板堆石坝坝体的填料工程特性研究及稳定进行研究及分析，为日后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

上寨水库位于贵州省麻江县下司镇，地处长江水系清水江左岸支流老山河上，坝址距凯里市约25 km，坝址以上集雨面积为53.23 km2。上寨水库是一座以城市供水、农田灌溉和农村人畜饮水的中型水利工程，水库总库容为1 391万m3，年供水量为1 577万m3。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为65.6 m，上下游坝坡均为1∶1.4，面板堆石坝断面示意见图1。

图1 面板堆石坝断面示意(单位：高程m，尺寸mm)

1.1 坝体分区

在面板堆石坝设计中，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：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，从而确保面板和止水系统运行的安全可靠性；② 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；③ 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，设次堆石区以达到经济目的；④ 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[5]。根据以上原则，上寨水库大坝坝体从上游至下游主要由盖重区、覆盖区、趾板、砼面板、挤压墙、特殊垫层区、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、下游干砌石护坡组成。

1.2 筑坝材料、填筑标准

上寨水库共设有3个石料场(Ⅲ1～Ⅲ3主料场)，大坝筑坝材料为Ⅲ1主料场弱风化白云质灰岩，饱和单轴抗压强度不低于70 MPa，属硬岩，软化系数大于0.8，主堆石区和下游堆石区碾压后的摩擦角不小于40°，砼面板的抗渗等级不低于W8[6-7]。大坝填筑参数见表1所示。

表1 面板堆石坝大坝填筑参数

1.3 石料场变更情况

项目开工后，首先对Ⅲ1主料场进行了开挖，大坝填筑至630 m高程，距临时度汛高程645 m还差15 m，日上坝量仍需2 100 m3，此时主料场主要存在以下问题：① 主料场开挖后，覆盖层变厚，岩体中岩溶洞穴和溶蚀夹泥较多，可利用率降低，料场剥采比大幅度提高，原设计为0.067，增加至3.83；② 主料场岩性为白云岩，爆破后形成的石料主要为大块料和石粉石渣，粒径产生两级分化，级配不满足要求；③ 由于Ⅲ1主料场地质条件复杂，三面开挖边坡均需放缓，导致石料储量减少，需放大料场面积来满足储量要求；④ 因主料场地质条件变化，上坝料单价大幅提高；⑤ Ⅲ1主料场采用深孔梯级爆破，爆破后的噪音和飞石对距约170 m的上寨村居民生活造成严重影响和不安，并对房屋形成了一定损失，多次出现村民阻工现象；⑥ Ⅲ1主料场出料能力无法满足大坝安全度汛要求[8-9]；⑦ Ⅲ2备用料场交通受限，未能正常启动。

现场各方对主料场继续下挖和新增石料场两个方案进行了比选，最后确定新增Ⅲ4和Ⅲ5石料场和启用Ⅲ3石料场。根据各料场实际情况，考虑Ⅲ4石料场有部分大块料，Ⅲ3石料场Ⅲ5石料场均为10 cm以下小块料，采取掺配方式上坝，大块料采用Ⅲ1主料场的大块料或Ⅲ4石料场解决。

1.4 坝体结构设计变更

由于主料场出料情况不理想，大坝高程635 m以下填料偏细，垫层区渗透系数偏大，过渡料、主堆石区和下游堆石区渗透系数偏小；为确保大坝渗透稳定和大坝坝坡稳定，在大坝填筑坝面高程635 m增设水平排水层(厚为2 m)，并在后续填筑的大坝过渡层后设竖向排水层(水平宽为3 m)。同时将下游干砌石护坡厚度按不同高程变为1～3 m。由于大坝上坝料石料场的变化，由1个石料场(Ⅲ1主料场)到4个石料场(Ⅲ1主料场、Ⅲ3石料场、Ⅲ4石料场、Ⅲ5石料场)，大坝堆石区采用掺配方式填筑，大坝不同区域采用不同料场料掺配施工，并做不同料场料源的碾压试验[10]，同时对坝体颗粒级配曲线进行了修正[11]。大坝填料掺配料料源见图2。

