株樹橋面板堆石壩建設中幾個問題的探討

余子丹

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

株樹橋面板堆石壩采用軟弱巖石筑壩，將當地材料壩的優勢發揮到極致；采用貼坡面板，試圖構建完整的面板防滲體系，這些設計思想都具有原創性。但限于面板堆石壩發展初期認識的不徹底性，瑕疵在所難免。本文擬對該壩的壩體、壩肩變形和墊層作用問題，采用工程施工數據，對照《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL228-98）（以下簡稱《規范》）進行分析討論，試圖找出成因并提出規避措施，以期有所啟示與借鑒。

1 軟巖筑壩變形問題

株樹橋面板壩壩體變形較大，最大沉降達到1449mm，為最大壩高的1.86%，超出一般范圍。過大的變形不僅對混凝土面板、下游壩坡和壩頂L墻穩定影響明顯，同時導致兩岸周邊縫變形，造成止水破壞，引發大壩滲漏。

1.1 軟巖筑壩過大變形機理

限于工程建設條件，株樹橋面板堆石壩就地取材，采用軟弱巖石板巖作為次堆石區填筑料。這類板巖的飽和抗壓強度為（25～10）MPa，其中強風化板巖的抗壓強度為10MPa。在（0.4～0.8）MPa壓力下，微分化板巖干密度為（1.76～1.78）g/cm3時相應的壓縮模量為23MPa上下（表1）。

表1 株樹橋工程巖石壓縮實驗成果表

表2列出了幾種軟巖抗剪強度中線性指標φ（°）的比較結果。同是采用軟巖作為次堆石壩料，株樹橋采用軟巖的φ值最低。

表2 同類工程軟巖抗剪強度指標比較表

從物理力學指標可以看出，株樹橋面板壩次堆石區軟巖的巖性較差。對照《規范》中軟巖作為筑壩材料規定的飽和單軸抗壓強度30MPa的界限和較低的壓縮性的要求存在差距，這種差距是大壩產生過大變形的重要機理。斷面中強風化板巖料填筑高度從（125～162.5）m達37.5m，是大壩沉降量異常的主要原因。然而正是株樹橋的筑壩實踐，為《規范》將軟巖作為一種筑壩材料作出的規定提供了現實的依據。

1.2 軟巖筑壩變形控制措施

表1列出的板巖部分壓縮實驗成果還表明：不同類型的巖石，盡管干密度相近，但壓縮模量不同，甚至差別較大。《株樹橋水電站面板堆石壩石料補充實驗綜合報告》指出：“壓縮變形的大小與巖石的剛度有關，板巖剛度小于灰巖，故壓縮變形比灰巖大”。這里的“剛度”應是指抗壓強度。這些實驗客觀地反映了壓縮模量與巖性相關的本質。

值得注意的是，株樹橋大壩填筑過程中，控制填筑質量的主要指標是干密度。施工中對強風化板巖填筑區的23個抽樣中，最大干密度為2.22t/m3，最小為2.02t/m3，平均為2.13t/m3均超過設計指標，而對壓縮模量沒有提出要求，有控制措施上的缺失。

筆者認為針對株樹橋的情況，施工中對板巖干密度進行控制的同時，要對其風化程度即單軸抗壓強度提出更高的要求；而對強風化板巖提出飽和抗壓強度的下限指標是控制大壩變形的有效措施。

2 壩肩變形問題

2.1 壩肩產生變形的機理

株樹橋面板堆石壩右岸壩段中的L12（樁號0+ 135～0+144）為填筑料上的面板，L13（樁號0+144～153）為貼坡面板。從開挖圖上查到，在高程117.0m處，0+130的填筑料厚度為 7.5m，0+140為 3.8m，0+ 150為0，填筑厚度呈直線變化。據此推算，L12面板下的填筑厚度在（5.6～2.2）m之間。在面板0+135～0+ 150區間趾板頂高程在（109.5～117.0）m之間，表明越靠近趾板，面板下的填筑厚度越小。由此可知，L12面板被敷設在一個左大右小，上大下小梯形鍥狀的填筑料上。相似的情況也出現在左岸貼坡面板L0與填筑面板L1之間。盡管面板L1的敷設條件好于右岸，從（96.0～148.0）m高程填筑料厚度均為4.2m，但卻成了大壩面板滲漏破壞的首要部位。

