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1、第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .高土石坝复杂材料筑坝技术新进展姚 虞 王富强 杨泽艳(水电水利规划设计总院 北京)摘 要:抽水蓄能电站的大力发展为土石坝建设带来了新的发展形势 也带来了复杂材料筑坝的新技术问题 包括全强风化料筑坝、库底填筑碎石土等带来的大坝变形、稳定及防渗体系安全等问题 通过近年来的工程实践和研究 高土石坝复杂材料筑坝技术有了新进展 总结了复杂材料筑坝已有经验 并以句容、文登、溧阳、镇安抽水蓄能电站上水库复杂材料筑坝为例 提出了抽水蓄能电站土石坝建设的关键问题及对策措施关键词:高土石坝 复杂材料筑坝 技术进展 关键问题 对策措施 抽水蓄能电站 .中图分类号:文献标识码:文
2、章编号:()收稿日期:作者简介:姚虞()男 湖北宜昌人 高级工程师 博士 主要从事水电工程审查、咨询等工作.0引言当前 我国正在大力开展抽水蓄能电站建设抽水蓄能电站项目分布范围广 电站建设面临的地质条件复杂多样 为了满足生态环境要求需要尽量减少弃渣 提高开挖料利用率 因此 绝大多数抽水蓄能电站采用土石坝坝型 利用软岩、全强风化料等复杂材料筑坝的问题变得突出 近年来 通过大量研究与工程实践 高土石坝复杂材料筑坝技术取得了新进展1高土石坝复杂材料筑坝经验土石坝作为当地材料坝 其筑坝材料受工程场地地质条件影响较大 有时难以避免采用强度和模量较低的筑坝材料 早在 世纪 国内外高土石坝已开始应用含软岩料
3、筑坝 也逐渐积累了相关技术经验 表、列举了国外和国内部分含软岩料筑高土石坝的工程案例 由表、可知 国外、国内都已将软岩作为筑坝材料应用到坝高超过 的高土石坝中 我国在坝高超过 的水布垭混凝土面板堆石坝中使用了软岩表 列出了典型含软岩面板堆石坝的运行情况 由表 可知 坝高不超过 的坝总体运行良好 但 年以前建成的坝高超过 的含软岩面板堆石坝基本上都出现了面板结构性裂缝或垂直挤压破损现象 随着软岩筑坝技术在不断发展完善 级高土石坝软岩筑坝技术已基本成熟 级高土石坝软岩筑坝技术取得了突破性进展水 力 发 电 年 月 .表 国外部分含软岩高土石坝工程序号坝名地点坝高/坝长/软岩材料软岩位置建成年份阿瓜
4、米尔巴()墨西哥风化熔灰岩下游萨尔瓦兴娜()哥伦比亚半风化砂岩、粉岩下游希腊塔()印度尼西亚凝灰角砾岩、火山凝灰岩主体贝雷()美国砂岩、页岩中部温尼克()澳大利亚砂岩、泥岩下游红树溪()澳大利亚风化砂岩、粉砂岩下游卡宾溪()美国土和风化岩下游表 国内部分含软岩高土石坝工程序号坝名地点坝高/坝长/软岩材料岩性软岩位置建成年份水布垭湖北巴东 泥灰岩软硬分层填筑下游局部天生桥一级贵州兴义、广西隆林砂岩泥岩混合下游董箐贵州贞丰、关岭 砂岩夹泥岩混合中上部瓦屋山四川洪雅 含软岩堆石料下游龙马云南墨江、江城砂岩、泥岩下游公伯峡青海循化、化隆 强风化花岗岩和弱风化片岩下游街面福建尤溪 泥岩、砂岩下游鱼跳重庆
5、南川砂岩、泥岩下游金家坝重庆酉阳 页岩、粉砂岩下游盘石头河南鹤壁 砂岩、页岩中下游双河口贵州罗甸 粉砂岩下游老渡口湖北恩思 页岩下游寺坪湖北保康 页岩下游局部大坳江西上饶 风化砂岩主体株树桥湖南浏阳风化板岩中下游十三陵抽蓄上库北京昌平风化安山岩下游德泽云南沾益 砂岩、泥岩下游三江口云南墨江砂岩、泥岩主体表 典型含软岩面板堆石坝运行状况统计坝名坝高/完工年份坝体最大垂直沉降/与坝高的比例/测值时间面板破坏情况坝体渗漏量/株树桥 年 月面板破坏最大 阿瓜米尔巴()坝体完工后变形仍然较大多条水平和斜裂缝曾突然增加到 大坳 施工期较小天生桥一级 年 月面板挤压破损 条裂缝鱼跳较小水布垭 年 月面板挤压
