沙千水庫拱壩混凝土砂石骨料試驗分析與應用

申洪波,羅 鍵

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 工程概況

沙千水庫位于赤水市長興村境內的沙千河中游河段，總庫容642萬m3[1]。項目區境內出露基巖侏羅系、白堊系紅色構造地層。堆石混凝土重力拱壩填筑需要大量的砂石骨料及堆石混凝土石料，初設階段推薦在習水縣東面上洞村人工骨料場外購成品砂石骨料和壩址右岸下游老房子溝Ⅰ號石料場開采堆石料的方案，外購運距70km較遠，道路通行狀況較差，綜合成本較高且難滿足大壩填筑強度要求。工程區域內雖有10余座砌石拱壩采用當地材料砌筑且取樣檢測各項指標良好，但大多僅作為砌石塊料，而且沒有當地材料加工作為自密實混凝土砂石骨料的使用經驗。近年來，在水利水電工程建設中因混凝土骨料質量引起的停工、窩工甚至失事等事件時有發生，系統準確地質量測試分析是大壩填筑混凝土骨料料源勘察和選擇的關鍵[2- 4]。因此，本文以沙千水庫地質勘察資料為依據，對采用當地砂巖料加工大壩填筑混凝土砂石骨料的可行性、適應性和質量進行全面論證，為合理確定料源和投資成本控制提供科學依據[5- 6]，確保工程高效優質的施工建設。

2 壩址地形地質條件

水庫壩址區兩岸以陡—峻坡地形為主，岸坡地形順河流發育，地形綜合坡度50°。壩址河床及岸坡基巖多裸露，為單斜巖層，巖層產狀為緩傾上游偏左岸，為對稱性較好“V”型橫向河谷結構，河谷寬高比為2.4～2.6。壩址出露地層為白堊系上統夾關組下段(K2j1)及第四系地層。根據巖性、巖體結構及所占比例不同，將K2j1分為2層4個亞層：夾關組下段第二層K2j1-2：為磚紅色中厚至巨厚層(含鈣質)巖屑石英砂巖夾粉砂巖、泥巖等，主要分布于兩岸壩頂以上。夾關組下段第一層地層(K2j1-1)平行兩岸分布于壩址區內，根據巖性、層厚及顏色不同分為4個亞層。第四系(Q)主要為崩塌堆積、殘坡積、沖洪積等。大壩河床段基面主要坐落于中厚層巖屑石英砂巖，兩壩肩中厚層石英砂巖、粉砂巖、泥巖各層相間分布。

3 樞紐布置及筑壩材料評價

3.1 大壩樞紐布置

大壩樞紐由拱壩、泄洪表孔、取水建筑物、放空兼沖沙建筑物等組成。大壩為堆石混凝土拱壩，單圓心布置，頂拱中心角為95.69°。壩基建基面高程392.00m，壩頂高程458.00m，壩高66.0m，最大壩底厚23.0m，厚高比0.348。大壩主體采用一級配C9015堆石混凝土，上游面設厚0.5m一級配C9015自密實混凝土防滲面板，設計抗滲標準W6，抗凍等級F50泄洪表孔布置于壩頂中部，為開敞式自由泄洪方式。沙千水庫大壩樞紐布置，如圖1所示。

3.1.1區域可用當地材料

沙千水庫工程壩體部分大壩堆石混凝土約12.8萬m3。根據設計配比，堆石料：砂：碎石=6∶2.5∶1.5，即：堆石料7.68萬m3、砂3.07萬m3、碎石2.05萬m3。拱壩填筑需要量主要為砂石骨料及堆石混凝土塊石料，推薦石料場為壩址右岸下游600m的老房子溝Ⅰ號石料場。料場有用層主要為K2j1-1-1和K2j1-1-2的中厚層鈣質巖屑砂巖，總儲量23.5萬m3，有用層儲量17.5萬m3，開采率50%～60%。其物理性質試驗結果見表1。

表1 料場巖石物理性質試驗結果

從表1可知，工程區石料場巖石試驗指標均在天然建筑材料技術要求范圍內，且區域內采用相同巖性當地料已建成投運10余座砌石拱壩，最長服役50余年，取樣檢測各項指標均良好。雖當地材料已有砌石拱壩成功應用經驗，但大多僅作為砌石塊料，而對于壩體填筑自密實混凝土所需的大量砂石骨料，則無采用當地材料加工應用經驗。通過鈣質巖屑石英砂巖進行加工碎石料篩分：顆粒級配5～10mm占31.8%，10～20mm占68.1%，5～20mm占比99.9%，能滿足工程對砂石料的級配要求，但采用當地石料加工作為堆石混凝土的骨料，還需對砂巖料質量和工程適應性進行深入研究。

