西藏地區極高海拔高混凝土面板堆石壩筑壩材料適應性研究

王康柱,萬克誠,王 偉,翟迎春,石 立

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

西藏地區海拔4 000 m某水電站工程開發任務為發電，水庫正常蓄水位3 892.00 m，相應庫容20.75億m3，校核洪水位3 893.34 m，總庫容21.07億m3，水庫死水位3 832.00 m，死水位相應庫容6.18億m3，調節庫容14.57億m3，具有年調節能力。電站裝機容量1 200 MW，4臺300 MW。工程規模為Ⅰ等大(1)型工程，樞紐主要建筑物按1級建筑物設計，次要建筑物按3級建筑物設計。大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高189 m。壩址區域內無活動斷層，屬區域構造穩定性較好地區。50年超越概率10%時的地震動峰值加速度為0.105g，100年超越概率2%時的地震動峰值加速度為0.239g，壩址區地震基本烈度為Ⅶ度。

本工程為4 000 m高海拔國內外第一高混凝土面板堆石壩，筑壩材料為壩址左岸上游SF溝砂質板巖料場，砂質板巖為薄層狀的中～硬巖，各向異性明顯，碾壓后破碎率較高，國內外用砂質板巖筑壩實例不多。因此，開展砂質板巖筑壩材料適應性研究意義重大。本文根據壩址區砂質板巖料分布及儲量擬定大壩分區，針對壩體各分區筑壩材料工程特性，開展了筑壩材料密度、大型靜力三軸、大型壓縮、大型滲透與滲透變形、大型動力三軸、大型流變與浸水變形等試驗研究，并進行三維應力變形靜動力分析[1-2]，為高海拔地區混凝土面板堆石壩建設提供依據。

1 樞紐布置及壩體分區

壩址區河流平面呈“Z”型，SF溝上游流向約NE70°，下游河谷較順直，流向近SE160°。河谷呈不對稱的“U”型，橫向谷。兩岸巖性為灰黑色砂質板巖，薄層狀，層產狀變化較大，主體產狀NW272°～300°傾向NE或SW∠60°～88°。河床覆蓋層厚0～6 m。壩址區斷層發育，但規模較小，壩軸線右岸偏上游發育一小型褶皺，受褶皺影響，巖體較破碎。

樞紐布置格局為混凝土面板堆石壩，泄水建筑物靠左岸壩肩布置，采用左岸兩孔溢洪道及一孔生態泄水洞，挑流消能方式；右岸利用導流洞改建豎井泄洪洞，洞內消能方式；電站進水口布置在右岸壩肩，地面廠房位于下游壩腳部位；一條導流洞布置在右岸。趾板建基面座落于弱風化基巖上，建基高程3 711.50m，大壩最大底寬553.20 m。填筑總量為1 237.56萬m3。

混凝土面板堆石壩軸線方位角NE62°1′22＂，壩頂高程3 900.50 m，壩頂寬度10 m，壩頂總長520.00 m，最大壩高189 m。壩體上游壩坡1∶1.4，上游壩坡在高程3 797.00 m以下設蓋重區和上游鋪蓋區，頂寬分別為6 m和4 m，坡度分別為1∶2.5和1∶1.6。下游壩坡在高程3 893.00～3 740.00 m設10 m寬“之”字上壩路，大壩下游局部坡比為1∶1.4～1∶1.5，綜合坡比1∶2.0。壩體分為10個區(見圖1)，包括上游蓋重區(1B)、上游鋪蓋區(1A)、墊層區(2A)、特殊墊層區(2B)、過渡區(3A)、上游堆石區(3B)、下游堆石區(3C)、排水區(3D)、反濾區(3E)和下游塊石護坡區(P)。