6、破损 条裂缝 董箐 年 月一、二期面板有 条裂缝 年建成的坝高 的董箐混凝土面板堆石坝没有出现面板结构性裂缝和挤压破损问题通过大量研究和工程实践 在软岩筑坝料物理力学特性、坝体断面和填筑料设计、软岩料填筑施工等方面均取得了一定的经验和成果 形成了针对软岩筑坝较为完整的技术体系第 卷第 期姚 虞等:高土石坝复杂材料筑坝技术新进展 .对于软岩筑坝料的物理力学特性要求 上坝软岩料饱和抗压强度宜大于 不宜小于 软岩料经压实后 小于 颗粒含量增加较大 多具有强中等透水性 压缩模量多在 之间 与硬岩料相比 软岩料的抗剪强度较低 湿化特征更为明显 流变特性还有待更多的经验积累对于坝体断面和填筑料设计 软岩堆
7、石体的坝坡宜适当放缓 并结合坝坡稳定计算确定 软岩料多置于坝轴线下游干燥区 或与中硬以上岩石混用但范围不能过大 与硬岩料的密实度差异也不能过大 利用软岩料筑坝一般应结合坝高、料源情况和特性进行充分的试验研究 当坝高超过 时软岩料尽可能用于变形和应力较小的部位 当坝高超过 时 应慎用软岩料 筑坝材料含软岩时更应重视坝体变形控制 做好坝体排水 含软岩面板堆石坝的轮廓规划和断面分区除充分借鉴已有工程经验外 需在试验的基础上拟定参数 通过坝坡稳定分析验证坝坡的适宜性 通过有限元计算 针对不同软岩料区位置进行坝体应力变形特点分析从中找出满足坝体变形和面板应力变形要求的最大软岩料区应用范围 通过坝体渗流特
8、性分析 确保坝体能自由排水并满足料间反滤准则图 句容上水库大坝典型剖面软岩料的开采爆破、填筑碾压、施工工艺、质量控制均有其特殊性 需在充分研究软岩料特性的基础上 有针对性的进行爆破和碾压试验 在填筑施工过程中 注意检查有无弹簧土、泥化和板结现象 发现问题需及时进行处理 施工时序上 需达到设计要求的预沉降指标后再开始面板混凝土的施工 宜采用预沉降时间和速率双指标控制2高土石坝复杂材料筑坝技术新进展近年来 抽水蓄能电站建设中遇到的复杂材料筑坝问题日益突出 包括全强风化料筑坝、碎石土填库等带来的大坝变形、稳定及防渗体系安全问题在解决这些问题的过程中 复杂材料筑坝技术又有了新进展 本文以几个典型工程为
9、例进行分析 句容抽水蓄能电站上水库大坝及库底回填 填筑料物理力学性质句容抽水蓄能电站上水库主坝筑坝料主要来源于上水库石料场的库盆开挖料 料场基岩主要为含燧石白云岩、灰质白云岩、细晶白云岩等 北库岸分布少量泥质白云岩、含硅质白云岩 白云岩类岩石为中硬岩 呈中厚厚层状 多呈弱微风化 微风化岩体的饱和单轴抗压强度为 饱和密度为 /石料质量基本满足堆石料原岩技术要求根据玢岩岩脉的分布情况将上水库石料场分为、个区 区有用层储量约 万、区有用层储量约 万 区、区岩脉不发育 岩体主要为弱 微风化的白云岩类 料源质量较好 区有用层储量约 万 但岩体中闪长玢岩岩脉较发育 以全强风化为主 岩脉蚀变风化、软弱破碎
10、饱和抗压强度 开挖暴露后多崩解呈土状 坝体布置和分区设计句容抽水蓄能电站上水库大坝为沥青混凝土面板堆石坝 坝轴线处最大坝高 上游坝坡坡比为 下游坝坡在 高程以上坡比为 以下坡比为 坝体布置和分区如图 所示大坝坝体分区从上游向下游使各料区的渗透性依次递增(下游填筑区除外)确保各料区在水压力作用下变形协调且变形最小 最大限度地利用工程开挖料 料区划分尽可能简单 沥青混凝土面板采用简式结构 面板下部的垫层、过渡层宽度分别为水 力 发 电 年 月 .、主要利用新鲜、微风化白云岩料制备特殊垫层区位于面板与连接板连接缝部位的小区石料要求同垫层料 上游堆石料采用上水库内开采的新鲜或弱、微风化白云岩填筑 下游
