【摘要】混凝土面板堆石壩主要由堆石體和防滲系統(tǒng)組成，我國混凝土面板堆石壩發(fā)展迅速，堆石體采用硬巖的設(shè)計和施工技術(shù)都已基本成熟。為了更大限度地利用當(dāng)?shù)夭牧匣蜷_挖料，軟巖料筑壩越來越受到關(guān)注，特別是在硬巖缺乏的地區(qū)，更具有明顯的實用性。本文總結(jié)了軟巖筑面板堆石壩設(shè)計中應(yīng)注意的相關(guān)技術(shù)問題，以期能促進(jìn)國內(nèi)水利工程中軟巖筑壩技術(shù)的發(fā)展，為類似工程提供可借鑒的資料。
【關(guān)鍵詞】材料要求 碾壓施工 應(yīng)力分析 面板堆石壩
【前言】根據(jù)國內(nèi)外已有的工程實踐，對于軟巖堆石料的利用采用的原則是：保證軟巖料區(qū)的底部邊界線在大壩運行時處于干燥區(qū)，以便壩體排水通暢，并避免軟巖遇水產(chǎn)生濕化變形；軟巖料區(qū)的下游邊界線應(yīng)通過計算分析確定合理的坡度，以保證壩體下游邊坡的穩(wěn)定，且在其外側(cè)留有不小于 2m 的新鮮硬巖填筑區(qū)，以防止軟巖料的繼續(xù)風(fēng)化；上部邊界線應(yīng)保證其上有不小于 5～10m 的新鮮硬巖填筑層覆蓋。下游邊界線應(yīng)通過計算分析，在保證壩體施工期、運行期的沉降量以及面板的應(yīng)力在合理范圍內(nèi)的前提下，上游邊界線盡量往壩體上游側(cè)靠近，以期能夠最大限度地利用軟巖材料。
一 筑壩材料要求
1 壩料反濾關(guān)系。根據(jù)墊層料、過渡料、排水帶料及主堆石料的顆粒級配曲線，按太沙基反濾準(zhǔn)則，從以下三個方面核算反濾保護(hù)的合理性：（1）對于墊層料平均級配曲線按過渡料平均級配曲線核算反濾。（2）對于過渡料平均級配曲線按 5mm 以下顆粒排水堆石料平均級配曲線核算反濾。（3）對于過渡料平均級配曲線按 5mm 以下顆粒主堆石料平均級配曲線核算反濾。
應(yīng)滿足 D15/d15≥5，D15/d85≤4～5。 D15：反濾料的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 15%。 d85：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 85%。 d15：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 15%。
2 壩料填筑施工控制。《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《設(shè)計規(guī)范》）（SL228―2013）中對筑壩材料的填筑標(biāo)準(zhǔn)要執(zhí)行（見右圖）。
在施工過程中，常用最大干密度及干密度標(biāo)準(zhǔn)差來控制壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，建議將表面振動器法試驗的最大干密度乘以0.96～0.98 的壓實度作為設(shè)計控制干密度，并作為施工填筑控制干密度下限。干密度標(biāo)準(zhǔn)差反映了堆石填筑的均一性，建議控制在 0.05g/cm3以下。
在《設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計堆石干密度可用孔隙率和巖石密度換算。這項規(guī)定對于堅硬巖石是合適的，軟巖則對堆石孔隙率、干密度的計算影響較大，可能會導(dǎo)致設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)偏低。應(yīng)在施工期根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗得出相對密度、孔隙率與干密度的關(guān)系，及時修正設(shè)計填筑標(biāo)準(zhǔn)。
為使軟巖堆石體蓄水后不致產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)通過提高堆石體的密度，降低孔隙率而提高堆石體壓縮模量的方式來實現(xiàn)。軟巖的填筑標(biāo)準(zhǔn)要求比硬巖應(yīng)高一些。例如：江西大坳面板壩原設(shè)計根據(jù)規(guī)范提出主、次堆石區(qū)的孔隙率為21%和 24%。根據(jù)碾壓試驗成果，設(shè)計要求主堆石體孔隙率小于 19%，次堆石區(qū)孔隙率小于21%～24%。實際施工達(dá)到的孔隙率分別為 19.4%和 21.5%。