圖1 面板壩標準剖面 單位：高程，m；其他尺寸，cm

上游蓋重區(1B)：作為鋪蓋區的保護體，同時也是上游壩坡的壓重體，采用建筑物開挖石碴料分層碾壓，頂高程為3 797.00 m，沿河道平鋪至上游圍堰。

上游鋪蓋區(1A)：其作用為當面板局部開裂或止水系統受損后，鋪蓋料隨水流帶進縫中，淤堵裂縫恢復防滲性能，是防滲系統的一種附加安全措施。鋪蓋頂高程為3 797.00 m，水平厚度4.0 m，坡比1∶1.4。料源采用采用壩址區的覆蓋層粉土料，填筑量約為80.29萬m3。

墊層區(2A)：主要功能是將面板承受的水壓力能均勻地傳遞到堆石體且保證面板有良好的受力條件，為混凝土面板提供一個平整、均勻、可靠的支撐面。當面板和接縫止水開裂時，又能起到一定的限漏作用。墊層區的水平寬度由擋水水頭、墊層料的滲透特性、地形條件、施工工藝和經濟比較確定。國內外已建混凝土面板堆石壩的墊層寬度大多在3～4 m，考慮到本工程面板壩壩高達189.00 m，壩址區河谷狹窄，地震烈度較高，墊層料區水平厚度采用4.0 m等寬布置。墊層料應具有良好的級配、內部結構穩定或自反濾穩定要求。料源采用SF溝堆石料場微風化以下的砂質板巖、砂巖，人工軋制摻配。填筑量約為31.53萬m3。

特殊墊層區(2B)：在墊層底部周邊縫處設置該區是為了給底部“F”型銅止水提供比墊層更密實、均勻、平整的支撐面。當止水局部破壞出現滲漏時，能對上游防滲土料起更好的反濾淤堵作用，形成自愈型止水結構，加強墊層料對滲漏的控制。特殊墊層區的斷面為梯形，厚度3 m，頂寬2 m，下游坡比1∶1。采用SF溝堆石料場微風化以下的砂質板巖、砂巖，人工軋制摻配。填筑量約為1.31萬m3。

過渡區(3A)：為滿足墊層區與主堆石區水力過渡而設置，水平寬度4 m，等寬布置。過渡料對墊層料具有反濾保護作用。采用SF溝堆石料場弱風化及以下的砂質板巖、砂巖料，填筑量約為60.08萬m3。

上游堆石區(3B)：作為面板堆石壩的主體分區，是承受水荷載及其他荷載的主要支撐體，對壩體穩定和面板變形具有重要意義，采用SF溝堆石料場弱風化及以下的砂質板巖、砂巖料，填筑量約為706.45萬m3。根據地質資料和壩料試驗成果，筑壩料砂質板巖各向異性顯著、碾壓破碎率較高、碾壓后豎向滲透性偏低。上游堆石料，在2.5 MPa圍壓下，18%孔隙率風干試樣和飽和試樣的破碎率分別為19.1%和20.9%。筑壩料總體顯示圍壓越大、堆石料級配越粗、孔隙率越大，剪切引起的顆粒破碎率越大，試樣由風干變化至飽和后，其顆粒破碎程度也相應增加。

下游堆石區(3C)：位于壩軸線下游，頂部高程3 870.00 m，底部高程3 745.00 m。采用建筑物開挖料，主要利用電站進水口、泄洪洞進出口、溢洪道等開挖料中的弱風化及以下的砂質板巖料。填筑量約為421.10萬m3。

豎向及水平向排水區(3D)：排水區采用DR天然砂礫石粒徑大于5 mm料作為排水區料源，頂高程至3 892.00 m，豎向排水區坡比1∶1.3，水平寬度4 m；水平排水區底高程3 740.50 m，厚4 m。排水區總填筑量約45.35萬m3。

反濾區(3E)：反濾區采用砂質板巖破碎料源，位于豎向排水區上游側，水平寬度1 m；位于水平排水區上部，厚1 m。反濾區總填筑量約25.02萬m3。

下游壩面護坡(P)：下游壩坡壩面設置1 m厚的干砌塊石護坡。填筑量約為11.49萬m3。

2 筑壩材料的工程特性

2.1 堆石料場的選擇

在壩址區及外圍20 km范圍，堆石料、天然砂礫料場較豐富，DR村砂石料場僅400萬m3，無法滿足填筑量約1 300萬m3大壩填筑料，僅作為混凝土骨料料場。筑壩料主要為SF溝人工塊石料場和壩址區建筑物開挖料。