11、堆石料采用库内开挖的新鲜或弱、微风化白云岩掺 闪长玢岩填筑 按向下游 分区 在上、下游堆石之间设置宽 的过渡区 采用上游堆石料与下游堆石料互层填筑 大坝岸坡部位下游堆石料下部设置厚 的上游透水堆石料 河床部位加大为 以保证坝体排水 右坝脚由于建基面倾向下游 在坝脚处设混凝土挡墙 墙顶高程 并将高程 以下的透水主堆料设为增模区 保留有透水功能 但压缩模量提高上水库库底为半挖半填形式 上库库底回填料成分复杂 从下到上分别为上水库库底及坝基底部剥离的除掉表面腐殖土后的含碎石黏土、上水库库盆开挖弱、微风化白云岩掺一定量的蚀变闪长玢岩及下水库库盆开挖的白云岩掺灰岩、粗面岩、安山岩及蚀变闪长玢岩混合料等
12、利用全强风化闪长玢岩料筑坝和碎石黏土料回填的工程措施句容抽水蓄能电站上水库大坝下游堆石料为含一定量全风化玢岩的白云岩 全风化玢岩含量较多时呈现土料的特性 对填筑料的碾压厚度及碾压效果影响较大 根据招标设计阶段现场碾压试验成果分析 白云岩中全风化玢岩含量为 时 层厚 振动碾碾压 遍 平均孔隙率为 由于细颗粒容易充填颗粒间的孔隙 极易达到孔隙率的要求 加水量为 时 静碾时沉降量已经严重偏大 无法进行后续碾压针对上述问题 采取的工程措施有:控制蚀变闪长玢岩含量 剔除宽度 的玢岩岩脉 下游堆石按照孔隙率控制 碾压施工参数拟定为铺层厚 不加水或少加水 采用 振动碾碾压 遍上水库库盆回填高度超过 且回填料
13、源复杂 回填料来源为风化崩解的玢岩和白云岩混合料及下水库开挖的碎石黏土料 白云岩中全风化玢岩含量较少时 填筑料呈现石料特性 当回填料中玢岩含量达到一定程度或为碎石土料时 呈现土料的特性 不同料源的控制指标为当玢岩含量较少、填筑料呈现石料特性时 按孔隙率控制 当呈现土的特性时 按压实度控制 文登抽水蓄能电站上水库大坝 填筑料物理力学性质文登抽水蓄能电站上水库大坝料源主要分布在上水库库盆、进水出口及坝基 个部位 岩性主要为石英二长岩及二长花岗岩 全强风化层较厚 且分布不均 全强风化层储量约 万 弱风化以下储量约 万 共计 万 为设计需求总量的 倍弱风化岩体的饱和单轴抗压强度为 软化系数 饱和密度为
14、 /强风化岩体的饱和单轴抗压强度为 软化系数 饱和密度为 /弱风化料、强风化料、全强混合料、全风化料干密度分别为 、/黏聚力分别为、内摩擦角分别为、饱和压缩模量分别为、坝体布置和分区设计文登抽水蓄能电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝坝轴线处最大坝高 上游坝坡坡比 下游坝坡综合坡比 坝体布置和分区如图 所示上水库上游堆石 区填筑料主要为弱风化石英二长岩 下游堆石 区填筑料主要为全风化及强风化石英二长岩混合料 两者强度指标相差较大 在上游堆石 区与下游堆石 区之间增设下游过渡区 区 其层厚及强度指标同上游过渡区 区下游过渡区 区的增设有助于坝体在各工况下的整体变形协调 利用全强风化料筑坝的工程措施为控
15、制补充料场规模、减少文登抽水蓄能电站上水库库区开挖弃渣以及节省投资和减少环境破坏采用库盆开挖出的全、强风化料作为下游堆石料试验成果表明 全、强风化料碾压后为含细粒砂力学性能较差 而国内外百米级高面板堆石坝大区域采用全风化料筑坝的经验少 全强风化料的使用可能导致较大的坝体变形及面板应力针对全强风化料筑坝问题 采取的工程措施有:充分重视下游堆石区填筑质量控制 尽量提高压实密度 按照全强风化料呈现出的碎石土的性质采用压实度作为压实控制指标 采用重型击实试验、压实度控制 碾压厚度 按最优含水量控制加水 采用 振动碾碾压 遍并根据实际填筑施工中不断积累的检测数据和经验研究调整压实度控制标准 结合渗流分析
