西藏地区极高海拔高混凝土面板堆石坝筑坝材料适应性研究

王康柱,万克诚,王 伟,翟迎春,石 立

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

西藏地区海拔4 000 m某水电站工程开发任务为发电，水库正常蓄水位3 892.00 m，相应库容20.75亿m3，校核洪水位3 893.34 m，总库容21.07亿m3，水库死水位3 832.00 m，死水位相应库容6.18亿m3，调节库容14.57亿m3，具有年调节能力。电站装机容量1 200 MW，4台300 MW。工程规模为Ⅰ等大(1)型工程，枢纽主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高189 m。坝址区域内无活动断层，属区域构造稳定性较好地区。50年超越概率10%时的地震动峰值加速度为0.105g，100年超越概率2%时的地震动峰值加速度为0.239g，坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。

本工程为4 000 m高海拔国内外第一高混凝土面板堆石坝，筑坝材料为坝址左岸上游SF沟砂质板岩料场，砂质板岩为薄层状的中～硬岩，各向异性明显，碾压后破碎率较高，国内外用砂质板岩筑坝实例不多。因此，开展砂质板岩筑坝材料适应性研究意义重大。本文根据坝址区砂质板岩料分布及储量拟定大坝分区，针对坝体各分区筑坝材料工程特性，开展了筑坝材料密度、大型静力三轴、大型压缩、大型渗透与渗透变形、大型动力三轴、大型流变与浸水变形等试验研究，并进行三维应力变形静动力分析[1-2]，为高海拔地区混凝土面板堆石坝建设提供依据。

1 枢纽布置及坝体分区

坝址区河流平面呈“Z”型，SF沟上游流向约NE70°，下游河谷较顺直，流向近SE160°。河谷呈不对称的“U”型，横向谷。两岸岩性为灰黑色砂质板岩，薄层状，层产状变化较大，主体产状NW272°～300°倾向NE或SW∠60°～88°。河床覆盖层厚0～6 m。坝址区断层发育，但规模较小，坝轴线右岸偏上游发育一小型褶皱，受褶皱影响，岩体较破碎。

枢纽布置格局为混凝土面板堆石坝，泄水建筑物靠左岸坝肩布置，采用左岸两孔溢洪道及一孔生态泄水洞，挑流消能方式；右岸利用导流洞改建竖井泄洪洞，洞内消能方式；电站进水口布置在右岸坝肩，地面厂房位于下游坝脚部位；一条导流洞布置在右岸。趾板建基面座落于弱风化基岩上，建基高程3 711.50m，大坝最大底宽553.20 m。填筑总量为1 237.56万m3。

混凝土面板堆石坝轴线方位角NE62°1′22＂，坝顶高程3 900.50 m，坝顶宽度10 m，坝顶总长520.00 m，最大坝高189 m。坝体上游坝坡1∶1.4，上游坝坡在高程3 797.00 m以下设盖重区和上游铺盖区，顶宽分别为6 m和4 m，坡度分别为1∶2.5和1∶1.6。下游坝坡在高程3 893.00～3 740.00 m设10 m宽“之”字上坝路，大坝下游局部坡比为1∶1.4～1∶1.5，综合坡比1∶2.0。坝体分为10个区(见图1)，包括上游盖重区(1B)、上游铺盖区(1A)、垫层区(2A)、特殊垫层区(2B)、过渡区(3A)、上游堆石区(3B)、下游堆石区(3C)、排水区(3D)、反滤区(3E)和下游块石护坡区(P)。

图1 面板坝标准剖面 单位：高程，m；其他尺寸，cm

上游盖重区(1B)：作为铺盖区的保护体，同时也是上游坝坡的压重体，采用建筑物开挖石碴料分层碾压，顶高程为3 797.00 m，沿河道平铺至上游围堰。

上游铺盖区(1A)：其作用为当面板局部开裂或止水系统受损后，铺盖料随水流带进缝中，淤堵裂缝恢复防渗性能，是防渗系统的一种附加安全措施。铺盖顶高程为3 797.00 m，水平厚度4.0 m，坡比1∶1.4。料源采用采用坝址区的覆盖层粉土料，填筑量约为80.29万m3。

