陳謀建，楊燮罡

(1.中國(guó)能建葛洲壩集團(tuán)，武漢 430033；2.四川省都江堰水利發(fā)展中心，成都 611830)

面板堆石壩以其造價(jià)低、施工方便及受地區(qū)和氣候條件限制小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。我國(guó)已建、在建壩高30m以上面板堆石壩數(shù)量超過(guò)400余座，涉及各種不利地形、地質(zhì)條件[1]。新時(shí)期面板堆石壩建設(shè)面臨著超高面板壩、狹窄河谷高面板壩、深厚覆蓋層筑壩等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)[2-3]。通過(guò)大量的工程經(jīng)驗(yàn)積累和不斷的自主創(chuàng)新，逐步形成了我國(guó)特色的面板堆石壩筑壩技術(shù)體系。

在面板堆石壩工程施工中可能會(huì)遇到各種各樣的筑壩基礎(chǔ)，需要針對(duì)工程的實(shí)際情況，因地制宜地采用適合工程本身的基礎(chǔ)處理辦法。在覆蓋層壩基上修筑土石壩，由于覆蓋層中一般存在黏性土夾層、砂卵石層等，壓縮性空間分布不均勻，對(duì)壩體沉降和變形不利，需采取措施提高地基變形模量[4]。對(duì)于覆蓋層厚度較淺情況下，一般將堆石體地基挖至巖石界面。王啟國(guó)以金沙江中游上江-其宗河段河床為研究對(duì)象，對(duì)厚礫卵石層工程地質(zhì)特性開(kāi)展了深入的研究[5]。壩基覆蓋層處理主要有挖除法、強(qiáng)夯法、振沖加密法、高壓旋噴樁、固結(jié)灌漿法等技術(shù)。邢建營(yíng)等對(duì)比分析了固結(jié)灌漿、旋噴樁等幾種壩基覆蓋層處理方案在河口村面板壩中的效果，研究各壩基處理方案對(duì)壩體和防滲體接縫變形的影響。

面板堆石壩堆石料壓實(shí)后應(yīng)具有低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度以及良好的透水性能，合理的填筑標(biāo)準(zhǔn)有利于堆石體的質(zhì)量控制，是滿足大壩變形安全的基本保證[6-7]?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)是確定各種填筑料合理壓實(shí)參數(shù)的主要方法，研究表明主堆石料最大粒徑宜為500～800 mm，小于0.075 mm含量宜控制在5%以下。李紅心等開(kāi)展了大渡河猴子巖水電站面板堆石壩壩料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)原位大型直剪和載荷試驗(yàn)，檢查堆石料碾壓后抗滑穩(wěn)定性和抗承載及抗變形能力，確定了填筑料的力學(xué)變形指標(biāo)[8]。任強(qiáng)和王建魁開(kāi)展了老撾南公1水電站面板堆石壩墊層料和過(guò)渡料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，研究了墊層料及過(guò)渡料的干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系、分析了碾壓后顆粒級(jí)配關(guān)系及累計(jì)沉降量[9]。邱荻錦等開(kāi)展了重慶市金佛山水庫(kù)面板堆石壩各壩料碾壓試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推薦了壩體填筑施工參數(shù)，并檢測(cè)分析了壩體填筑質(zhì)量控制結(jié)果[10]。王中良等開(kāi)展了四川省紅魚(yú)洞水利樞紐灰?guī)r和白云巖兩種筑壩堆石料碾壓試驗(yàn)，研究了碾壓遍數(shù)及灑水對(duì)碾壓效果的影響[11]。童恩飛等分析了河南省天池抽水蓄能電站下水庫(kù)面板堆石壩壩料壓實(shí)厚度、碾壓遍數(shù)、灑水率等參數(shù)[12]。

文章依托貴州省冊(cè)亨水庫(kù)面板堆石壩工程，開(kāi)展壩基平板荷載試驗(yàn)，測(cè)定砂卵石層地基變形模量，開(kāi)展主要填筑壩料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，測(cè)定顆粒級(jí)配曲線、干密度等參數(shù)，分析不同碾壓遍數(shù)的碾壓效果，為砂卵石地基筑壩和壩料填筑壓實(shí)參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

冊(cè)亨水庫(kù)工程位于貴州省黔西南州冊(cè)亨縣境內(nèi)，攔河壩壩型采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程為739.30m，壩頂總長(zhǎng)202.82m，最大壩高73.50m。壩址多年平均流量1.43m3/s，水庫(kù)校核洪水位為738.41m，總庫(kù)容為1826萬(wàn)m3，正常蓄水位為736.0m，興利庫(kù)容為1431.4萬(wàn)m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。水庫(kù)工程等別屬Ⅲ等，規(guī)模為中型。