16、成果优化调整下游堆石区的底部界限 并强化排水反滤措施 适当扩大下游坝坡土工格栅的布置范围 溧阳抽水蓄能电站上水库工程 填筑料物理力学性质溧阳抽水蓄能电站上水库库岸边坡开挖料主要第 卷第 期姚 虞等:高土石坝复杂材料筑坝技术新进展 .图 文登上水库大坝典型剖面图 溧阳上水库主坝典型剖面为志留系上统茅山组()的石英砂岩夹泥质粉砂岩及粉砂质泥岩 其中岩屑石英砂岩约占 总开挖量达 多万 由于开挖深度小而强风化带深度为 大部分开挖料属于强风化岩石强风化石英砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的饱和单轴抗压强度分别为 、干密度分别为 、/坝体布置和分区设计上水库主坝坝轴线处最大坝高 上游坝坡坡比 下游坝坡综合坡比
17、 主坝典型剖面见图 利用强风化料筑坝的工程措施溧阳抽水蓄能电站上水库大坝较高、坝体填筑石料岩性多样且软硬差异大、坝基地形条件差 坝体不均匀变形控制难度大 为此 采取的工程措施有:将强风化料置于次堆石区上部干燥区域 避免湿化变形 压实层厚 设计干密度/孔隙率 自行式振动碾碾压 遍洒水量 主坝坝基对 形中间山脊进行了宽缓平台开挖 以减少坝体不均匀变形差 在坝体高程 以下和下游堆石区高程 部位设增模区 压实层厚 设计干密度 /孔隙率 自行式振动碾碾压 遍 洒水量 镇安抽水蓄能电站上水库工程 填筑料物理力学性质镇安抽水蓄能电站上水库库盆开挖料(含杨家湾料场开挖料)主要为泥盆系古道岭组结晶灰岩、花岗闪长
18、岩 上水库坝基和趾板开挖料为白色大理岩上水库引水洞开挖料为花岗闪长岩 其中 大理岩饱和单轴抗压强度 作为库底回填渣料利用 花岗闪长岩饱和单轴抗压强度平均为 弱风化结晶灰岩饱和抗压强度平均为 但其呈脆性 碾压后破碎率高水 力 发 电 年 月 .过渡料采用弱风化花岗岩、左坝肩炭化灰岩有排水功能的主堆石和排水体料采用弱风化花岗岩其余主堆石料采用弱风化结晶灰岩 下游堆石料区采用弱风化结晶灰岩强风化结晶灰岩混合料 因结晶灰岩料碾压后破碎率高、表面易形成约 的“细化层”(石粉层)致使 以下颗粒含量超标严重 透水性差 渗透系数/可在坝体干燥区使用 坝体布置和分区设计镇安抽水蓄能电站上水库大坝为混凝土面板堆石
19、坝 坝轴线处最大坝高 上游坝坡坡比 下游坝坡综合坡比 大坝典型剖面见图 图 镇安上水库大坝典型剖面 利用脆性结晶灰岩筑坝的工程措施脆性结晶灰岩碾压后石粉含量高 透水性差为此 采取的工程措施有:将结晶灰岩料分区置于坝体中部 其上游和底部均布置渗透系数较大的弱风化花岗岩块石控制爆破料 并在坝趾布置渗透性好的弱风化花岗岩块石料 形成排水通道 结晶灰岩料根据其风化程度和透水性布置在坝体中部不同位置 透水性相对好的弱风化结晶灰岩块石料布置靠上游 透水性相对差的弱风化结晶灰岩级配料布置在中间 透水性相对差且掺入强风化结晶灰岩的混合料布置在下游 主堆石区()采用弱风化结晶灰岩块石级配料(饱和抗压强度)设计孔
20、隙率 设计干密度 /渗透系数为/压实层厚 洒水量控制在 压实采用 振动碾碾压 遍 主堆石区()采用弱风化结晶灰岩级配料(饱和抗压强度)设计孔隙率 设计干密度 /渗透系数为/压实层厚 洒水量控制在 压实采用 振动碾碾压 遍 下游堆石料区()采用弱风化结晶灰岩强风化结晶灰岩混合料(强风化掺量最大不超过 饱和抗压强度)设计孔隙率 设 计 干 密 度 /渗透系数为/压实层厚 洒水量控制在 压实采用 振动碾碾压 遍3关键问题及对策措施抽水蓄能电站中高土石坝建设所面临的关键问题 一方面是复杂多样的料源条件所带来的对复杂材料碾压的参数与质量控制问题 另一方面是抽水蓄能电站水位长期涨落的循环荷载下土石坝变形和