垫层区(2A)：主要功能是将面板承受的水压力能均匀地传递到堆石体且保证面板有良好的受力条件，为混凝土面板提供一个平整、均匀、可靠的支撑面。当面板和接缝止水开裂时，又能起到一定的限漏作用。垫层区的水平宽度由挡水水头、垫层料的渗透特性、地形条件、施工工艺和经济比较确定。国内外已建混凝土面板堆石坝的垫层宽度大多在3～4 m，考虑到本工程面板坝坝高达189.00 m，坝址区河谷狭窄，地震烈度较高，垫层料区水平厚度采用4.0 m等宽布置。垫层料应具有良好的级配、内部结构稳定或自反滤稳定要求。料源采用SF沟堆石料场微风化以下的砂质板岩、砂岩，人工轧制掺配。填筑量约为31.53万m3。

特殊垫层区(2B)：在垫层底部周边缝处设置该区是为了给底部“F”型铜止水提供比垫层更密实、均匀、平整的支撑面。当止水局部破坏出现渗漏时，能对上游防渗土料起更好的反滤淤堵作用，形成自愈型止水结构，加强垫层料对渗漏的控制。特殊垫层区的断面为梯形，厚度3 m，顶宽2 m，下游坡比1∶1。采用SF沟堆石料场微风化以下的砂质板岩、砂岩，人工轧制掺配。填筑量约为1.31万m3。

过渡区(3A)：为满足垫层区与主堆石区水力过渡而设置，水平宽度4 m，等宽布置。过渡料对垫层料具有反滤保护作用。采用SF沟堆石料场弱风化及以下的砂质板岩、砂岩料，填筑量约为60.08万m3。

上游堆石区(3B)：作为面板堆石坝的主体分区，是承受水荷载及其他荷载的主要支撑体，对坝体稳定和面板变形具有重要意义，采用SF沟堆石料场弱风化及以下的砂质板岩、砂岩料，填筑量约为706.45万m3。根据地质资料和坝料试验成果，筑坝料砂质板岩各向异性显著、碾压破碎率较高、碾压后竖向渗透性偏低。上游堆石料，在2.5 MPa围压下，18%孔隙率风干试样和饱和试样的破碎率分别为19.1%和20.9%。筑坝料总体显示围压越大、堆石料级配越粗、孔隙率越大，剪切引起的颗粒破碎率越大，试样由风干变化至饱和后，其颗粒破碎程度也相应增加。

下游堆石区(3C)：位于坝轴线下游，顶部高程3 870.00 m，底部高程3 745.00 m。采用建筑物开挖料，主要利用电站进水口、泄洪洞进出口、溢洪道等开挖料中的弱风化及以下的砂质板岩料。填筑量约为421.10万m3。

竖向及水平向排水区(3D)：排水区采用DR天然砂砾石粒径大于5 mm料作为排水区料源，顶高程至3 892.00 m，竖向排水区坡比1∶1.3，水平宽度4 m；水平排水区底高程3 740.50 m，厚4 m。排水区总填筑量约45.35万m3。

反滤区(3E)：反滤区采用砂质板岩破碎料源，位于竖向排水区上游侧，水平宽度1 m；位于水平排水区上部，厚1 m。反滤区总填筑量约25.02万m3。

下游坝面护坡(P)：下游坝坡坝面设置1 m厚的干砌块石护坡。填筑量约为11.49万m3。

2 筑坝材料的工程特性

2.1 堆石料场的选择

在坝址区及外围20 km范围，堆石料、天然砂砾料场较丰富，DR村砂石料场仅400万m3，无法满足填筑量约1 300万m3大坝填筑料，仅作为混凝土骨料料场。筑坝料主要为SF沟人工块石料场和坝址区建筑物开挖料。