2 坝体填料工程特性研究及分析

2.1 试验级配与密度

渗透及反滤试验中均采用现场检测密度，具体数据根据试验方案选定。如垫层料最小密度分别取2.30 g/cm3和平均密度2.31 g/cm3；过渡料取的密度是最小密度2.25 g/cm3，平均密度2.27 g/cm3和最大密度2.28 g/cm3；主堆石取的密度是最小密度2.21 /cm3，平均密度2.24 g/cm3和最大密度2.27 g/cm3；次堆石取平均密度2.22 g/cm3和最大密度2.24 g/cm3。过渡料力学试验密度取现场检测平均值2.27 g/cm3；主堆石力学试验密度取现场检测平均值2.24 g/cm3。主堆石料力学、渗透与反滤试验级配见图3，试验级配及密度汇总见表2。

图3 主堆石料力学、渗透与反滤试验级配示意

表2 试验级配及密度汇总

2.2 土工试验

过渡料、主堆石在现场检测统计平均级配基础上进行等量替代法缩尺后，采用平均密度进行了室内大型三轴剪切试验和大型压缩试验。三轴试验采用大型三轴压缩试验仪，试样尺寸Ф300×H600 mm，最大围压为3.0 MPa，最大轴向应力为21 MPa，最大轴向行程为300 mm；大型压缩试验采用直径为500 mm，高为250 mm的浮环式压缩仪进行。试验最大竖向压力为1.6 MPa。

三轴试验获得的抗剪强度指标c值在75～78 kPa，Φ值在40.6°～41.3°之间，抗剪强度指标较高。压缩试验获得0.1～0.2 MPa下压缩模量为53.7～87.1 MPa，压缩系数为0.014～0.023 MPa-1，属于低压缩性土。主堆石料大型三轴试验成果见图4，堆石料压缩试验曲线见图5。

图4 主堆石料大型三轴试验成果示意

2.3 渗透变形及反滤试验

对现场取回的土样，分别开展渗透变形和反滤试验，试验均采用垂直试验方法，水流由下至上，在垂直渗透仪内进行。

2.3.1渗透试验

从试验过程来看，各组试验刚开始时流量随着上下游水头差增加而增加。至临界比降附近，试样水面局部开始出现冒泡或翻砂现象；随着比降进一步增大，局部地方出现冒水翻砂现象，但是经过一段时间稳定后，细粒停止跳动，说明土样内部进行了调整；再次增加上下游水头差后，重新出现细粒跳动的现象，并且水开始变浑浊，并且呈慢慢增大趋势；随着上游水头的持续增加，水面浑浊现象越来越加剧，说明越来越多的细料被带出，最后大量细料被带出。判定其渗透破坏形式均为过渡型。根据试验结果：垫层料超出设计上限值，其大值比现场检测的最大值大3.68倍，过渡料、主堆石、次堆石渗透系数偏小。坝体填筑材料现场检测结果见表3。

表3 坝体填筑材料现场检测结果 cm/s

2.3.2反滤试验

过渡料与主堆石的反滤试验中，平均级配与密度下反滤试验Fgz1-1中，充当反滤料的主堆石在比降为0.15时，下游水面开始冒浑水，此时被保护土过渡料比降为0.76。当比降升高至0.22时，试样下游水面多处翻砂冒浑水，持续0.5 h试样破坏，此时过渡料比降为1.38，该值小于其渗透试验时破坏比降1.94，说明主堆石不能对垫层料形成有效的反滤保护效果。不利级配与密度下反滤试验Fgz2-1中，充当反滤料的主堆石在比降为0.01时，下游水面开始冒浑水，此时被保护土过渡料比降为1.44。整个试验中，主堆石承担了较小的比降，过渡料承担了较大比降，其破坏比降大于渗透试验时破坏比降，说明主堆石可以对垫层料形成有效的反滤保护效果。