二 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力變形分析
1分析方法。邊坡穩(wěn)定分析是采用條分法利用極限平衡理論計算邊坡的安全系數(shù)。根據(jù)土石壩設(shè)計規(guī)范的要求，面板堆石壩的邊坡穩(wěn)定分析一般均采用簡化畢肖普法。面板壩的壩體應(yīng)力變形分析通常采用非線性有限元分析方法進(jìn)行。計算分析時，一般先對集中不同的分區(qū)方案進(jìn)行二維應(yīng)力變形有限元計算，在分析計算結(jié)果優(yōu)選一種方案的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行三維有限元計算，以進(jìn)一步對所選方案分析研究。
2抗剪強度指標(biāo)。壩坡穩(wěn)定分析中堆石料抗剪強度采用線性還是非線性，取決于堆石材料的巖性、顆粒形狀、級配和密度等。對于堅硬、渾圓且級配優(yōu)良的砂卵石，其顆粒在較大的應(yīng)力下仍不會破碎，因此，其強度包線在較高的應(yīng)力水平下仍可保持近似的直線關(guān)系。而對于棱角尖銳的堆石而言，由于顆粒破碎的影響，其強度包線在相對較小的應(yīng)力下即發(fā)生了彎曲，因而呈現(xiàn)出非線性的特征。相關(guān)資料表明，同一非線性強度計算的安全系數(shù)隨壩高的增加而降低，這個規(guī)律符合壩越高越不安全的實際情況。用線性強度計算的安全系數(shù)隨壩高增加沒有變化，不符合實際。而采用非線性強度計算的安全系數(shù)要高于采用線性強度計算的安全系數(shù)。因此，可以建議非線性強度計算壩坡穩(wěn)定，允許安全系數(shù)可提高 8%。
3變形控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建議根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008），按照 L/400～L/450 考慮。L 是指一塊板的長度，高壩如果分期澆筑面板，可根據(jù)分期接縫間的面板長度綜合考慮撓度安全值。
硬巖面板堆石壩施工期最大沉降量與壩高之比一般僅為 0.5%左右。江西大坳堆石壩施工期沉降量約占壩高的 1.02%，偏大，說明軟巖的壓縮性較大。根據(jù)國內(nèi)外實測資料，竣工后沉降量小于壩高的 1%時都沒有發(fā)生裂縫，大于 3%的有裂縫。因此，可確定總沉降量小于壩高的1.5%～2%為安全控制標(biāo)準(zhǔn)。沉降量包括壩高和壩基的總沉降量。
三 碾壓施工技術(shù)
1 碾壓存在的問題。軟巖強度低，碾壓后易破碎，諸多軟巖碾壓試驗表明易出現(xiàn)以下問題：（1）現(xiàn)場灑水時，水滲透很慢，表面流淌。需等十幾個小時后方可進(jìn)行碾壓。碾壓過程中出現(xiàn)粘碾、涌土、彈簧土等現(xiàn)象，影響該料的壓實性及施工進(jìn)度。（2）天然含水率不能太小，天然含水率低于 4%時，干密度很難達(dá)到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。（3）碾壓后滲透系數(shù)偏小，在 10-3～10-4cm/s。（4）碾壓施工后每一層大體可分為三層。細(xì)化層：主要以小于 5mm 顆粒為主，約占 40%～60%，層厚 0～5cm 不等，且不連續(xù)；壓碎層：最大粒徑 100mm～200mm，小于 5mm 顆粒含量主要范圍 25%～35%，厚度 15cm～20cm 不等；影響層：基本保持原級配，少量破碎擠密。
2 施工技術(shù)處理。（1）加水工藝。適量灑水有助于軟巖料的碾壓密實，但軟巖料灑水會濕化、軟化、泥化，因此灑水要適量。在碾壓前灑水，碾壓時粘碾嚴(yán)重，不利碾壓。碾壓前要提前灑水，灑水可在料場或途中進(jìn)行，如在壩面灑水要使碾壓前有較長的漫潤實踐。 在缺水或寒冷地區(qū)不能加水時，可以采用減少填筑厚度和加大壓實功能作為補償，如十三陵上池壩（風(fēng)化安山巖），在冬季不能加水時，填筑層厚由 80cm 減為 60cm，并增加碾壓遍數(shù)。 （2）細(xì)化層的處理。細(xì)化層對堆石壩的穩(wěn)定和變形影響較大，必須進(jìn)行處理。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，對不同厚度的細(xì)化層進(jìn)行如下處理：對于 5cm 以下很薄的細(xì)化層，在上一層鋪料前灑水，沖洗軟化板結(jié)層，可使上層石棱嵌入下層；對于較薄的細(xì)化層（5～10cm），采用履帶式推土機、拖拉機在板結(jié)層表面行走的方式，使層面翻起和錯位，也可加工功能相同的專用工具進(jìn)行處理；對于大于 10cm 厚的細(xì)化層，可采用推土機的鏟刀將板結(jié)層刮掉的方式。細(xì)料可推至兩岸壩肩處，還可改善壩坡結(jié)合處的防滲作用。