SF沟堆石料场位于坝址上游SF沟内，距坝址0.9 km，料场所处SF沟两侧地形沟梁相间，基岩大多裸露，岸坡自然坡度37°～55°。岩性为薄层状砂质板岩，局部夹变质石英砂质条带，分布高程3 970.00～4 500.00 m。

SF沟料场料Ⅰ区顺沟宽约500 m，由薄层状砂质板岩夹两条变质石英砂岩条带组成，砂质板岩单层厚度2～10 cm，砂岩单层厚度30～60 cm，平洞揭露变质砂岩仅为团块状分布于表部，向山体延伸不到20 m，其相变较大。采用平行断面法初步计算，Ⅰ区有用层体积1 450万m3，无用层体积140万m3。Ⅱ区顺沟宽约700 m，由薄层状砂质板岩夹变质石英砂岩条带组成，砂岩条带厚度约20 m，砂质板岩单层厚度较Ⅰ区略厚，一般5～20 cm。有用层层体积1 900万m3，无用层体积180万m3。

建筑物开挖料主要有溢洪道、泄洪洞、引水发电系统、导流洞等，岩性及力学特性与SF沟料场料相同，弱风化及以下的砂质板岩为中硬～坚硬岩，建筑物开挖量中隧洞开挖量约为101.25万m3，石方明挖约为1 510.74万m3。

2.2 堆石料物理力学特性

(1) SF沟料场

根据钻孔、平洞揭露特征，砂质板岩为薄层状，各向异性明显，弱风化及以下的砂质板岩垂直层理方向饱和单轴抗压强度40～96 MPa，平均值为63 MPa，软化系数0.7～0.79，平均0.74；平行层理方向饱和抗压强度22～41 MPa，平均值为34 MPa，SF沟料场的砂质板岩为中硬～坚硬岩。SF沟料场弱风化变质砂岩试验，单轴饱和抗压强度62～149 MPa，平均值为92 MPa，属坚硬岩。

(2) 建筑物开挖料

根据坝址钻孔揭露及室内试验成果，砂质板岩为薄层状，各向异性特征明显，弱风化及以下的砂质板岩垂直层理方向饱和单轴抗压强度42～81 MPa，平均64.93 MPa；软化系数0.7～0.82；平行层理方向饱和单轴抗压强度22～62 MPa，平均值为40.4 MPa。坝址区开挖料砂质板岩为中硬～坚硬岩。

2.3 堆石料的排水性

南京水利科学研究院用现场SF沟石料和坝址区开挖料进行大型室内渗透实验，试验成果见表1。

表1 大型渗透系数试验结果

SF沟料场砂质板岩呈薄层状，爆破碾压后可能会出现最大粒径较小、细颗粒含量偏高的情况，上、下游堆石区设计级配小于5 mm粒径细颗粒含量达到30%。渗透试验结果显示，垫层区料渗透系数为5.83×10-4cm/s，过渡区料渗透系数为5.39×10-3cm/s，上游堆石区料渗透系数为2.14×10-2cm/s，下游堆石区料渗透系数为2.07×10-3cm/s，上、下游堆石区的透水性较差。

2.4 堆石料碾压后破碎率

本工程采用大型三轴剪切试验，对上游堆石区和下游堆石区试样试验前后，进行了筛分试验，采用马萨尔(Marsal)的破碎率 来表征不同试样在围压0.4、0.8、1.6和2.5 MPa下的颗粒破碎程度：上游堆石区18%孔隙率风干试样的破碎率分别为7.0%、11.6%、15.9%和19.1%，上游堆石区18%孔隙率饱和试样的破碎率分别为8.9%、13.1%、17.9%和20.9%，上游堆石区19%孔隙率饱和试样的破碎率分别为9.3%、13.6%、18.1%和21.2%，下游堆石区18%孔隙率风干试样的破碎率分别为4.2%、7.1%、10.6%和12.9%，下游堆石区18%孔隙率饱和试样的破碎率分别为5.5%、8.1%、11.6%和14.5%。筛分试验结果总体显示围压越大、堆石料级配越粗、孔隙率越大，剪切引起的颗粒破碎率越大，且试样由风干变化至饱和后，其颗粒破碎程度也相应增加。