过渡料与主堆石的反滤试验中，平均级配密度下反滤试验Fgz1-1中，过渡料与主堆石渗透系数接近，被保护土过渡料破坏比降小于其渗透试验时的破坏比降，主堆石不能对过渡料形成有效保护。不利级配密度组合下反滤试验Fgz2-1中被保护土过渡料比降承担的比降较大，作为反滤料的主堆石承担的比降较小，主堆石对过渡料有一定的保护作用。过渡料和主堆石试验的J-V曲线见图6～图7。

图7 过渡料和主堆石反滤试验Fgz2-1 J-V曲线示意

2.4 大坝边坡稳定复核分析

2.4.1计算方法

基于极限平衡条件的条分法在边坡稳定性分析中广为采用，现有规范对不同条分法在不同工况下的安全系数作了规定。极限平衡分析的前提是假定摩擦材料为刚塑性介质，在受剪切破坏情况下瞬间发挥了所有的强度(抗力)，满足静力平衡条件和刚塑性体剪切破坏的极限平衡条件。

大坝坝体边坡稳定分析采用简化毕肖普法，运行期采用有效应力分析法，采用固结排水剪强度指标，施工期采用总应力法计算，对应岩土参数为总应力强度指标。

2.4.2计算填料参数

计算参数主要是采用设计的大坝应力变形和坝坡稳定计算参数，同时比较主堆石料和过度料的复核试验成果。计算参数综合确定如下表。因本次复核计算主要针对蓄水运行期，力学指标采用有效应力强度指标。坝坡稳定计算岩土参数见表4。

表4 坝坡稳定计算岩土参数

2.4.3计算内容

边坡稳定复核分析的主要目的是在渗流稳定计算基础上，分析大坝坝坡的抗滑稳定性。大坝坝坡的抗滑稳定性主要受填料的力学特性与坡体浸润线位置高低的影响。本次计算内容主要包括两个方面：

1) 大坝面板防渗性能和填料渗透特性对坝坡稳定性影响的计算方案，坝坡稳定计算方案根据坝体不同渗流方案的计算成果确定，按面板渗透系数为1.0×10-7cm/s、面板破坏和填料级配不同对应的浸润线计算成果分3种计算方案。

2) 坝体填料力学特性对坝坡稳定性影响的计算方案，填料力学参数主要采用设计的计算参数和本次主堆石和过度料的试验复核成果。

2.4.4大坝边坡稳定计算成果

根据所述计算方法、计算参数、工况等条件，对填料采用原设计计算参数和本次调整后的相关参数进行了计算，大坝边坡各方案抗滑稳定计算成果见表5。

表5 大坝边坡各方案抗滑稳定计算成果

计算结果表明： 方案1～方案3各工况大坝下游坝坡的抗滑安全系数均满足规范要求。本次变更后主堆石料的强度指标虽然较原设计采用值略低，在主堆石和过度料的强度指标取本次试验成果时，大坝下游坝坡各工况下的抗滑安全系数略有降低，但仍满足规范要求，坝体变更后的设计方案是可行的。

3 结语

本文针对上寨水库面板堆石坝大坝填筑料，取样室内进行了颗分试验、大型压缩试验、大型三轴剪切试验、渗透变形试验、反滤试验，获得了坝体填筑料的物理力学指标和渗透力学指标。并在试验成果基础上，结合工程采用的渗控措施，对多石料场下的面板堆石坝坝体填料特性和大坝稳定进行了研究和相关分析，可以得到以下结论：

1) 在主料场出现问题的情况下，受上坝料质量、强度及安全度汛等因素的影响，需就近重新选择石料场，并采用掺配型式以满足坝体各区对填料级配的要求，同时能满足工期和质量的要求。

2) 通过相关试验对掺配的坝体填料工程特性进行了研究，三轴试验获得的抗剪强度指标c值在75～78 kPa之间，Φ值在40.6°～41.3°之间，填料的抗剪强度指标较高。

3) 面板堆石坝在垫层区渗透系数局部偏大，过渡料、主堆石、次堆石渗透系数偏小的情况下，通过坝体增设排水区和加厚下游干砌石护坡，对大坝安全有利。

4) 砼面板渗透系数越小，坝体内浸润线出逸段高度越低，砼面板渗透系数增大，坝体内浸润线出逸段高度增加。