參考文獻(xiàn)：
【1】蔣濤，付軍，周小文・《軟巖筑面板壩技術(shù)》[M].中國水利水電出版社。
【關(guān)鍵詞】材料要求 碾壓施工 應(yīng)力分析 面板堆石壩
【前言】根據(jù)國內(nèi)外已有的工程實踐，對于軟巖堆石料的利用采用的原則是：保證軟巖料區(qū)的底部邊界線在大壩運行時處于干燥區(qū)，以便壩體排水通暢，并避免軟巖遇水產(chǎn)生濕化變形；軟巖料區(qū)的下游邊界線應(yīng)通過計算分析確定合理的坡度，以保證壩體下游邊坡的穩(wěn)定，且在其外側(cè)留有不小于 2m 的新鮮硬巖填筑區(qū)，以防止軟巖料的繼續(xù)風(fēng)化；上部邊界線應(yīng)保證其上有不小于 5～10m 的新鮮硬巖填筑層覆蓋。下游邊界線應(yīng)通過計算分析，在保證壩體施工期、運行期的沉降量以及面板的應(yīng)力在合理范圍內(nèi)的前提下，上游邊界線盡量往壩體上游側(cè)靠近，以期能夠最大限度地利用軟巖材料。
一 筑壩材料要求
1 壩料反濾關(guān)系。根據(jù)墊層料、過渡料、排水帶料及主堆石料的顆粒級配曲線，按太沙基反濾準(zhǔn)則，從以下三個方面核算反濾保護(hù)的合理性：（1）對于墊層料平均級配曲線按過渡料平均級配曲線核算反濾。（2）對于過渡料平均級配曲線按 5mm 以下顆粒排水堆石料平均級配曲線核算反濾。（3）對于過渡料平均級配曲線按 5mm 以下顆粒主堆石料平均級配曲線核算反濾。
應(yīng)滿足 D15/d15≥5，D15/d85≤4～5。 D15：反濾料的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 15%。 d85：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 85%。 d15：被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土占總土重的 15%。
2 壩料填筑施工控制。《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《設(shè)計規(guī)范》）（SL228―2013）中對筑壩材料的填筑標(biāo)準(zhǔn)要執(zhí)行（見右圖）。
在施工過程中，常用最大干密度及干密度標(biāo)準(zhǔn)差來控制壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，建議將表面振動器法試驗的最大干密度乘以0.96～0.98 的壓實度作為設(shè)計控制干密度，并作為施工填筑控制干密度下限。干密度標(biāo)準(zhǔn)差反映了堆石填筑的均一性，建議控制在 0.05g/cm3以下。
在《設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計堆石干密度可用孔隙率和巖石密度換算。這項規(guī)定對于堅硬巖石是合適的，軟巖則對堆石孔隙率、干密度的計算影響較大，可能會導(dǎo)致設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)偏低。應(yīng)在施工期根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗得出相對密度、孔隙率與干密度的關(guān)系，及時修正設(shè)計填筑標(biāo)準(zhǔn)。
為使軟巖堆石體蓄水后不致產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)通過提高堆石體的密度，降低孔隙率而提高堆石體壓縮模量的方式來實現(xiàn)。軟巖的填筑標(biāo)準(zhǔn)要求比硬巖應(yīng)高一些。例如：江西大坳面板壩原設(shè)計根據(jù)規(guī)范提出主、次堆石區(qū)的孔隙率為21%和 24%。根據(jù)碾壓試驗成果，設(shè)計要求主堆石體孔隙率小于 19%，次堆石區(qū)孔隙率小于21%～24%。實際施工達(dá)到的孔隙率分別為 19.4%和 21.5%。
二 壩體穩(wěn)定及應(yīng)力變形分析