究其原因是株樹橋面板堆石壩在筑壩中對于壩肩穩定的處理存在不足：一是對貼坡面板運用的認識不足。面板L1實際敷設在下部為光面巖石的“夾心餅干”上。有資料表明：“堆石與光滑巖面的抗剪強度小于堆石間的抗剪強度，堆石與巖板的內磨擦角比堆石的小8度”。與河床部位填料上的面板比較，面板L1穩定性更差。二是周邊縫特殊墊層區施工存在缺陷。首先在面板周邊縫處巖石基礎坡面到填筑料坡面的過渡區，存在填筑料厚度較小和突變現象，有發生不均勻沉降的誘因。其次異形填料區采用常規施工方法，填料密實度難以達到設計要求，極易產生超過常規的變形。這可以從對L12、L13的原觀測數據上得到佐證。J2觀測點測得的變形量一直較大。在滲漏除險工程初步完成不到兩年內，面板L12底周邊縫處又出現面板變形、止水拉裂，滲漏量重新增大的情況，直到采取特殊填料加固措施后才趨于穩定。

現行混凝土面板堆石壩施工規范（DL/T5128-2001），對“周邊縫下特殊墊層區應人工配合機械薄層攤鋪”，有每層填料攤鋪厚度不超過20cm、采用振動平板、小型振動碾、振動沖擊夯等機械壓實的具體要求。限于當時的認識與條件，株樹橋工程未對此作特殊處理。同時受地形等條件限制，周邊縫處的填筑料壓實密度可能比其它部位的指標還要低些。

2.2 減小變形的控制措施

綜上所述，要有效減少壩肩變形應特別重視兩岸的地形地質條件，當條件不符合要求時，應采取開挖、修補等工程措施，達到漸變的要求。同時在施工中采用合適的級配填筑料，采用特殊碾壓工具及方法，提高其壓實性是減少壩肩變形的有效途徑。

3 對墊層料作用的看法

對株樹橋面板堆石壩填筑的墊層料，學界存在不同的看法。有人認為：大壩墊層料中小于5mm顆粒含量僅為25.1%，最大也只有29.4%，相應滲透系數均值為6.18×10-2cm/s，達不到半透水性（10-3～10-4）cm/s的要求，因此墊層不能起到第二道防線作用。另有意見認為：大壩墊層料的Cu>40，Cc=1～3，是級配良好的材料。粗細粒組符合層間系數要求滿足內部滲透穩定條件，屬于非管涌土。但在較高水壓力作用下，仍然可能發生滲透破壞細料流失。一旦止水系統失效，半透水墊層亦不能起到第二道防滲幕的作用。兩種觀點因為對墊層的作用和要求不同，所以對所用墊層優劣的評價自然也不相同。但兩者都提到了墊層是否應該成為“第二道防線”的問題。

《規范》對此作了如下規定：“墊層區”是面板的直接支承體，向堆石體均勻傳遞壓力，并起輔助滲流控制作用。“墊層壓實后應具有內部滲透穩定性、低壓縮性、高抗剪強度，并應具有良好的施工特性”。與原導則（DL5016-93）相比，關于墊層區的要求的一個明顯變化，就是取消了滲透系數為（1×10-3～1×10-4）cm/s的要求。理由是“由于各工程對墊層料要求不同，可以采取透水或半透水墊層”。

規范規定墊層區具有“輔助滲流控制作用”的功能是有前提條件的。當面板混凝土開裂或周邊縫止水破壞，滲流水頭不高，滲量較小，滲漏時間不長時，墊層區應該發揮“輔助滲流控制作用”。而在較高水頭作用下，墊層區的滲透破壞則是不可避免的。規范更加強調墊層區對面板的支撐作用。所以對墊層料最重要的要求是應具有高壓縮模量即低壓縮性，用以直接支承面板減少變形。壩越高，對墊層料壓縮模量的要求越高。因此，墊層料應采用堅硬碎石砂料，不含粉砂，少含極細砂。通過增加墊層料中5mm以下細粒，降低墊層滲透系數的做法，將導致降低墊層的壓縮模量指標和削弱其穩定性，因而是有害無益的。

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