圖1 大壩分區(qū)典型斷面圖

冊(cè)亨面板堆石壩典型分區(qū)斷面如圖1所示，其中，灰?guī)r主堆石區(qū)3B主要布置于壩軸線上游，頂部高程為736.2m，下游面坡比為1∶0.3；在次堆石區(qū)3C與壩后塊石護(hù)坡間也為主堆石區(qū)，水平寬度7.5m，坡比為1∶1.6，次堆石區(qū)3C位于主堆石區(qū)3B下游，主要布置于壩軸線下游，頂部高程728m，下游坡比1∶1.6；排水堆石區(qū)3D位于次堆石區(qū)3C下部，頂部高程675.8m，厚度約5m；過(guò)渡區(qū)3A主要位于墊層區(qū)2A下游和大壩建基面，壩前水平寬為3m，建基面厚度為1.2m；墊層區(qū)2A主要位于過(guò)渡區(qū)3A上游，水平寬3.0m，等寬布置。大壩填筑總量約81萬(wàn)m3。

2 砂卵石壩基處理

冊(cè)亨水庫(kù)樞紐工程場(chǎng)區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度Ⅵ度，成庫(kù)條件較好，庫(kù)岸穩(wěn)定。壩址基巖為灰色厚層狀細(xì)砂巖夾粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，由兩種強(qiáng)度差異較大的巖性組成，軟巖所占比例較小。為了減少河床砂卵石層開(kāi)挖及回填工程量，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查檢測(cè)，工程采用軟基筑壩的施工技術(shù)。保留大壩河床砂卵石基礎(chǔ)，對(duì)基礎(chǔ)采用局部挖槽換填和振動(dòng)碾預(yù)壓，再通過(guò)平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)法，確保河床砂卵石的地基承載力滿足設(shè)計(jì)筑壩要求。

根據(jù)冊(cè)亨水庫(kù)工程壩基特點(diǎn)，軟基處理首先進(jìn)行河床基礎(chǔ)表層清理，根據(jù)揭露的地質(zhì)情況，有針對(duì)性的對(duì)含有淤泥的或腐殖土部位進(jìn)行掏槽開(kāi)挖，然后采用墊層料置換回填處理，置換回填時(shí)按墊層料施工程序進(jìn)行分層攤鋪并碾壓密實(shí)；其次采用25t振動(dòng)碾對(duì)整平后的河床基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)壓，碾壓遍數(shù)不少于10遍，其中2遍靜碾，8遍以上震碾；碾壓完成后，對(duì)預(yù)壓過(guò)的大壩基礎(chǔ)進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)基礎(chǔ)承載力不滿足設(shè)計(jì)要求的部位進(jìn)行補(bǔ)碾，直至合格為止。

3 平板荷載試驗(yàn)檢測(cè)

平板載荷試驗(yàn)的加載方式采用分級(jí)維持載荷沉降相對(duì)穩(wěn)定法進(jìn)行，按預(yù)估破壞荷載值分10級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加荷載值為200kPa，直到檢測(cè)點(diǎn)發(fā)生破壞為止。試驗(yàn)采用PDS-JY無(wú)線靜載荷試驗(yàn)儀進(jìn)行，電腦自動(dòng)控制加壓、量測(cè)沉降量、判斷沉降穩(wěn)定等過(guò)程。每級(jí)加載后，前45min分別按照間隔10、10、10、15、15、15min觀測(cè)讀取沉降量，以后每隔30min讀取一次沉降量，當(dāng)連續(xù)2h內(nèi)，每小時(shí)沉降量<0.1mm時(shí)，則可認(rèn)為已經(jīng)趨于穩(wěn)定，可加載下一級(jí)荷載。

在河床中部進(jìn)行了3組平板載荷試驗(yàn)，3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別為位于壩上0-024.52、壩下0+004.53和壩下0+044.53，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，試驗(yàn)測(cè)得河床砂卵石的變形模量為134～141MPa，平均值為137.3MPa。國(guó)內(nèi)如浙江梅溪水庫(kù)、浙江梁輝水庫(kù)等工程砂卵石原型監(jiān)測(cè)變形模量在100MPa左右，測(cè)定值高于設(shè)計(jì)采用的壩體變形模量130MPa。因此，本工程采用砂卵石地基筑壩技術(shù)是可行的。