2.5 堆石料设计级配及密度

2.5.1国内外面板堆石坝混合料或砂质板岩筑坝料统计分析

国内外面板堆石坝混合料或砂质板岩筑坝料见表2。

表2 国内外已建面板堆石坝混合料或砂质板岩筑坝料统计

天生桥面板坝，上游堆石为坚硬岩灰岩料，下游堆石为软～硬岩混合料，但填筑孔隙率偏大，后期沉降较大。三板溪、马来西亚Bakun面板坝上、下游堆石软～硬岩混合料，填筑孔隙率降低一些，累积沉降变形也较小。积石峡、董箐、柬埔寨南欧6级面板坝，上、下游堆石中～硬岩混合料，填筑孔隙率降低后，累积变形基本为坝高的1%，积石峡面板坝施工期进行充水预沉降，累积沉降仅为坝高的0.5%；且均设置排水区。据此统计分析，结合本工程面板坝石板岩现场试验料，上、下游堆石为中硬岩混合料，填筑孔隙率取n≤18%较为合适，需要设置排水区。

2.5.2本工程砂质板岩筑坝料设计级配及密度

(1) 垫层料区(2A和2B)

垫层料具有低压缩性、高抗剪强度、适宜的渗透性、良好的施工特性。要求级配连续，最大粒径为80～100 mm，小于5 mm的颗粒含量宜为30%～50%，小于0.075 mm的颗粒含量不宜超过3%～8%。孔隙率≤17%，γd≥2.32g/cm3，铺料厚度40 cm。

特殊垫层区料采用细垫层料，要求级配连续，最大粒径40 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量45%～60%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量5%～10%,其填筑标准同垫层料。

(2) 过渡区(3A)

过渡区位于垫层区下游，起反滤保护垫层料和粒径渐变过渡的作用。要求过渡料应连续级配，压实后应具有低压缩性和高抗剪强度，并具有自由排水性。过渡料采用SF沟堆石料场弱风化及以下的砂质板岩、砂岩或洞挖料，最大粒径300 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量为10%～30%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量3%～5%。孔隙率≤17.5%，γd≥2.31 g/cm3，铺料厚度40 cm。

(3) 上游堆石区(3B)

上游堆石区3B是大坝的主料区和主要承载结构，对坝体稳定和面板变形具有重要意义，应满足抗剪强度高、压缩性低和透水性强的要求。上游堆石料采用SF沟堆石料场弱风化及以下的砂质板岩、砂岩，最大粒径800 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量为5%～20%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量2%～5%。孔隙率≤18%，γd≥2.30g/cm3，铺料厚度80 cm。

(4) 下游堆石区(3C)

下游堆石区位于上游堆石区的下游，下游堆石区压缩性对面板变形影响不大，主要起到稳定下游坝坡的作用，因此，对该区的压缩模量要求较上游堆石区低，结合坝址区开挖料的利用，堆石料最大粒径1 000 mm，小于5 mm的颗粒含量5%～20%，小于0.075 mm的颗粒含量2%～5%。孔隙率≤18%，γd≥2.30 g/cm3，铺料厚度1 000 mm。

(5) 排水区(3D)