SF溝堆石料場位于壩址上游SF溝內，距壩址0.9 km，料場所處SF溝兩側地形溝梁相間，基巖大多裸露，岸坡自然坡度37°～55°。巖性為薄層狀砂質板巖，局部夾變質石英砂質條帶，分布高程3 970.00～4 500.00 m。

SF溝料場料Ⅰ區順溝寬約500 m，由薄層狀砂質板巖夾兩條變質石英砂巖條帶組成，砂質板巖單層厚度2～10 cm，砂巖單層厚度30～60 cm，平洞揭露變質砂巖僅為團塊狀分布于表部，向山體延伸不到20 m，其相變較大。采用平行斷面法初步計算，Ⅰ區有用層體積1 450萬m3，無用層體積140萬m3。Ⅱ區順溝寬約700 m，由薄層狀砂質板巖夾變質石英砂巖條帶組成，砂巖條帶厚度約20 m，砂質板巖單層厚度較Ⅰ區略厚，一般5～20 cm。有用層層體積1 900萬m3，無用層體積180萬m3。

建筑物開挖料主要有溢洪道、泄洪洞、引水發電系統、導流洞等，巖性及力學特性與SF溝料場料相同，弱風化及以下的砂質板巖為中硬～堅硬巖，建筑物開挖量中隧洞開挖量約為101.25萬m3，石方明挖約為1 510.74萬m3。

2.2 堆石料物理力學特性

(1) SF溝料場

根據鉆孔、平洞揭露特征，砂質板巖為薄層狀，各向異性明顯，弱風化及以下的砂質板巖垂直層理方向飽和單軸抗壓強度40～96 MPa，平均值為63 MPa，軟化系數0.7～0.79，平均0.74；平行層理方向飽和抗壓強度22～41 MPa，平均值為34 MPa，SF溝料場的砂質板巖為中硬～堅硬巖。SF溝料場弱風化變質砂巖試驗，單軸飽和抗壓強度62～149 MPa，平均值為92 MPa，屬堅硬巖。

(2) 建筑物開挖料

根據壩址鉆孔揭露及室內試驗成果，砂質板巖為薄層狀，各向異性特征明顯，弱風化及以下的砂質板巖垂直層理方向飽和單軸抗壓強度42～81 MPa，平均64.93 MPa；軟化系數0.7～0.82；平行層理方向飽和單軸抗壓強度22～62 MPa，平均值為40.4 MPa。壩址區開挖料砂質板巖為中硬～堅硬巖。

2.3 堆石料的排水性

南京水利科學研究院用現場SF溝石料和壩址區開挖料進行大型室內滲透實驗，試驗成果見表1。

表1 大型滲透系數試驗結果

SF溝料場砂質板巖呈薄層狀，爆破碾壓后可能會出現最大粒徑較小、細顆粒含量偏高的情況，上、下游堆石區設計級配小于5 mm粒徑細顆粒含量達到30%。滲透試驗結果顯示，墊層區料滲透系數為5.83×10-4cm/s，過渡區料滲透系數為5.39×10-3cm/s，上游堆石區料滲透系數為2.14×10-2cm/s，下游堆石區料滲透系數為2.07×10-3cm/s，上、下游堆石區的透水性較差。