表1 平板荷載試驗(yàn)結(jié)果

4 壩料碾壓試驗(yàn)方案

碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地需先推平并將基礎(chǔ)碾壓堅(jiān)實(shí)，以消除基礎(chǔ)面沉降對(duì)碾壓試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)選擇在溢洪道出部位口開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行，每一試驗(yàn)單元面積約為14m×20m?，F(xiàn)場(chǎng)配備的試驗(yàn)設(shè)備主要有YZ25振動(dòng)碾1臺(tái)、HYC-08振動(dòng)碾1臺(tái)、TS06Ultra-2全站儀1套以及挖掘機(jī)、推土機(jī)、自卸汽車、灑水車等數(shù)臺(tái)。

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，壩料主要包括主堆石料、次堆石料、過(guò)渡層料及墊層料。灑水量對(duì)過(guò)渡料的碾壓效果主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，在碾壓過(guò)程中灑水可以降低排水區(qū)料顆粒之間的摩擦阻力，從而有利于顆粒重新排列；另一方面，因水壓的沖擊作用，層面部分顆粒在水流的作用下產(chǎn)生移動(dòng)，使得部分細(xì)顆粒產(chǎn)生填充效應(yīng)，也能改善碾壓效果。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，本次現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)選取10%的灑水量。

表2 壩料碾壓試驗(yàn)基本參數(shù)

各壩料按照設(shè)定要求碾壓結(jié)束后，挖出一定的壩料進(jìn)行顆粒篩分，測(cè)定并繪制顆粒級(jí)配曲線。同時(shí)，采用套環(huán)注水法測(cè)定碾壓后的壓實(shí)干密度，并計(jì)算孔隙率。每組試驗(yàn)各指標(biāo)均測(cè)定3次，取平均值進(jìn)行分析。

5 碾壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 顆粒級(jí)配曲線

各壩料碾后級(jí)配曲線與設(shè)計(jì)包絡(luò)線范圍如圖2所示，由圖可見(jiàn)，各壩料碾后級(jí)配曲線基本都在設(shè)計(jì)包絡(luò)線范圍以內(nèi)，主堆石料、次堆石料、過(guò)渡層料、墊層料<0.075mm顆粒含量范圍分別為0.2%～3.3%、0.4%～2.4%、2.6%～4.8%、5.7%～7.8%。不同碾壓遍數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用自行式振動(dòng)碾碾壓10遍時(shí)，即可滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求。

(a)主堆石料; (b) 次堆石料; (c) 過(guò)渡層料; (d) 墊層料

5.2 干密度與孔隙率

影響壩料壓實(shí)干密度的主要因素包括顆粒級(jí)配、最大粒徑、填筑層的厚度、碾壓機(jī)具的性能以及顆粒形態(tài)等。各壩料干密度和孔隙率與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3，從現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果總體可以看出：各壩料碾后干密度均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，孔隙率隨碾壓遍數(shù)的增加而減小。主堆石料、次堆石料、過(guò)渡層料、墊層料經(jīng)過(guò)碾壓10遍后，壓實(shí)干密度平均值分別為2.14 g/cm3、2.16 g/cm3、2.2 g/cm3和2.23g/cm3，均滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)干密度;(b) 孔隙率

6 結(jié)論與討論

根據(jù)冊(cè)亨面板堆石壩砂卵石地基平板載荷試驗(yàn)，壩基采用局部挖槽換填和振動(dòng)碾預(yù)壓后，實(shí)測(cè)河床砂卵石的變形模量可達(dá)到134～141MPa，可滿足設(shè)計(jì)要求。壩料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果表明，各壩料碾后干密度均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，采用25t自行式振動(dòng)碾碾壓10遍時(shí)，顆粒級(jí)配和干密度可滿足設(shè)計(jì)要求。

壩址的選擇不僅僅局限在基巖條件好的地址上，基巖條件復(fù)雜、具有軟弱夾層的筑壩項(xiàng)目逐漸增多。面板堆石壩對(duì)基礎(chǔ)的要求較低，國(guó)內(nèi)外已有大量建在砂卵石基礎(chǔ)上面板堆石壩。在滿足大壩安全的基礎(chǔ)上，充分利用砂卵石基礎(chǔ)，可減少石料用量，縮短工期，有利于工程實(shí)施。軟基上施工同時(shí)會(huì)面臨著孔壓過(guò)高、變形過(guò)大、抗力過(guò)小等問(wèn)題，若施工上壩速度過(guò)快，軟基內(nèi)的水無(wú)法及時(shí)排出，會(huì)使地基孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生開(kāi)裂、滑坡或者地基失穩(wěn)等事故。因此，在實(shí)施過(guò)程中，還需采用基礎(chǔ)挖槽排水等方法，降低地下水位及軟基中的含水量，再通過(guò)預(yù)壓使基礎(chǔ)形成新的穩(wěn)固層。