根据室内试验，砂质板岩碾压破碎率超过10%，渗透系数为10-2～10-3半透性，上、下游堆石区渗透性不能满足自由排水要求时，应在坝内偏上游设置竖向排水区、沿底部设置水平排水区，必要时竖向排水区上游侧可设置反滤层。排水区堆石料应坚硬、抗风化，排水区料采用DR料场砾石，最大粒径1 000 mm，最小粒径5 mm，含泥量(小于0.075 mm的颗粒)不超过1%，渗透系数k=1×100cm/s为自由排水，铺料厚度1 000 mm。

(6) 反滤区(3E)

反滤料最大粒径80 mm，最小粒径2 mm，含泥量不超过1%；其层间关系应符合反滤保护准则。孔隙率≤20%，γd≥2.24g/cm3，铺料厚度40 cm，渗透系数k=1×100cm/s为自由排水。

3 坝坡稳定性分析

本工程最大坝高189.00 m，设防地震烈度为Ⅷ度。为满足坝坡稳定、抗震稳定性要求，根据规范，结合筑坝材料特点，并通过工程类比，上游坝坡取为1∶1.4。为提高下游坝坡抗震能力，减小地震时“鞭稍”效应对坝顶附近下游坝坡的影响，高程3 853.00 m以上(约1/4坝高以上)下游坝坡采用1∶1.5，高程3 853.00 m以下局部坝坡采用1∶1.4。

坝坡稳定计算采用拟静力法(简化毕肖普法)和有限元法(时程法)进行计算。拟静力法计算结果：上、下游坝坡各工况下的稳定系数均满足规范要求，面板坝坝坡是稳定的，且有一定的安全裕度。有限元法计算结果各工况下游坝坡稳定，坝体单元不会发生剪切破坏。校核地震在大坝最大剖面下游坡安全系数随时间的变化曲线如图2所示。计算结果表明，安全系数最小值为0.730(发生在6.74 s)。校核地震安全系数小于1.0的持续时间为0.12 s，累积时间为0.52 s，安全系数小于1.0的持续时间和累积时间均很小，坝坡不会发生失稳。

图2 大坝最大剖面校核地震过程下游坝坡安全系数时程

4 坝体应力应变分析

4.1 坝体应力及变形的静力分析

本工程对垫层区、过渡区、上游堆石区、下游堆石区开展了大型三轴剪切试验，取得筑坝料参数。应力变形计算采用基于总应力法的非线性有限元方法，坝料本构模型采用非线性弹性模型和弹塑性模型，分别是Duncan E-B非线性弹性模型和沈珠江双屈服面弹塑性模型。Duncan E-B模型能较好地反映堆石料非线性、压硬性等特点，但无法反映堆石料的剪胀与剪缩。沈珠江双屈服面弹塑性模型可以反映堆石料的剪胀与剪缩，较真实地描述堆石料的应力应变关系。面板堆石坝应力应变极值汇总见表3，基本符合面板坝应力变形规律，其极值基本在已建工程经验之内。

表3 大坝应力变形极值汇总

4.2 坝体应力及变形的动力分析

本大坝选用场地谱人工合成地震波进行地震动力反应分析，在设计、校核地震作用下，大坝震陷率分别为0.22%、0.27%，符合变形控制要求；地震期面板的压应力在C30混凝土材料强度允许范围内，拉应力略有超标，通过加强配筋解决；地震期接缝变形在一般止水材料和结构适应变形范围内。

另外，根据美国联邦应急管理局标准[3]，地震时的大坝超高至少为坝体高度的3%～5%且≥3 ft(约0.9 m)，尚应考虑地震涌浪的影响。根据美国垦务局标准[4]及国内标准[5]，坝体竣工后沉降控制标准为“1 percent rule”。根据紫坪铺面板坝在汶川地震中的相对震陷量(0.64%)，考虑到水库大坝安全的重要性及公众对面板损伤的接受程度，从本文将面板堆石坝安全震陷定义为坝高的0.7%左右。对本工程而言，水库最大震陷应在130 cm左右，所以从地震永久变形角度来看，大坝的极限抗震能力为0.70g(见表4)。

