薄層砂巖及板巖互層巖石在面板堆石壩中的應用及壩體分區研究

張曉將（西北勘測設計研究院 陜西 西安 710065）

0 引言

某工程地處青藏高原偏遠地區，樞紐具有高海拔、嚴寒氣候條件、地震烈度高等特點。通過壩型經濟技術綜合比較論證研究，初步選擇混凝土面板堆石壩作為代表壩型，混凝土面板堆石壩最大壩高160m。

壩址區兩岸階地分布有大面積覆蓋層，覆蓋層上部分布有厚度較大的粉砂質粘土層，經研究粉砂質粘土具有分散性，不能滿足高壩防滲心墻土料的質量要求。粉砂質粘土層下覆有砂礫石層，但層厚較薄，儲量少，質量較差，不具備開采利用價值。總之，壩址區粘土料及砂礫石料不滿足筑壩要求。壩址區及近壩區巖性以砂巖與板巖為主，且砂巖與板巖多呈互層狀、高傾角狀分布，灰巖僅在局部有條帶狀分布。灰巖條帶開采后需要優先做為混凝土骨料使用，數量基本滿足骨料用量要求。工程塊石料質量較差，主要問題是砂巖中夾有薄層板巖，或砂巖與板巖呈互層狀，層間斷層及軟弱夾層較發育。塊石料中極薄層板巖、砂巖及斷層帶約占20%～25%，此部分巖石做為堆石料，粒徑偏細，巖性軟弱，軟化系數偏低，會對大壩的應力和變形存在影響。如果要剔除，難度大，還會造成料場開采料的利用率降低、堆石料單價提高，從而使面板堆石壩的經濟性難以體現。

1 筑壩料工程特性

1.1 筑壩料地質工程特性

料場與壩址區地層均為三疊系中上統地層，主體巖層巖性為砂巖、板巖及灰巖條帶。

灰巖（Ls）：主要分布于料場上游的灰巖條帶；巖質堅硬，灰巖單層厚度一般10～50cm 為主，中厚層狀，局部薄層狀，上游灰巖中夾有極薄層狀板巖，層狀～薄層狀結構。灰巖可作為混凝土骨料料源優先使用。

板巖（Sl）：多呈薄～極薄層狀，總體巖質中硬，局部泥質含量高的泥質板巖多呈軟弱夾層，多夾于砂巖或灰巖間，與砂巖形成互層，以單層厚度0.5～3cm 為主，當單層厚度小于0.5cm 時多為泥質板巖。由于泥質板巖層分布厚度變化大，開挖過程中難以剔除，作為壩體填筑料時亦只能用在下游堆石區，或與砂巖混合后使用。

砂巖（Ss）：砂巖多呈層狀結構、與板巖互層時呈薄層狀結構。單層厚度大的砂巖多形成厚度大的砂巖層，開采后的塊徑一般在10～40cm 間，也可分層開采，砂巖與板巖互層分布時砂巖單層厚度一般小于10cm，開采后的塊徑多在2～8cm間，亦不能分層開采，只能與板巖混合開采使用。考慮到壩體上游堆石區、墊層區等對塊徑、巖石強度的要求，建議對層厚大的砂巖層進行分層開采使用，或混合開采后有選擇地對塊徑大、強度高的料用在上游堆石區，而因與板巖相間分布而不能分層開采的砂巖混合開采后用于下游堆石區。室內巖石物理力學性質試驗成果表明，砂巖、灰巖的平均密度為2.74 g/cm3，板巖的平均密度略高，為2.76 g/cm3；單軸干抗壓強度平均值分別為灰巖55.0 MPa、砂巖88.8 MPa、板巖67.61MPa，飽和抗壓強度平均值分別為：41.0 MPa，67.0 MPa、38.44 Mpa，軟化系數平均值為0.74、0.73、0.63，砂巖為堅硬巖，灰巖和板巖屬于中硬巖，但板巖軟化系數要偏低。

1.2 筑壩料物理力學特性

為了了解筑壩材料性質、確保大壩安全和料區布設合理，并滿足設計計算分析的要求，對主要筑壩料進行相關的物理和力學性能試驗（見表1）。

表1 試驗壩料種類及填筑標準

1.2.1 滲透及滲透變形試驗

分析滲透及滲透變形試驗成果，主堆石平均級配線和上包線滲透系數值在10-2～10-1cm/s 之間，滲透性等級均屬強透水，能夠自由排水。下游堆石料平均線滲透系數值在10-2～10-1cm/s 之間，能夠自由排水，但下游堆石料上包線隨含泥量的增加，滲透系數值可減小到10-4cm/s，對壩體的自由排水有影響。

