面板堆石坝砂卵石软基处理与坝料碾压试验研究

陈谋建，杨燮罡

(1.中国能建葛洲坝集团，武汉 430033；2.四川省都江堰水利发展中心，成都 611830)

面板堆石坝以其造价低、施工方便及受地区和气候条件限制小等优点，被广泛采用。我国已建、在建坝高30m以上面板堆石坝数量超过400余座，涉及各种不利地形、地质条件[1]。新时期面板堆石坝建设面临着超高面板坝、狭窄河谷高面板坝、深厚覆盖层筑坝等关键技术挑战[2-3]。通过大量的工程经验积累和不断的自主创新，逐步形成了我国特色的面板堆石坝筑坝技术体系。

在面板堆石坝工程施工中可能会遇到各种各样的筑坝基础，需要针对工程的实际情况，因地制宜地采用适合工程本身的基础处理办法。在覆盖层坝基上修筑土石坝，由于覆盖层中一般存在黏性土夹层、砂卵石层等，压缩性空间分布不均匀，对坝体沉降和变形不利，需采取措施提高地基变形模量[4]。对于覆盖层厚度较浅情况下，一般将堆石体地基挖至岩石界面。王启国以金沙江中游上江-其宗河段河床为研究对象，对厚砾卵石层工程地质特性开展了深入的研究[5]。坝基覆盖层处理主要有挖除法、强夯法、振冲加密法、高压旋喷桩、固结灌浆法等技术。邢建营等对比分析了固结灌浆、旋喷桩等几种坝基覆盖层处理方案在河口村面板坝中的效果，研究各坝基处理方案对坝体和防渗体接缝变形的影响。

面板堆石坝堆石料压实后应具有低压缩性、高抗剪强度以及良好的透水性能，合理的填筑标准有利于堆石体的质量控制，是满足大坝变形安全的基本保证[6-7]。现场碾压试验是确定各种填筑料合理压实参数的主要方法，研究表明主堆石料最大粒径宜为500～800 mm，小于0.075 mm含量宜控制在5%以下。李红心等开展了大渡河猴子岩水电站面板堆石坝坝料现场碾压试验，同时开展了现场原位大型直剪和载荷试验，检查堆石料碾压后抗滑稳定性和抗承载及抗变形能力，确定了填筑料的力学变形指标[8]。任强和王建魁开展了老挝南公1水电站面板堆石坝垫层料和过渡料的现场碾压试验，研究了垫层料及过渡料的干密度与碾压遍数的关系、分析了碾压后颗粒级配关系及累计沉降量[9]。邱荻锦等开展了重庆市金佛山水库面板堆石坝各坝料碾压试验，根据试验结果推荐了坝体填筑施工参数，并检测分析了坝体填筑质量控制结果[10]。王中良等开展了四川省红鱼洞水利枢纽灰岩和白云岩两种筑坝堆石料碾压试验，研究了碾压遍数及洒水对碾压效果的影响[11]。童恩飞等分析了河南省天池抽水蓄能电站下水库面板堆石坝坝料压实厚度、碾压遍数、洒水率等参数[12]。

文章依托贵州省册亨水库面板堆石坝工程，开展坝基平板荷载试验，测定砂卵石层地基变形模量，开展主要填筑坝料现场碾压试验，测定颗粒级配曲线、干密度等参数，分析不同碾压遍数的碾压效果，为砂卵石地基筑坝和坝料填筑压实参数提供依据。

1 工程概况

册亨水库工程位于贵州省黔西南州册亨县境内，拦河坝坝型采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程为739.30m，坝顶总长202.82m，最大坝高73.50m。坝址多年平均流量1.43m3/s，水库校核洪水位为738.41m，总库容为1826万m3，正常蓄水位为736.0m，兴利库容为1431.4万m3，为多年调节水库。水库工程等别属Ⅲ等，规模为中型。

图1 大坝分区典型断面图

册亨面板堆石坝典型分区断面如图1所示，其中，灰岩主堆石区3B主要布置于坝轴线上游，顶部高程为736.2m，下游面坡比为1∶0.3；在次堆石区3C与坝后块石护坡间也为主堆石区，水平宽度7.5m，坡比为1∶1.6，次堆石区3C位于主堆石区3B下游，主要布置于坝轴线下游，顶部高程728m，下游坡比1∶1.6；排水堆石区3D位于次堆石区3C下部，顶部高程675.8m，厚度约5m；过渡区3A主要位于垫层区2A下游和大坝建基面，坝前水平宽为3m，建基面厚度为1.2m；垫层区2A主要位于过渡区3A上游，水平宽3.0m，等宽布置。大坝填筑总量约81万m3。

2 砂卵石坝基处理

册亨水库枢纽工程场区区域构造稳定，地震基本烈度Ⅵ度，成库条件较好，库岸稳定。坝址基岩为灰色厚层状细砂岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩，由两种强度差异较大的岩性组成，软岩所占比例较小。为了减少河床砂卵石层开挖及回填工程量，经过现场勘查检测，工程采用软基筑坝的施工技术。保留大坝河床砂卵石基础，对基础采用局部挖槽换填和振动碾预压，再通过平板载荷试验检测法，确保河床砂卵石的地基承载力满足设计筑坝要求。