表4 不同峰值加速度下大坝最大地震永久变形

4.3 蓄水期堆石湿化变形

堆石区料室内大型三轴浸水变形试验结果总体显示，当围压为2.5 MPa、应力水平为0.803 MPa时，上游堆石区料轴向湿化变形达到了3.091%、体积变形达到了1.317%、剪切变形达到了2.652%，整体而言湿化变形量较大。上游堆石区料孔隙率达到了18%，反映湿化体积变形的参数 、反映应力水平引起的剪切变形参数的数值较大，因此坝体浸水特别是下游堆石区干燥部位由于降雨等原因引起的附加湿化变形较大。所以，坝体填筑期间向堆石填筑料中洒适量的水，以有效地减少填筑料由于浸水产生的湿化变形。

4.4 运行期堆石流变

堆石区料室内大型三轴流变试验结果显示，上、下游堆石区料在孔隙率18%条件下，反映围压引起的体积流变特性参数 、剪应力引起的体积流变参数 和反映不同应力水平条件下的剪应变流变参数 的值相比同类工程要大。结合大坝坝高达到189 m，坝体附加应力较高，后期流变变形较大是本工程特点。

图3给出了最大剖面坝顶沉降发展过程线。大坝完建后，蓄水至正常蓄水位高程3 892.00 m时，坝顶最大沉降为24.7 cm，运行5 a后坝顶沉降趋于稳定，变形稳定后，坝顶最终沉降为48.2 cm，该量值约为坝高的0.26%。

图3 大坝最大剖面坝顶沉降曲线

因此，在面板施工前采取较充足的预沉降时间、并在各期面板的填筑高程与相应的已填筑的堆石体顶部高程之间预留足够的高差，以减少坝体流变变形对面板应力和变形的影响。

5 坝体渗流分析

大型室内渗流试验结果显示，垫层区料渗透系数为5.83×10-4cm/s，过渡区料渗透系数为5.39×10-3cm/s，上游堆石区料渗透系数为2.14×10-2cm/s，总体符合面板堆石坝“上防下排”的设计原则。但是对于下游堆石区料，渗透系数为2.07×10-3cm/s，透水性较差，这是由于SF沟料场砂质板岩呈薄层状，爆破碾压后可能会出现最大粒径较小、细颗粒含量偏高的情况，下游堆石区设计级配小于5 mm粒径细颗粒含量达到30%引起的。图4显示了无排水区面板止水失效工况下，大坝最大剖面水头等值线图。结果显示面板止水失效时，垫层能够起到一定的防渗作用，一定程度上降低了坝体内的水头，总体上其分布符合正常规律，但坝内浸润线在上游堆石区和下游堆石区下降趋势没有显著变化。所以，考虑到坝料实际情况，堆石区增设排水体是必要的。

图4 大坝最大剖面止水失效水头等值线 单位：高程，m

6 结 论

通过已建工程类比、筑坝料的工程特性、室内室外试验、渗透试验、三维应力应变静动力计算分析研究，形成结论如下：

(1) 在极高海拔地区建设189 m高面板坝，坝料采用砂质板岩是可行的。

(2) 大型室内实验表明，由于砂质板岩为中硬岩，但平行层和垂直层力学性能各向异性，碾压后破碎率高，小于5 mm含量超过10%，上、下游堆石区渗透系数为10-2～10-3cm/s，不能满足自由排水要求，设置排水区很有必要。

(3) 应力变形静动力分析也表明，提高填筑碾压指标、增加坝料洒水量、分期施工预留足够沉降时间、面板施工前坝前充水消除湿化变形等措施，控制大坝累积变形作用较大。

虽然堆石区填筑孔隙率≤18%合理，相比已建工程偏严格，极高海拔地区施工难度加大，还需要经过现场碾压试验进行复核验证或调整，达到经济可行的目的。