1.2.2 抗剪強度參數試驗

抗剪強度參數是反映土體抵抗剪切破壞的最大能力。本次試驗采用大型三軸儀，試驗按風干和飽和兩種狀態，依據試驗控制干密度進行制樣，試樣直徑為300mm，分5 層裝填試樣，分別在圍壓 200kPa、 600kPa、 1200kPa、 1500kPa、 2000 kPa 的情況下按照SL237-060-1999 相關要求進行試驗。

抗剪強度參數試驗成果表明，試料的飽和狀態抗剪強度比風干狀態下低，抗剪強度參數值隨板巖，特別是泥質板巖含量的增加而減小。

1.2.3 E—B 模型參數

從整個試驗資料看，各筑壩料的應力應變關系曲線無較明顯的峰值，屬應變硬化型。從強度參數值來看，風干狀態比飽和狀態下高，隨著板巖含量的增加k 值逐漸減小，說明浸水作用對該混合料影響較大。應力應變參數值總體上皆在常用數值范圍內，比較規律。

1.2.4 破碎率

試驗成果表明，總體上隨著圍壓的增大，破碎率值也逐漸增大，但在中高壓時增幅有減緩的趨勢。隨著試驗狀態的不同，飽和狀態下的破碎率比風干狀態增大，板巖含量、特別是泥質板巖含量的增加對混合料的破碎率增大有較大影響。

2 壩體分區設計

2.1 設置上游排水區的必要性分析

根據工程經驗，上游堆石區為軟巖堆石料，滲透性不能滿足自由排水要求時，應在壩體偏上游設置豎向排水區、沿底部設置水平排水區，排水區的排水能力應保證全部滲水自由地排出壩外。根據主堆石料的滲透及滲透變形試驗，其滲透系數在10-2～10-1cm/s 之間，滲透性等級屬強透水，能夠自由排水。因此，在擬定壩體分區時可以不設置上游排水區。

2.2 壩體分區方案擬定

按照上游堆石區與下游堆石區間分界線的不同初擬了4 個壩體分區方案。方案1、3 與方案2、4 的區別在于下游堆石區3C 料下游邊界的不同，方案1、3 在下游堆石區3C 料下游邊界設置主堆石3B 料進行保護，方案2、4 在下游堆石區3C 料下游邊界不設置主堆石3B 料。方案1 與方案3 以及方案2 與方案4 的區別在于上游堆石區與下游堆石區上游分界線的不同，方案1、2 上游堆石區與下游堆石區間上游分界線坡度傾向下游1: 0.2，方案3、4 上游堆石區與下游堆石區間上游分界線坡度傾向上游1:0.5。

2.3 壩料土石方平衡分析

根據對樞紐各建筑物開挖料巖性及壩體各部位對壩料質量的要求，導流洞、泄洪洞、引水洞、壩基和溢洪道開挖的弱風化下部～微風化中厚層砂巖、砂巖夾板巖及互層開挖料可用于下游堆石區。根據地質資料、料場材料試驗和混凝土試驗資料，料場開挖料利用遵循以下原則：

弱～微風化、中厚層～厚層的灰巖料用作墊層、墊層小區、過渡料；

上游堆石區料由弱～微風化、中厚層～厚層的砂巖、砂質板巖料以及剩余的灰巖料組成。

通過各方案壩體土石方填筑平衡計算，各分區方案墊層區、墊層小區使用料場開挖的灰巖料，過渡料區、下游排水區、上游堆石區使用料場開挖的砂巖、砂質板巖料，下游堆石區使用建筑物或料場開挖的灰巖、砂巖、板巖料。

方案1 有83.64 萬m3（壓實方）建筑物開挖料未能上壩，上壩量占總填筑量26.6%，利用不充分；方案2 有17.05 萬m3（壓實方）未能上壩，上壩量占總填筑量36.6%，利用較充分；方案3 有33.31 萬m3（壓實方）未能上壩，上壩量占總填筑量34.2%，利用率不如方案2；方案方案4 建筑物可利用料利用充分，全部上壩。因此，從開挖料利用率出發，壩體分區方案4 最優，方案2 較優，方案3 較差，方案1 最差。

