金峰水库大坝软岩填筑料设计研究

廖大勇,许 刚,胡光鹏,彭明亮

(1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都 610072;2.四川省武都水利水电集团有限责任公司，绵阳 621000)

1 概况

武都引水工程是四川省的一项大型水利项目，工程以农业灌溉为主，兼顾发电、防洪、通航、工业和城乡供水。武都引水工程共分二期建设，其中第一期工程包括取水枢纽、总干渠和涪梓灌区渠系及沉抗囤蓄水库等，灌溉农田126.98万亩，已于2002年建成；武都引水第二期工程包括武都水库工程和二期灌区工程，武都水库于2011年建成，武都引水第二期灌区工程是国家十三五期间172项重点水利项目之一，设计灌面积105.32万亩，目前已基本建成。

金峰水库是二期灌区工程中的一座囤蓄水库，总库容0.98亿m3。大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，坝高89m，坝体分区依次为：上游石渣料区、上游砂砾石料过渡料区、沥青混凝土心墙、下游砂砾石料过渡料、砂砾石竖向排水带、下游石渣料区及水平排水带等。

金峰水库大坝属于全国在建工程中最高的全断面采用软岩石渣料填筑的沥青混凝土心墙坝，坝壳料采用砂岩及砂泥岩混合石渣料，软化系数低，湿化变形显著，如其变形过大，可能造成防渗体系变形过大，使得防渗体产生裂缝，从而影响其防渗性能及工程的安全运行。大坝设计过程中需要重点关注软岩坝壳料对沥青心墙的变形约束以及坝体沉降对心墙带来的不利影响，设计主要从以下几方面进行了设计研究及论证优化工作。

2 坝壳料设计选用及优化

2.1 坝壳料特性

金峰水库坝壳料选用了位于水库左岸距离大坝约1km的炮台咀料场，料场的组成为白垩系下统剑门关组(K1j)的砂岩与粉砂质泥岩呈不等厚互层，局部夹薄层泥质粉砂岩，料场规划开采范围内砂岩与粉砂质泥岩比例约为4∶1。

根据钻孔岩心取样试验，新鲜砂岩饱和抗压强度平均值为13.6～15.5MPa、软化系数0.45～0.56，属软岩～较软岩；强风化带中下部及弱风化砂岩饱和抗压强度平均值为11.6～15.3MPa、软化系数0.44～0.53，基本属软岩；粉砂质泥岩湿抗压强度平均值为3.7MPa，属极软岩。

根据料场的分布情况，坝壳料初步设计按两种方案拟定：①纯砂岩石渣坝壳料；②砂岩、粉砂质泥岩混合石渣坝壳料。根据砂岩、粉砂质泥岩石渣料母岩性质，纯砂岩石渣料及砂岩与粉砂质泥岩混合石渣料的级配控制最大粒径为400～600mm，小于5mm粒径含量控制在10%～30%，筑坝料设计参数建议值详见表1[2]。

表1 筑坝料设计参数建议值

根据试验成果，粉砂质泥岩的块体密度大于砂岩的块体密度，因而砂岩与粉砂质泥岩混合石渣料的压实干密度大于纯砂岩石渣料的压实干密度；纯砂岩石渣料具有中～低压缩性和较高的抗剪强度；砂岩与粉砂质泥岩混合石渣料为中等压缩性，随粉砂质泥岩含量的增加抗剪强度有所降低。

2.2 筑坝料选取

由于泥岩料属于极软岩，极易风化及湿化变形崩解，泥岩石渣的抗剪指标低于砂岩石渣料，压缩变形也明显高于砂岩石渣料，后期湿化变形影响也较大。本工程在实施阶段开展了现场碾压取样试验检测抗剪指标、坝壳料的湿化及流变试验研究、坝坡稳定计算对比分析以及坝体有限元计算。

根据计算可知：坝体最大沉降为102.81cm，见表2。最大沉降位置在坝高的1/3～1/2部位，根据料场泥岩分布及开采规划，若利用砂泥岩混合料上坝，粉砂质泥岩上坝部位接近坝体最大沉降部位，对坝体沉降变形显然是不利的。

