紅峰水庫面板堆石壩利用石碴料筑壩的研究

【摘要】紅峰水庫混凝土面板堆石壩最大壩高49.5m，由于用于大壩填筑的石料開采受限，而壩址附近堆放有大量石碴棄料， 部分壩體考慮采用石碴填筑。石碴筑壩的主要技術問題是石碴料用于大壩填筑的可行性問題。經對石碴料進行顆粒分析及密度等試驗，并在試驗結果基礎上開展了石碴筑壩的壩坡穩定分析、應力變形三維有限元分析、三維流變分析等，計算結果表明，大壩一定分區范圍內采用石碴填筑是可行的。

【關鍵詞】石碴筑壩；紅峰水；面板堆石壩；筑壩材料

1、工程概況

紅峰水庫壩址位于遵義市匯川區板橋鎮西北面的西流水上，工程地處婁山關景區森林公園內，距板橋集鎮8.0km，距遵義市區40km。水庫正常蓄水位1156.50m，正常蓄水位庫容96.2萬m3，總庫容111萬m3，屬小（1）型水庫。工程主要任務是向板橋集鎮供水，水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高59.5m，壩頂高程1159.50m，壩軸線長150m，壩體填筑量約40萬m3。

壩址區地層巖性主要為寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls）淺灰色至深灰色薄層為主夾中厚層白云巖、白云質灰巖。由于工程區（含石料場）地處婁山關景區，不允許大面積開采筑壩石料，為保護工程周邊生態環境、節省工程投資，考慮將壩址下游附近原崇遵高速公路建設時堆放的大量石碴料作為一部分筑壩材料。經過對石碴料進行顆粒分析及密度試驗等室內外研究，結合壩體結構設計，在試驗結果基礎上開展了大壩壩坡穩定分析、應力變形三維有限元分析、三維流變分析，優化壩體填筑材料，確定合理、充分利用石碴料筑壩的方案。

2、石碴料的基本特性

本工程石碴料為原崇遵高速公路——婁山關隧道開挖的棄渣，碴料巖性為白云巖，主要成份為碎石、塊石夾少量的粘土。根據試驗成果，石碴料中巨粒料（包括碎石、塊石）即粒徑d>60mm的含量一般在18.89%～46.32%，粗粒料即粒徑 0.075mm3、壩體斷面設計

根據面板堆石壩應力變形特點和筑壩材料性質，初步擬定大壩壩軸線上游為主堆石區范圍，壩軸線下游為石碴料填筑范圍，中間分界面以避免主堆石區出現倒懸為控制。初步擬定斷面如圖1所示。

4、壩坡穩定分析

壩坡穩定分析采用Morgenstern-Price法。經計算，在正常運用條件和兩種非常運用條件下，壩坡的抗滑穩定安全系數均高于規范規定的允許安全系數，紅峰水庫面板堆石壩的上游壩坡1：1.5、下游石碴料填筑壩坡1：2.0設計是安全可行的。

5、大壩應力變形三維有限元計算

本項目采用南京水利科學研究院巖土工程研究所自主研發的“土石結構應力固結分析程序”SCAPERS進行計算。

5.1 竣工期

竣工期壩軸線上游側壩體向上游最大位移4.1 cm；下游側壩體向下游位移最大值5.0 cm。壩體最大沉降量約25.2 cm，約占壩高的0.51%左右，該工程壩體沉降率相比于常規面板堆石壩工程較低。竣工期壩體內應力水平普遍較低，最大應力水平僅0.49 MPa，位于趾板下游側的堆石體內，上述計算結果表明，竣工期壩體堆石料的應力狀態良好，不會出現剪切破壞等現象。

5.2 蓄水期

蓄水初至蓄水未在壩體內產生顯著的位移增量，其變形現象與當前對50 m級面板堆石壩工作機理的認識相符，石碴筑壩與常規堆石筑壩在水平位移和沉降方面相當。蓄水后壩軸線上游側壩體內應力水平有所降低，整個壩體最大應力水平僅0.35 MPa，表明蓄水期壩體應力狀態良好，不會出現剪切破壞。此外，在面板垂直縫的張拉變位值計算中，面板垂直縫基本上處于壓緊狀態，最大張拉變位值為4.2 mm。由計算結果可以看出，面板周邊縫和垂直縫的三向變位較小，均在止水結構可以承受的范圍之內。

6、大壩長期應力變形分析

壩體填筑及蓄水完成后堆石體將持續發生變形（流變），堆石體流變在宏觀上表現為：高接觸應力—破碎和顆粒重新排列—應力釋放、調整和轉移的循環過程。

6.1 壩體位移

由于下游石碴料的流變量要大于主堆石料，故軸向流變位移峰值區位于石渣區的頂部，故順河向流變位移全部指向下游，且隨著高程的增加而增大，最大順河向流變位移約4.0 cm，位于河床壩段的壩頂部位。堆石料流變引起的壩體沉降也隨著高程的增加而增大，最大流變量約7.1 cm，占壩高的0.14%，亦位于河床壩段最大剖面壩頂部位。

6.2 面板變形與應力

面板變形與應力計算結果表明，盡管考慮壩料流變后面板的軸向位移和撓度以及軸向應力與順坡向應力均有所增長，但面板應力狀態始終處于較好的三向受壓條件，面板的壓應力和拉應力均未超過混凝土材料的抗壓強度和抗拉強度。

6.3 接縫變位

經計算，兩岸周邊縫剪切位移指向河谷中央，周邊縫沉陷均指向壩內，最值區仍位于右岸岸坡底部附近。左、右兩岸壩肩部位的面板垂直縫處于張拉狀態，最大張拉變位值為9.9 mm；河谷中央部位面板垂直縫處于壓緊狀態。由上述計算結果可以看出，即使考慮堆石料流變，面板周邊縫和垂直縫的三向變位值仍然較小，均在止水結構可以承受的范圍之內。

7、結語

上述分析計算成果表明，本工程面板堆石壩采用石碴料作為下游堆石區筑壩材料是安全可靠的。考慮到試驗樣品與現場施工差異性，工程實際施工中應加強筑壩材料的篩選與利用，嚴格控制上壩堆石料質量與石渣區范圍。通過對石碴料筑壩的研究與優化設計，在確保工程安全、質量的前提下，石碴料的利用，大大減少了料場開挖，消化工程棄渣約17萬m3，同時節省工程投資約500萬元，更減輕了對生態環境的影響和破壞，對類似工程設計有較好借鑒作用。

參考文獻：

[1] 南京水利科學研究院，遵義匯川區紅峰水庫工程混凝土面板堆石壩結構計算分析研究報告[R]，南京， 2016.05。

[2] 中華人民共和國水利部，混凝土面板堆石壩設計規范SL228-2013[S]， 2013-01-22發布，2013-04-22實施。

作者簡介：晏長軍（1990-）男，貴州省正安縣人，助理工程師，學士，主要從事水利水電工程設計與研究工作。