小井沟水库软岩筑混凝土面板堆石坝设计

程 丽，肖春丽

（1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川省水利规划研究院，四川 成都 610072）

混凝土面板堆石坝是水利水电工程建设的主流坝型之一[1]。为充分利用坝址区的各种材料，因材设计，岩性较软或风化程度较高的软岩也逐渐作为筑坝材料使用[2]。目前，利用软岩填筑的面板堆石坝多将软岩用于坝体的部分区域或掺入硬岩料填筑，软岩填筑占比均小于75%。小井沟工程坝址周边75km内无大型硬岩料场。坝址区料场主要为砂岩料，碾压后破碎较烈，细粒含量增多，填筑层上部易出现板结，充分体现出软岩料的特性。针对料场料源特性，从坝体分区和坝料设计展开论证，通过坝坡稳定性分析最终确定合理的坝体分区，实现了坝体堆石区全断面采用软岩填筑，软岩占比高达85.7%。工程蓄水以来沉降量、坝体渗漏正常，该设计在软岩筑高混凝土面板堆石坝方向取得了突破。

1 工程概况

小井沟水利工程坐落于四川省自贡市荣县境内的越溪河小井沟峡谷，工程开发任务是以城市供水为主，兼顾农业灌溉和环境供水等综合利用。水库正常蓄水位429.00m，死水位404.00m，总库容1.66亿m3，兴利库容1.11亿m3，本工程水库枢纽为Ⅱ等工程（大（2）型）。水库枢纽主要建筑物有：混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、右岸泄洪放空洞、左岸取水洞等。混凝土面板堆石坝等主要建筑物为2级，地震设计烈度为Ⅶ度。

挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝轴线全长255.0m，坝顶高程431.60m，河床趾板建基高程344.00m，最大坝高87.60m，坝顶宽度8.0m。坝体最大底宽约293m。大坝总填筑量约139.6万m3，其中软岩料填筑量约119.7万m3，软岩料填筑占比85.7%。小井沟混凝土面板堆石坝的特点为：大坝堆石区不分主次区，全部为软岩，占比高，为保证出现上游渗水时，渗水不至于进入软岩区，在堆石区上游及底部设置“L”型排水带。

本工程于2011年6月28日导流洞开工，2013年1月20日开始坝体填筑，2014年7月31日坝体填筑到设计高程，进入预沉降期，2015年10月1日混凝土面板开始浇筑，2016年3月开始蓄水，2018年7月通过下闸蓄水阶段验收，至今运行良好。

2 坝体分区及坝料设计考虑

2.1 料源情况

大坝坝体堆石区堆石料料源选用蚱蜢寺料场和大河坝料场，料场剥离开采后的室内试验和碾压试验表明：

1、由于砂岩抗压强度不高，湿抗压强度平均为30MPa左右，胶结类型以孔隙式为主，部分为接触式；胶结物以泥质和硅质为主，压实后破碎较大，细粒中含有一定的粘粒，因此总体渗透系数为10-3—10-4cm/s量级，属半透水性，不能满足堆石料自由排水要求。

2、从填筑场开槽和碾压试验场挖坑揭示情况来看，施工过程中的每一层铺填（厚度80cm）经过碾压后大体分为三层：①细化层，主要以小于5mm颗粒为主，约占40%—60%，层厚0—5cm不等，且不连续。细化层颗粒组成以砂粒为主，粉粒次之，含有一定粘粒。击实得到的最大干密度为1.95—1.97g/cm3；最优含水率为10.6%—10.8%。现场含水率对应的干密度为1.91—1.88g/cm3，按此条件控制直剪非饱和抗剪强度C=0.066—0.084MPa，φ=30.1°—34.1°；饱和抗剪强度C=0.010—0.018MPa，φ=27.0°—27.7°，饱和条件下的抗剪强度低于非饱和。②压碎层，最大粒径100—200mm，小于5mm颗粒含量主要范围25%—35%，厚度15—20cm不等。压实后的干密度为2.06—2.18g/cm3，说明颗粒破碎和挤密作用使其具有更高的密实度，而且具有较高的抗剪强度。③影响层（即压碎层以下），基本保持原级配，少量破碎挤密。最大粒径400—600mm，小于5mm颗粒含量为14.3%—21.0%，压实后的干密度为2.08—2.11g/cm3，压实后小于5mm含量的增量不大，因此以挤密作用为主，少量颗粒破碎，具有较高的抗剪强度。