2.4 堆石料碾壓后破碎率

本工程采用大型三軸剪切試驗，對上游堆石區和下游堆石區試樣試驗前后，進行了篩分試驗，采用馬薩爾(Marsal)的破碎率 來表征不同試樣在圍壓0.4、0.8、1.6和2.5 MPa下的顆粒破碎程度：上游堆石區18%孔隙率風干試樣的破碎率分別為7.0%、11.6%、15.9%和19.1%，上游堆石區18%孔隙率飽和試樣的破碎率分別為8.9%、13.1%、17.9%和20.9%，上游堆石區19%孔隙率飽和試樣的破碎率分別為9.3%、13.6%、18.1%和21.2%，下游堆石區18%孔隙率風干試樣的破碎率分別為4.2%、7.1%、10.6%和12.9%，下游堆石區18%孔隙率飽和試樣的破碎率分別為5.5%、8.1%、11.6%和14.5%。篩分試驗結果總體顯示圍壓越大、堆石料級配越粗、孔隙率越大，剪切引起的顆粒破碎率越大，且試樣由風干變化至飽和后，其顆粒破碎程度也相應增加。

2.5 堆石料設計級配及密度

2.5.1國內外面板堆石壩混合料或砂質板巖筑壩料統計分析

國內外面板堆石壩混合料或砂質板巖筑壩料見表2。

表2 國內外已建面板堆石壩混合料或砂質板巖筑壩料統計

天生橋面板壩，上游堆石為堅硬巖灰巖料，下游堆石為軟～硬巖混合料，但填筑孔隙率偏大，后期沉降較大。三板溪、馬來西亞Bakun面板壩上、下游堆石軟～硬巖混合料，填筑孔隙率降低一些，累積沉降變形也較小。積石峽、董箐、柬埔寨南歐6級面板壩，上、下游堆石中～硬巖混合料，填筑孔隙率降低后，累積變形基本為壩高的1%，積石峽面板壩施工期進行充水預沉降，累積沉降僅為壩高的0.5%；且均設置排水區。據此統計分析，結合本工程面板壩石板巖現場試驗料，上、下游堆石為中硬巖混合料，填筑孔隙率取n≤18%較為合適，需要設置排水區。

2.5.2本工程砂質板巖筑壩料設計級配及密度

(1) 墊層料區(2A和2B)

墊層料具有低壓縮性、高抗剪強度、適宜的滲透性、良好的施工特性。要求級配連續，最大粒徑為80～100 mm，小于5 mm的顆粒含量宜為30%～50%，小于0.075 mm的顆粒含量不宜超過3%～8%。孔隙率≤17%，γd≥2.32g/cm3，鋪料厚度40 cm。

特殊墊層區料采用細墊層料，要求級配連續，最大粒徑40 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量45%～60%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量5%～10%,其填筑標準同墊層料。

(2) 過渡區(3A)

過渡區位于墊層區下游，起反濾保護墊層料和粒徑漸變過渡的作用。要求過渡料應連續級配，壓實后應具有低壓縮性和高抗剪強度，并具有自由排水性。過渡料采用SF溝堆石料場弱風化及以下的砂質板巖、砂巖或洞挖料，最大粒徑300 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量為10%～30%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量3%～5%。孔隙率≤17.5%，γd≥2.31 g/cm3，鋪料厚度40 cm。

(3) 上游堆石區(3B)

上游堆石區3B是大壩的主料區和主要承載結構，對壩體穩定和面板變形具有重要意義，應滿足抗剪強度高、壓縮性低和透水性強的要求。上游堆石料采用SF溝堆石料場弱風化及以下的砂質板巖、砂巖，最大粒徑800 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量為5%～20%，粒徑小于0.075 mm的顆粒含量2%～5%。孔隙率≤18%，γd≥2.30g/cm3，鋪料厚度80 cm。

(4) 下游堆石區(3C)

下游堆石區位于上游堆石區的下游，下游堆石區壓縮性對面板變形影響不大，主要起到穩定下游壩坡的作用，因此，對該區的壓縮模量要求較上游堆石區低，結合壩址區開挖料的利用，堆石料最大粒徑1 000 mm，小于5 mm的顆粒含量5%～20%，小于0.075 mm的顆粒含量2%～5%。孔隙率≤18%，γd≥2.30 g/cm3，鋪料厚度1 000 mm。

(5) 排水區(3D)