經過壩料利用的比較，初步選定壩體分區2、3、4，下一步將針對這三個分區方案，通過壩坡穩定計算及壩體應力應變計算選定推薦分區方案。

2.4 壩坡穩定計算

通過分析壩體在自重和設計工況的外荷載作用下的抗滑穩定性，驗證壩體斷面設計的安全性和合理性，確定壩體下游堆石區是否需要用主堆石料保護。

壩坡穩定計算時選取壩體典型橫剖面進行壩坡穩定計算，計算方案采用初選的壩體分區2、3、4 進行。

壩坡穩定計算采用剛體極限平衡法。計算中時采用簡化畢肖普法、滑楔法進行有效應力法分析，運用系列滑弧法計算，求得最危險滑弧面及其最小安全系數。計算參數見表2。

各種工況下下游壩坡穩定計算結果見表3。

從以上的計算結果可以看出，無論是壩體分區3 還是壩體分區2、4，上、下游壩坡均能滿足穩定要求。為了提高開挖料利用率，初選壩體分區方案2 或4，即在下游堆石區3C 料下游邊界不設置主堆石3B 料。

2.5 壩體應力應變計算

表2 壩體填筑材料物理力學參數

表3 下游壩坡穩定最小安全系數計算成果表

通過計算分析壩體在其自重及其他外荷載作用下、在各種不同工況下的應力和變形，驗證壩體設計的安全性及合理性，確定主堆石、下游堆石區分界面位置。

壩體應力應變計算時選取壩體典型橫剖面進行，計算方案采用初選的壩體分區2、4 進行。

有限元計算采用平面非線性總應力法。其中，堆石體靜力計算模型采用Duncan E-B 模型，混凝土防滲結構及基巖采用線彈性模型，在混凝土面板和墊層之間、面板與趾板之間設置無厚度goodman單元模擬其接觸面特性。計算參數見表4。

各壩體分區方案壩體應力應變計算結果見表5。

分析以上計算結果，可以得出以下結論：

對比壩體分區2 和壩體分區4 計算結果，可以看出，壩體應力和位移分布規律基本相同，只是具體數值互有區別。竣工期壩體最大沉降分別為141cm、149cm，分別為壩高的0.88%、0.93%，蓄水期壩體最大沉降分別為145cm、154cm，分別為壩高的0.91%、0.96%，這說明隨著壩體下游堆石料分區范圍的加大，壩體沉降亦相應增大，符合壩體變形的一般規律。兩種方案下，面板撓度分別為52.8cm、54.1cm，面板撓曲率分別為0.198%、0.203%。

雖然壩體分區2 和壩體分區4 計算結果相差不大，但壩體分區2 對面板的影響較小，因此本階段推薦壩體斷面采用分區2。

表4 鄧肯模型（E-B）參數表

表5 不同壩料分區方案主要應力變形值一覽表

3 結語

本工程天然砂礫石料及粘土料缺乏，塊石料為薄層砂巖夾極薄層板巖，或薄層砂巖與薄層板巖互層狀分布，層間斷層及軟弱夾層較發育，極薄層板巖及軟弱夾層物質含量較高。依據筑壩料的特性擬定不同壩體分區方案，對壩料利用情況進行了分析研究，結論如下：

（1）根據壩料的滲透試驗成果，選用中厚層～厚層的砂巖或砂巖、砂質板巖互層巖體做主堆石料時，其滲透系數均在10-2～10-1cm/s 之間，能夠自由排水。因此，在擬定壩體分區時可以不設置上游排水區。

（2） 下游壩坡穩定計算成果表明，下游堆石區全部采用薄層砂巖或砂巖、板巖互層巖體時，壩坡穩定安全系數滿足相關規范規定。但為防止下游堆石料的繼續風化，同時提高建筑物開挖料的利用率，將巖石風化程度較低的地下洞室開挖料填筑于下游壩坡外側。

（3） 根據壩體應力應變計算成果，對于不同的主、次堆石區分界面位置，壩體最大沉降相差不大，但壩體分區2 面板撓度較小，對面板的影響較小。

（4） 在保證壩體施工期、運行期的沉降量以及面板的應力在合理范圍內的前提下，盡量將主、次堆石區分界面位置往壩體上游側靠近，以期提高開挖料利用率，做到料盡其用。經綜合比選，確定推薦壩體分區為壩體分區方案2。