堆石区填筑砂岩料抗压强度不高，饱和抗压强度平均为30MPa左右，碾压后小于0.075mm细颗粒增量大于20%，碾压层表面细化严重，渗透系数A×10-3—10-4cm/s，属半透水性。充分体现出软岩料压实后破碎较烈，细粒含量增多，填筑层上部易出现板结，渗透系数较小的特性，不满足堆石料排水要求。小井沟混凝土面板堆石坝除垫层料、过渡料、排水带、反滤料外，堆石区全断面采用软岩填筑。

2.2 坝体分区

上游坝坡1:1.4，高程385.00m以下为堆石盖重体，盖重体顶宽4m，面板和堆石盖重区之间设粉煤灰铺盖，水平厚1.0m，起辅助防渗作用，铺盖外部堆石对铺盖起压重保护作用，堆石体顶宽3.0m，堆石压重保护边坡为1:1.9；坝体下游坝坡1:1.5，共设两级马道，马道高程分别是401.60m和371.60，马道宽度均为4.0m，在下游坡358.80m高程以下设压脚区，压脚区顶宽20m，高于下游校核洪水位357.57m，下游坡1:2。

坝体从上游至下游分别是：上游压重、粉煤灰铺盖、C25钢筋混凝土面板、垫层料（水平厚度3m），过渡料（水平厚度3m），“L”型排水带（垂直排水带水平厚度5m、水平排水带厚5m），堆石料、下游块石堆砌、压脚区。坝体分区位置示意图1。

图1 最大坝高断面坝体分区图

2.3 坝料考虑

1、上游辅助防渗铺盖(1A)及盖重区(1B)；

上游辅助防渗铺盖采用粉煤灰。盖重区采用任意料填筑。

2、垫层区(2A)、特殊垫层区（2B）；

垫层区（2A）和特殊垫层区（2B）均采用中坝料场不连续断级配砂卵石人工破碎，饱和抗压强度大于40MPa。 垫层区（2A）最大粒径为100mm，压实后小于5mm含量30%—50%，小于0.075mm含量控制不大于8%且级配连续。垫层料压实后干密度不小于2.3g/cm3，渗透系数为A×10-2—10-4cm/s。特殊垫层区（2B）最大粒径控制为40mm，压实后小于0.075mm含量不大于8%且级配连续。

3、过渡区（3A）；

过渡料采用东风料场天然砂卵石料，饱和抗压强度大于40MPa。最大粒径控制为300mm，压实后小于5mm含量10%—20%，小于0.075mm含量不大于5%，压实后相对密度不小于0.80。过渡料压实后干密度不小于2.25g/cm3，渗透系数不小于A×10-2cm/s。

4、堆石区（3B）；

堆石区采用蚱蜢寺料场黄灰色砂岩料和大河坝料场的砂岩料填筑，最大粒径控制为800mm，压实后小于5mm含量小于15%，小于0.075mm含量不大于5%。堆石料压实后干密度不小于2.07g/cm3。

5、下游护坡（保护料）区（P区）

下游护坡（P区）采用蚱蜢寺料场有用层砂岩大块石，饱和抗压强度大于30MPa。

6、排水带

“L”型排水带采用中坝料场断级配砂卵石料，饱和抗压强度大于40MPa。 最大粒径控制为800mm，压实后小于5mm含量控制不大于10%，小于0.075mm含量不大于5%，级配连续。排水带压实后干密度不小于2.05g/cm3，渗透系数不小于A×10-2cm/s。压实后相对密度不小于0.8。

7、压脚区（3C）

本区采用蚱蜢寺料场砂岩料填筑。干密度2.00g/cm3，最大粒径控制为600mm，小于5mm含量小于20%。贴坡排水体用于排水带外侧压坡并排水，采用灰岩料。

3 坝坡稳定分析

软岩料抗压强度低，一般具有遇水易崩解、软化并产生变形的特征[3]。受到振动碾压及洒水湿化等作用，出现颗粒破碎，进而在碾压层表面产生泥化板结现象的特性。现场碾压试验成果表明：每层（80cm）碾压后，由上至下产生了0—5cm厚的细化层、15—20cm厚的压碎层、50—60cm厚的影响层，符合软岩料一般规律。综合考虑细化层对边坡稳定的影响，取细化层厚度5cm、堆石厚75cm加权平均综合参数。