3.1.2砂巖料質量評價

根據《赤水市沙千水庫工程巖礦鑒定報告》，砂巖料呈紫褐色細-中粒砂狀結構，由陸源碎屑和填屑物共同組成。其中：陸源碎屑約占樣品總量75%，分布不均勻，以粒度<0.50～0.25mm中砂級為主，中砂/細砂約6/4，主要成分為石英礦物屑(45%)、巖屑(26%)、長石礦物屑(3%)及其他礦物屑(1%)組成；填屑物約占樣品總量21%，主要成分為方解石(20%)和石英(1%)。除陸源碎屑和填屑物外，其他黃鐵礦、鐵質、泥質構成，總占比約4%。

根據砂巖料成份分析，雖含可能發生堿骨料反應的物質，但沙千水庫堆石混凝土使用的自密實混凝土占比約48%，塊石占比約52%，單方堆石混凝土中混凝土用量較少，而煤灰用量高，粉煤灰摻量為53.7%。文獻[9- 11]等研究成果表明：當粉煤灰摻量大于30%時，完全可以有效抑制堿骨料反應，可將其引起的膨脹約束在規范允許范圍內。沙千水庫壩體采用一級配堆石混凝土澆筑，粗骨料(碎石)粒徑為5～20mm，碎石骨料相關參數檢測成果見表2。

圖1 堆石混凝土拱壩平面布置

表2 碎石骨料檢測質量評定表

從表2可知，各項指標均在規范允許范圍內，能滿足自密實混凝土對粗骨料的質量要求。

3.2 填筑混凝土性能參數

根據DB52/T 1545—2020《堆石混凝土拱壩技術規范》[10]中對高自密實混凝土原材料和配合比的規定，采用當地石料加工混凝土粗骨料(碎石)，室內通過不同砂率在標準養護條件獲得混凝土試件，初選并試拌確定混凝土對應的各材料用量和水灰比，與當地已實施項目混凝土配合比進行對比分析，見表3。

從表3可以看出，沙千水庫拱壩高自密實性能混凝土配合比各材料用量差異性不明顯，當地料工程適應性較好，其主要技術指標為：強度等級：C9015W6F50；坍落擴展度：650～720mm；V形漏斗通過時間：10～22s；水粉比(體積比):0.9；水泥摻量:25%；體積砂率:45%；單位體積粗骨料絕對體積:0.23m3；實測容重:22.9kN/m3；抗壓強度:21.7MPa。

4 大壩應力及穩定分析

實施階段按當地砂巖料加工堆石混凝土骨料進行大壩應力及穩定分析。按自密混凝土22.9kN/m3、埋石率52%計算得壩體容重為24.2kN/m3；堆石料以砂巖塊石為主，飽和抗壓強度>40MPa，壩體彈性模量取6.9Gpa。采用《ADAO拱壩分析與優化軟件》和三維有限元對大壩應力應變情況、壩(基)破壞模式及整體穩定進行分析，如圖2所示。

圖2 大壩三維有限元分析模型

分析成果表明：正常蓄水工況下壩體最大順河向變位-3.457cm，出現在壩頂▽458.0m高程拱冠；建基面▽392m高程順河向變位-0.368cm。設計洪水工況與校核洪水工況壩體位移規律接近，校核洪水工況下壩體最大順河向變位-3.485cm，建基面▽392m高程順河向變位-0.401cm。死水位+溫升工況下壩體最大順河向變位0.910cm，建基面▽392m高程順河向變位-0.126cm。正常蓄水位+溫降上游壩面主應力分布，如圖3所示。

表3 沙千水庫混凝土配合比與典型堆石混凝土壩配合比對比 單位:kg

從圖3可知：正常蓄水工況下，上游壩面最大主壓應力向壩體中腹部集中，極值出現在▽438m拱冠處，量值為2.03MPa；拉應力出現在上游壩面與基巖交界處，極值出現在392m高程左拱端，量值-1.06MPa。下游壩面最大主壓應力向中下部高程左右拱端集中，其中壩體最大主壓應力4.80MPa，下游壩面主拉應力極值-0.74MPa。數值分析得下游壩面左右拱端位移變化規律，如圖4所示。

從圖4可知：在超載作用下，壩體中下部高程392m至420m高程順河向位移更為顯著。拱壩超載安全系數Kp=3.8，高于規范要求(規范安全系數允許值為1.25)，壩體結構設計合理、整體安全穩定。

圖3 正常蓄水位+溫降上游壩面主應力分布(MPa)

圖4 下游壩面左右拱端位移變化規律

5 結語

通過物理性能測試、典型堆石混凝土壩配合比對比、三維有限元及應力變形分析，驗證了沙千水庫工程區采用當地砂巖料加工混凝土粗骨料，其骨料質量、儲量和填筑后大壩穩定性等均滿足規范和設計要求，且可節約運輸成本降低工程投資，經濟性好、可操作的料源問題得到了合理解決。在類似工程建設中，當可用天然建筑材料料源匱乏時，除了要深入、有序地開展項目區可用料源勘查外，還需加強復雜料源制備砂石骨料工藝技術研究，確保混凝土成品骨料的質量。