表2 河床坝段沥青混凝土心墙坝坝体应力应变特征值[3]

金峰水库大坝坝壳料填筑量约300万m3，根据料场揭示以及实际开采情况，获得大坝填筑工程量仅需开挖粉砂质泥岩约30万m3。金峰水库若全部利用砂岩上坝，将开挖的粉砂质泥岩堆放在坝体上游坝坡死水位以下部位，将有效减少坝体后期沉降及湿化变形影响，同时增加上游坝坡稳定性。因此，设计在金峰水库实施阶段通过设计变更，将大坝填筑料全部调整为砂岩石渣料，进一步提高了金峰水库安全可靠性。

2.3 砂砾石增模区设计

根据类似工程经验及本工程试验结果，沥青混凝土的模量K=300～400，坝壳石渣料的模量数K=360～400，过渡区和排水带采用的砂砾石K=1000～1100。沥青混凝土与坝壳石渣料模量接近，坝壳石渣料对沥青混凝土心墙顺河向的支撑与约束较差。

根据大坝应力应变计算，在大坝下游未设置砂砾石增模区的情况下，仅底部水平排水带处设置砂砾石区，沥青混凝土心墙最大挠跨比发生在下游砂砾石排水带顶高程以上部位，该部位为水平位移单位增量长度最大位置，挠跨比最大值达到2.42%，对沥青混凝土有较高的柔性要求。同时变形增量最大部位接近沥青混凝土心墙与混凝土底板连接部位，可能造成心墙底部发生错动及止水破坏，影响大坝防渗安全。

为此，设计在基本不改变浸润线高度的前提下，将水平排水带前部的位置加宽抬高，利用变形模量较大的砂砾石代替模量较小的坝壳石渣料，形成砂砾石增模区，可以较好地改善心墙底部的应力条件，增强心墙顺河向的变形约束。增模区具体布置为：在竖向水平带下部增设30m长20m高范围的梯形砂砾石排水带，顶部高程为410.00m，顶部宽度3m，以坡比1∶2.0向下游放坡。增设增模区后，沥青混凝土心墙最大挠跨比约1.5%，心墙受力变形有了明显改善[1]。

3 设计控制指标

3.1 坝壳料设计指标要求

四川省水利水电勘测设计研究院有限公司在长期的对四川红层地区软岩筑坝料的试验过程中，进行了反复论证研究，提出了以压实度控制大坝填筑料而不是单一采用孔隙率控制碾压质量的理念。

金峰水库在2014年开始大坝碾压填筑，根据碾压式土石坝设计规范规定：土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料，孔隙率宜为20%～28%。本工程坝体填筑石渣料为软岩，料场天然岩石孔隙率较高，约为18%～22%，碾压后岩石破碎率较高，特别是大于5mm含量显著增加，为获得满足规范要求的孔隙率，设计按以下方法进行了孔隙率折算：因5mm以上的岩块较大程度上保留了岩块的本身密度，将5mm以上的粒径按照重量除以块体密度、5mm以下的粒径按照重量除以颗粒密度，并按各自权重计算后得到孔隙率，孔隙率在20%附近，符合规范要求。

坝壳料孔隙率计算较为繁琐，需按粒径分布进行加权计算获得，实际碾压过程中较难操作。由于石渣料有类似于土的性质，我院采用了室内表面振动器法获得石渣料对应级配的最大干密度，乘以设计要求的压实度，以此作为现场碾压控制干密度，操作简便，且符合工程实际[4- 5]。

金峰水库大坝为高坝，水库库容接近1亿m3，大坝提高一级按照2级建筑物设计，坝壳料填筑压实度按照0.98控制。

3.2 坝壳料碾压施工参数选取

金峰水库大坝坝壳料为软岩料，碾压后易破碎，根据经验碾压层厚一般小于硬岩料，碾压遍数多于硬岩料。因此，碾压试验时，碾压层厚从100cm开始逐级向下进行80cm、60cm试验，碾压遍数从8遍开始逐级增加，依次进行12遍、14遍，16遍等多组试验。