坝坡稳定分析根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，采用毕肖普法进行，地震稳定性分析根据 《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）采用拟静力法进行，计算参数采用非线性指标。计算结果见表1所示。计算结果表明，上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数在静、动力情况下安全系数均满足规范要求。

表1 坝坡稳定计算成果表

4 坝体应力应变分析

面板坝坝体应力应变分析计算采用河海大学的autobank软件进行二维有限元计算，应力应变计算特征值见表2所示。竣工期、蓄水期沉降量均满足规范要求。

表2 坝体应力应变计算特征值表

5 软岩填筑的特点

软岩堆石料强度一般在15—30MPa之间，具有变异性。在外荷载作用下极易破碎、细化。软岩细化后，石料的块径变小，细颗粒含量增多，加之施工中洒水碾压的作用，软岩填筑料表面容易形成细化层。软岩施工措施不当，可能加剧异化，促使相对不透水层（板结）的形成。同时，软岩细化的变异特性，又使软岩堆石体存在可压实得比硬岩堆石体更大的密度、更小孔隙率的可能，在一定程度上补偿了软岩强度低的弱点。

软岩料填筑施工的关键：一是必须保障填筑上坝的软岩料具有较高的压实度，减少坝体在运行期间的沉降量，使大坝能够在允许的变形范围内安全运行；二是在填筑施工过程中尽量减少软岩料细化和泥化现象的产生，以提高软岩填筑料的承载能力和坝体稳定性，同时也可增大软岩填筑料渗透系数和排水能力。

软岩强度低，碾压后易破碎、渗透系数偏小[4]。碾压后每一层碾压层可分为细化层、压碎层、影响层。细化层对堆石的稳定和变形影响较大，必须进行处理。每层处理后才能进行下一层铺料，施工过程中尤其要注意对竖向排水区的专门保护。

6 大坝运行情况

大坝于2013年1月20日开始填筑，2014年7月31日填筑到顶，2015年10月1日大坝面板开始浇筑，坝体施工沉降期为14个月。2014年3月31日至2016年1月6日，观测最大累计垂直位移为53.9cm，此时位移量发展速率已逐渐减缓，约为6mm/月，变化规律正常。2016年2月开始导流洞下闸封堵改造，3月开始蓄水。自2016年3月1日至2022年4月5日，坝体最大累计沉降量为33.35cm，为坝高的0.38%，沉降率小于1%。

坝体向下游最大累计水平位移量87.5cm，沿坝轴线方向最大累计向左岸偏移51.1cm。设计在混凝土面板纵向接缝处共布设测缝计12支，面板接缝开合度最大值为靠右岸的J6测点，测值为4.36mm，相应温度为10.6℃，靠近两岸接缝开合度稍大于河床部位，接缝开合度与温度呈一定的负相关关系，观测期间面板接缝开合度处于冬季增大夏季减小的现象趋势。蓄水后在水压作用下，接缝开合度靠近河床较小，靠近两岸将逐渐增大。面板应力在允许值范围内。目前排水带运行良好，大坝下游量水堰渗漏量稳定，约7L/s。

7 结论

混凝土面板堆石坝在国内发展迅速，分布广泛，目前已建的采用软岩筑坝的面板堆石坝，软岩多布置在下游及中部次堆区，或软岩和硬岩掺配填筑。小井沟大坝为高占比软岩混凝土面板堆石高坝，除垫层料、过渡料、排水带、反滤料外，堆石区全断面采用软岩填筑，软岩填筑料占比高达85.7%，充分利用当地材料，体现了“因材设计，料尽其用”的土石坝设计基本原则。在工程设计中，针对软岩特性进行坝体结构及筑坝材料设计，并在碾压施工过程中加强质量控制，既保证了软岩筑混凝土面板堆石坝的施工及运行期的安全性，又为工程合理利用当地材料、节省工程投资创造了良好条件。目前各项监测数据表明，大坝运行状态良好，工程对软岩筑坝技术发展有重要意义，可为其他工程借鉴。