根據室內試驗，砂質板巖碾壓破碎率超過10%，滲透系數為10-2～10-3半透性，上、下游堆石區滲透性不能滿足自由排水要求時，應在壩內偏上游設置豎向排水區、沿底部設置水平排水區，必要時豎向排水區上游側可設置反濾層。排水區堆石料應堅硬、抗風化，排水區料采用DR料場礫石，最大粒徑1 000 mm，最小粒徑5 mm，含泥量(小于0.075 mm的顆粒)不超過1%，滲透系數k=1×100cm/s為自由排水，鋪料厚度1 000 mm。

(6) 反濾區(3E)

反濾料最大粒徑80 mm，最小粒徑2 mm，含泥量不超過1%；其層間關系應符合反濾保護準則。孔隙率≤20%，γd≥2.24g/cm3，鋪料厚度40 cm，滲透系數k=1×100cm/s為自由排水。

3 壩坡穩定性分析

本工程最大壩高189.00 m，設防地震烈度為Ⅷ度。為滿足壩坡穩定、抗震穩定性要求，根據規范，結合筑壩材料特點，并通過工程類比，上游壩坡取為1∶1.4。為提高下游壩坡抗震能力，減小地震時“鞭稍”效應對壩頂附近下游壩坡的影響，高程3 853.00 m以上(約1/4壩高以上)下游壩坡采用1∶1.5，高程3 853.00 m以下局部壩坡采用1∶1.4。

壩坡穩定計算采用擬靜力法(簡化畢肖普法)和有限元法(時程法)進行計算。擬靜力法計算結果：上、下游壩坡各工況下的穩定系數均滿足規范要求，面板壩壩坡是穩定的，且有一定的安全裕度。有限元法計算結果各工況下游壩坡穩定，壩體單元不會發生剪切破壞。校核地震在大壩最大剖面下游坡安全系數隨時間的變化曲線如圖2所示。計算結果表明，安全系數最小值為0.730(發生在6.74 s)。校核地震安全系數小于1.0的持續時間為0.12 s，累積時間為0.52 s，安全系數小于1.0的持續時間和累積時間均很小，壩坡不會發生失穩。

圖2 大壩最大剖面校核地震過程下游壩坡安全系數時程

4 壩體應力應變分析

4.1 壩體應力及變形的靜力分析

本工程對墊層區、過渡區、上游堆石區、下游堆石區開展了大型三軸剪切試驗，取得筑壩料參數。應力變形計算采用基于總應力法的非線性有限元方法，壩料本構模型采用非線性彈性模型和彈塑性模型，分別是Duncan E-B非線性彈性模型和沈珠江雙屈服面彈塑性模型。Duncan E-B模型能較好地反映堆石料非線性、壓硬性等特點，但無法反映堆石料的剪脹與剪縮。沈珠江雙屈服面彈塑性模型可以反映堆石料的剪脹與剪縮，較真實地描述堆石料的應力應變關系。面板堆石壩應力應變極值匯總見表3，基本符合面板壩應力變形規律，其極值基本在已建工程經驗之內。

表3 大壩應力變形極值匯總

4.2 壩體應力及變形的動力分析

本大壩選用場地譜人工合成地震波進行地震動力反應分析，在設計、校核地震作用下，大壩震陷率分別為0.22%、0.27%，符合變形控制要求；地震期面板的壓應力在C30混凝土材料強度允許范圍內，拉應力略有超標，通過加強配筋解決；地震期接縫變形在一般止水材料和結構適應變形范圍內。

另外，根據美國聯邦應急管理局標準[3]，地震時的大壩超高至少為壩體高度的3%～5%且≥3 ft(約0.9 m)，尚應考慮地震涌浪的影響。根據美國墾務局標準[4]及國內標準[5]，壩體竣工后沉降控制標準為“1 percent rule”。根據紫坪鋪面板壩在汶川地震中的相對震陷量(0.64%)，考慮到水庫大壩安全的重要性及公眾對面板損傷的接受程度，從本文將面板堆石壩安全震陷定義為壩高的0.7%左右。對本工程而言，水庫最大震陷應在130 cm左右，所以從地震永久變形角度來看，大壩的極限抗震能力為0.70g(見表4)。