通过试验组合发现，碾压层厚在100cm和80cm情况下，均不能获得设计要求的压实度和干密度，采用碾压层厚60cm碾压时，随着碾压遍数数量增加，干密度逐步提升，在12遍和14遍附近可以获得设计需要的控制干密度，同时随着碾压遍数增加，岩石破碎率越大，大于5mm的含量可达40%以上，碾压层表层形成了明显的板结层，渗透系数可达10-5cm/s，而抗剪指标有所减少。针对此现象，设计对本工程需要获得尽可能高的抗剪指标还是压实程度进行了分析研究。

根据各种碾压遍数下的抗剪指标分析，在遍数达到一定程度(大于12遍)后，抗剪指标均能满足坝坡稳定计算要求。金峰水库作为软岩筑坝，最关心的是坝体的变形过大，从而对沥青混凝土心墙带来不利影响，因此应尽可能获得较高的压实度。根据碾压试验，碾压遍数达到16遍后，由于表层细粒料过多，出现了部分沉降回弹的现象。

因此，金峰水库的碾压参数确定为：

(1)碾压施工参数：碾压机具为22t自行式振动平碾，铺料厚度60cm，碾压遍数为静碾2遍+振碾14遍。

(2)填筑料级配及填筑要求：上坝料小于5mm含量不宜超过30%，最大粒径不超过碾压层厚，中间级配应连续；避免粗、细石渣料集中摊铺，不能形成架空或集中突起。

3.3 施工质量控制标准

大坝坝壳石渣料碾压质量采取设计指标和施工参数双控制。

碾压控制合格标准：碾压机具为22t自行式振动平碾，铺料厚度60cm，碾压遍数为静碾2遍+振碾14遍；上坝碾压后压实干密度应不小于1.90t/m3，且压实度不低于0.98。

质量检测：对现场碾压结果应按照相关规范进行抽检，并满足相关规范要求，碾压干密度检查合格率为100%。

施工时应严格控制和保障施工碾压参数，并对铺料厚度及碾压遍数做详细记录。过程记录作为质量是否合格的评判依据，绝不允许任意调整施工参数。

3.4 坝壳料含水率控制

根据室内试验结论，坝壳料获得最大干密度对应的含水率为11%±2%，而现场碾压石渣料采用的天然含水率，其范围一般在6%～9%。根据南京水利科学研究院进行的坝壳料流变和湿化变形试验，其结论为“现场碾压时适当提高含水量可减少蓄水后的湿化变形”。

加水对控制碾压密实度及减少后期湿化变形是有利的，但加水控制要求较高，需要制定严密的加水措施，并进行及时的检测，避免加水集中和过量的问题，否则加水会带来较大施工质量隐患，并影响施工进度。根据对天然含水率填筑料进行的现场检测，现场碾压干密度均达到了设计干密度。因此，设计认为通过确定的施工参数及检测指标作为碾压质量的控制要素，是能够保证坝壳料填筑质量的。

4 结论

金峰水库全断面采用软岩石渣料筑坝，设计首先查明料场分布情况，通过室内试验取得各种组合下筑坝料的物理力学参数，再进行大坝坝坡稳定计算及有限元应力应变计算，分析利用软岩料进行沥青混凝土心墙设计的适应性，以及存在的关键问题和难点，并通过计算分析对大坝分区设计进行优化。

土石坝设计指标及施工质量控制是土石坝成功的关键，金峰水库采用施工参数和设计指标双控制的要求。通过现场碾压试验确定了合适的施工参数，再通过室内试验取得各岩层最大干密度，按照压实度指标确定碾压干密度，能够有效控制碾压填筑质量。

金峰水库大坝于2020年6月填筑至坝顶，目前已蓄水高80m，大坝沥青混凝土心墙及坝壳料监测的各项数据正常，坝体最大沉降量仅66cm，较计算值偏小，证明了设计选用的设计控制指标是合适的。金峰水库大坝的设计和实施经验可为软岩填筑的沥青混凝土心墙坝提供设计参考和依据。