1分析方法。邊坡穩(wěn)定分析是采用條分法利用極限平衡理論計算邊坡的安全系數(shù)。根據(jù)土石壩設(shè)計規(guī)范的要求，面板堆石壩的邊坡穩(wěn)定分析一般均采用簡化畢肖普法。面板壩的壩體應(yīng)力變形分析通常采用非線性有限元分析方法進(jìn)行。計算分析時，一般先對集中不同的分區(qū)方案進(jìn)行二維應(yīng)力變形有限元計算，在分析計算結(jié)果優(yōu)選一種方案的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行三維有限元計算，以進(jìn)一步對所選方案分析研究。
2抗剪強度指標(biāo)。壩坡穩(wěn)定分析中堆石料抗剪強度采用線性還是非線性，取決于堆石材料的巖性、顆粒形狀、級配和密度等。對于堅硬、渾圓且級配優(yōu)良的砂卵石，其顆粒在較大的應(yīng)力下仍不會破碎，因此，其強度包線在較高的應(yīng)力水平下仍可保持近似的直線關(guān)系。而對于棱角尖銳的堆石而言，由于顆粒破碎的影響，其強度包線在相對較小的應(yīng)力下即發(fā)生了彎曲，因而呈現(xiàn)出非線性的特征。相關(guān)資料表明，同一非線性強度計算的安全系數(shù)隨壩高的增加而降低，這個規(guī)律符合壩越高越不安全的實際情況。用線性強度計算的安全系數(shù)隨壩高增加沒有變化，不符合實際。而采用非線性強度計算的安全系數(shù)要高于采用線性強度計算的安全系數(shù)。因此，可以建議非線性強度計算壩坡穩(wěn)定，允許安全系數(shù)可提高 8%。
3變形控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建議根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008），按照 L/400～L/450 考慮。L 是指一塊板的長度，高壩如果分期澆筑面板，可根據(jù)分期接縫間的面板長度綜合考慮撓度安全值。
硬巖面板堆石壩施工期最大沉降量與壩高之比一般僅為 0.5%左右。江西大坳堆石壩施工期沉降量約占壩高的 1.02%，偏大，說明軟巖的壓縮性較大。根據(jù)國內(nèi)外實測資料，竣工后沉降量小于壩高的 1%時都沒有發(fā)生裂縫，大于 3%的有裂縫。因此，可確定總沉降量小于壩高的1.5%～2%為安全控制標(biāo)準(zhǔn)。沉降量包括壩高和壩基的總沉降量。
三 碾壓施工技術(shù)
1 碾壓存在的問題。軟巖強度低，碾壓后易破碎，諸多軟巖碾壓試驗表明易出現(xiàn)以下問題：（1）現(xiàn)場灑水時，水滲透很慢，表面流淌。需等十幾個小時后方可進(jìn)行碾壓。碾壓過程中出現(xiàn)粘碾、涌土、彈簧土等現(xiàn)象，影響該料的壓實性及施工進(jìn)度。（2）天然含水率不能太小，天然含水率低于 4%時，干密度很難達(dá)到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。（3）碾壓后滲透系數(shù)偏小，在 10-3～10-4cm/s。（4）碾壓施工后每一層大體可分為三層。細(xì)化層：主要以小于 5mm 顆粒為主，約占 40%～60%，層厚 0～5cm 不等，且不連續(xù)；壓碎層：最大粒徑 100mm～200mm，小于 5mm 顆粒含量主要范圍 25%～35%，厚度 15cm～20cm 不等；影響層：基本保持原級配，少量破碎擠密。
2 施工技術(shù)處理。（1）加水工藝。適量灑水有助于軟巖料的碾壓密實，但軟巖料灑水會濕化、軟化、泥化，因此灑水要適量。在碾壓前灑水，碾壓時粘碾嚴(yán)重，不利碾壓。碾壓前要提前灑水，灑水可在料場或途中進(jìn)行，如在壩面灑水要使碾壓前有較長的漫潤實踐。 在缺水或寒冷地區(qū)不能加水時，可以采用減少填筑厚度和加大壓實功能作為補償，如十三陵上池壩（風(fēng)化安山巖），在冬季不能加水時，填筑層厚由 80cm 減為 60cm，并增加碾壓遍數(shù)。 （2）細(xì)化層的處理。細(xì)化層對堆石壩的穩(wěn)定和變形影響較大，必須進(jìn)行處理。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，對不同厚度的細(xì)化層進(jìn)行如下處理：對于 5cm 以下很薄的細(xì)化層，在上一層鋪料前灑水，沖洗軟化板結(jié)層，可使上層石棱嵌入下層；對于較薄的細(xì)化層（5～10cm），采用履帶式推土機、拖拉機在板結(jié)層表面行走的方式，使層面翻起和錯位，也可加工功能相同的專用工具進(jìn)行處理；對于大于 10cm 厚的細(xì)化層，可采用推土機的鏟刀將板結(jié)層刮掉的方式。細(xì)料可推至兩岸壩肩處，還可改善壩坡結(jié)合處的防滲作用。
參考文獻(xiàn)：
【1】蔣濤，付軍，周小文・《軟巖筑面板壩技術(shù)》[M].中國水利水電出版社。