根据册亨水库工程坝基特点，软基处理首先进行河床基础表层清理，根据揭露的地质情况，有针对性的对含有淤泥的或腐殖土部位进行掏槽开挖，然后采用垫层料置换回填处理，置换回填时按垫层料施工程序进行分层摊铺并碾压密实；其次采用25t振动碾对整平后的河床基础进行预压，碾压遍数不少于10遍，其中2遍静碾，8遍以上震碾；碾压完成后，对预压过的大坝基础进行平板载荷试验检测，对基础承载力不满足设计要求的部位进行补碾，直至合格为止。

3 平板荷载试验检测

平板载荷试验的加载方式采用分级维持载荷沉降相对稳定法进行，按预估破坏荷载值分10级进行，每级加荷载值为200kPa，直到检测点发生破坏为止。试验采用PDS-JY无线静载荷试验仪进行，电脑自动控制加压、量测沉降量、判断沉降稳定等过程。每级加载后，前45min分别按照间隔10、10、10、15、15、15min观测读取沉降量，以后每隔30min读取一次沉降量，当连续2h内，每小时沉降量<0.1mm时，则可认为已经趋于稳定，可加载下一级荷载。

在河床中部进行了3组平板载荷试验，3个试验点分别为位于坝上0-024.52、坝下0+004.53和坝下0+044.53，测定结果见表1，试验测得河床砂卵石的变形模量为134～141MPa，平均值为137.3MPa。国内如浙江梅溪水库、浙江梁辉水库等工程砂卵石原型监测变形模量在100MPa左右，测定值高于设计采用的坝体变形模量130MPa。因此，本工程采用砂卵石地基筑坝技术是可行的。

表1 平板荷载试验结果

4 坝料碾压试验方案

碾压试验场地需先推平并将基础碾压坚实，以消除基础面沉降对碾压试验结果的影响。试验选择在溢洪道出部位口开阔场地进行，每一试验单元面积约为14m×20m。现场配备的试验设备主要有YZ25振动碾1台、HYC-08振动碾1台、TS06Ultra-2全站仪1套以及挖掘机、推土机、自卸汽车、洒水车等数台。

现场碾压试验参数见表2，坝料主要包括主堆石料、次堆石料、过渡层料及垫层料。洒水量对过渡料的碾压效果主要表现在两个方面：一方面，在碾压过程中洒水可以降低排水区料颗粒之间的摩擦阻力，从而有利于颗粒重新排列；另一方面，因水压的冲击作用，层面部分颗粒在水流的作用下产生移动，使得部分细颗粒产生填充效应，也能改善碾压效果。结合以往施工经验，本次现场碾压试验选取10%的洒水量。

表2 坝料碾压试验基本参数

各坝料按照设定要求碾压结束后，挖出一定的坝料进行颗粒筛分，测定并绘制颗粒级配曲线。同时，采用套环注水法测定碾压后的压实干密度，并计算孔隙率。每组试验各指标均测定3次，取平均值进行分析。

5 碾压试验结果与分析

5.1 颗粒级配曲线

各坝料碾后级配曲线与设计包络线范围如图2所示，由图可见，各坝料碾后级配曲线基本都在设计包络线范围以内，主堆石料、次堆石料、过渡层料、垫层料<0.075mm颗粒含量范围分别为0.2%～3.3%、0.4%～2.4%、2.6%～4.8%、5.7%～7.8%。不同碾压遍数试验结果表明，采用自行式振动碾碾压10遍时，即可满足设计级配要求。

(a)主堆石料; (b) 次堆石料; (c) 过渡层料; (d) 垫层料

5.2 干密度与孔隙率

影响坝料压实干密度的主要因素包括颗粒级配、最大粒径、填筑层的厚度、碾压机具的性能以及颗粒形态等。各坝料干密度和孔隙率与碾压遍数的关系见图3，从现场碾压试验结果总体可以看出：各坝料碾后干密度均随着碾压遍数的增加而增大，孔隙率随碾压遍数的增加而减小。主堆石料、次堆石料、过渡层料、垫层料经过碾压10遍后，压实干密度平均值分别为2.14 g/cm3、2.16 g/cm3、2.2 g/cm3和2.23g/cm3，均满足设计要求。

(a)干密度;(b) 孔隙率

6 结论与讨论

根据册亨面板堆石坝砂卵石地基平板载荷试验，坝基采用局部挖槽换填和振动碾预压后，实测河床砂卵石的变形模量可达到134～141MPa，可满足设计要求。坝料现场碾压试验结果表明，各坝料碾后干密度均随着碾压遍数的增加而增大，采用25t自行式振动碾碾压10遍时，颗粒级配和干密度可满足设计要求。

坝址的选择不仅仅局限在基岩条件好的地址上，基岩条件复杂、具有软弱夹层的筑坝项目逐渐增多。面板堆石坝对基础的要求较低，国内外已有大量建在砂卵石基础上面板堆石坝。在满足大坝安全的基础上，充分利用砂卵石基础，可减少石料用量，缩短工期，有利于工程实施。软基上施工同时会面临着孔压过高、变形过大、抗力过小等问题，若施工上坝速度过快，软基内的水无法及时排出，会使地基孔隙水压力升高，有效应力降低，进而导致坝体产生开裂、滑坡或者地基失稳等事故。因此，在实施过程中，还需采用基础挖槽排水等方法，降低地下水位及软基中的含水量，再通过预压使基础形成新的稳固层。