表4 不同峰值加速度下大壩最大地震永久變形

4.3 蓄水期堆石濕化變形

堆石區料室內大型三軸浸水變形試驗結果總體顯示，當圍壓為2.5 MPa、應力水平為0.803 MPa時，上游堆石區料軸向濕化變形達到了3.091%、體積變形達到了1.317%、剪切變形達到了2.652%，整體而言濕化變形量較大。上游堆石區料孔隙率達到了18%，反映濕化體積變形的參數 、反映應力水平引起的剪切變形參數的數值較大，因此壩體浸水特別是下游堆石區干燥部位由于降雨等原因引起的附加濕化變形較大。所以，壩體填筑期間向堆石填筑料中灑適量的水，以有效地減少填筑料由于浸水產生的濕化變形。

4.4 運行期堆石流變

堆石區料室內大型三軸流變試驗結果顯示，上、下游堆石區料在孔隙率18%條件下，反映圍壓引起的體積流變特性參數 、剪應力引起的體積流變參數 和反映不同應力水平條件下的剪應變流變參數 的值相比同類工程要大。結合大壩壩高達到189 m，壩體附加應力較高，后期流變變形較大是本工程特點。

圖3給出了最大剖面壩頂沉降發展過程線。大壩完建后，蓄水至正常蓄水位高程3 892.00 m時，壩頂最大沉降為24.7 cm，運行5 a后壩頂沉降趨于穩定，變形穩定后，壩頂最終沉降為48.2 cm，該量值約為壩高的0.26%。

圖3 大壩最大剖面壩頂沉降曲線

因此，在面板施工前采取較充足的預沉降時間、并在各期面板的填筑高程與相應的已填筑的堆石體頂部高程之間預留足夠的高差，以減少壩體流變變形對面板應力和變形的影響。

5 壩體滲流分析

大型室內滲流試驗結果顯示，墊層區料滲透系數為5.83×10-4cm/s，過渡區料滲透系數為5.39×10-3cm/s，上游堆石區料滲透系數為2.14×10-2cm/s，總體符合面板堆石壩“上防下排”的設計原則。但是對于下游堆石區料，滲透系數為2.07×10-3cm/s，透水性較差，這是由于SF溝料場砂質板巖呈薄層狀，爆破碾壓后可能會出現最大粒徑較小、細顆粒含量偏高的情況，下游堆石區設計級配小于5 mm粒徑細顆粒含量達到30%引起的。圖4顯示了無排水區面板止水失效工況下，大壩最大剖面水頭等值線圖。結果顯示面板止水失效時，墊層能夠起到一定的防滲作用，一定程度上降低了壩體內的水頭，總體上其分布符合正常規律，但壩內浸潤線在上游堆石區和下游堆石區下降趨勢沒有顯著變化。所以，考慮到壩料實際情況，堆石區增設排水體是必要的。

圖4 大壩最大剖面止水失效水頭等值線 單位：高程，m

6 結 論

通過已建工程類比、筑壩料的工程特性、室內室外試驗、滲透試驗、三維應力應變靜動力計算分析研究，形成結論如下：

(1) 在極高海拔地區建設189 m高面板壩，壩料采用砂質板巖是可行的。

(2) 大型室內實驗表明，由于砂質板巖為中硬巖，但平行層和垂直層力學性能各向異性，碾壓后破碎率高，小于5 mm含量超過10%，上、下游堆石區滲透系數為10-2～10-3cm/s，不能滿足自由排水要求，設置排水區很有必要。

(3) 應力變形靜動力分析也表明，提高填筑碾壓指標、增加壩料灑水量、分期施工預留足夠沉降時間、面板施工前壩前充水消除濕化變形等措施，控制大壩累積變形作用較大。

雖然堆石區填筑孔隙率≤18%合理，相比已建工程偏嚴格，極高海拔地區施工難度加大，還需要經過現場碾壓試驗進行復核驗證或調整，達到經濟可行的目的。