21、稳定问题 此外抽水蓄能电站对防渗要求高 也需要防渗体系更加安全可靠针对复杂材料碾压参数与质量控制 对于不同料源需要针对其物理力学性质确定控制指标 并通过碾压试验研究确定碾压参数 例如 句容抽水蓄能电站上水库库盆回填料 采取了当玢岩含量较少、填筑料呈现石料特性时按孔隙率控制 当呈现土料的特性时按压实度控制的原则 文登抽水蓄能电站上水库大坝利用全强风化料筑坝 则按照全强风化料呈现出的碎石土的性质 采用压实度作为压实控制指标 并根据实际填筑施工中不断积累的检测数据和经验研究调整压实度控制标准针对抽水蓄能电站水位频繁涨落情况下土石坝第 卷第 期姚 虞等:高土石坝复杂材料筑坝技术新进展 .变形和稳定问题
22、 应做好坝体断面和分区设计 针对坝料性质确定坡比和碾压参数 确保排水系统通畅并做好反滤 抗震设防烈度高的要做好抗震设计例如 句容抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板坝综合考虑工程规模、地震烈度以及开挖料性质较差等因素 采用上游坡比 、下游综合坡比 且根据碾压试验将碾压参数提高至按照孔隙率不大于 控制 采用 振动碾碾压 遍 镇安抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝则针对结晶灰岩料易碎透水性差的问题 通过合理分区将透水性好的花岗岩料布置在上游和坝底形成排水通道将结晶灰岩料布置在坝体中部和下游 溧阳抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝为减小坝体不均匀沉降和满足抗震性能要求 在大坝下游底部和顶部设置增模区 并
23、将强风化料置于次堆石区上部干燥区域 避免湿化变形 文登抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝结合渗流分析成果优化调整下游堆石区的底部界限 并加强排水反滤措施针对防渗体系安全可靠性问题 除了要做好坝基灌浆和接缝止水外 主要通过控制坝体变形 特别是不均匀变形 以减小面板或心墙防渗体开裂风险 例如溧阳抽水蓄能电站上水库主坝坝基对 形中间山脊进行了宽缓平台开挖 大坝下游底部和顶部设增模区 以减少坝体不均匀变形差 从而减小面板开裂的风险4结语抽水蓄能电站的快速建设带来了土石坝建设的新机遇 面对抽水蓄能电站中土石坝建设所遇到的复杂材料筑坝问题 以及对循环荷载下大坝长期稳定、防渗系统安全可靠的要求 近年的工程实
24、践实现了筑坝技术的新进展 并且土石坝筑坝技术随着工程建设的推进和研究的深入还在不断发展 本文对复杂材料筑坝已有经验进行了总结 并以句容、文登、溧阳、镇安抽水蓄能电站上水库工程复杂材料筑混凝土面板堆石坝为例 分析了高土石坝复杂材料筑坝技术的新进展 总结了抽水蓄能电站土石坝建设的关键问题及对策措施 以期为新形势下土石坝建设提供参考参考文献:杨泽艳 蒋国澄 周建平 等.国际混凝土面板堆石坝的发展中国水力发电工程学会 中国大坝协会.水电 大会 中国大坝协会 学术年会暨第三届堆石坝国际研讨会论文集.郑州:黄河水利出版社:.杨泽艳 周建平 蒋国澄 等.中国混凝土面板堆石坝的发展.水力发电 ():.杨泽艳
25、周建平 王富强 等.混凝土面板堆石坝软岩筑坝技术进展高面板堆石坝安全性研究及软岩筑坝技术进展研讨会论文集.南京:中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会:.石含鑫 李剑飞 吴书艳 等.溧阳抽水蓄能电站上水库工程设计与运行中国大坝工程学会.水库大坝高质量建设与绿色发展 中国大坝工程学会 学术年会论文集.郑州:黄河水利出版社:.(责任编辑 王 琪)(上接第 页)傅建 孙留颖 于锐锋.南水北调中线某双洞线输水隧洞间距优选.人民黄河 ():.卞志兵 高正夏 宗文亮 等.基于 的岩脉条件下地下洞室间距及围岩稳定分析.武汉大学学报(工学版)():.张明 孙思奥 李仲奎.地下厂房布置优化及施工过程的显式有限差分法数值模拟.岩石力学与工程学报():.王帅 王成虎 慎乃齐.双圆形洞室群开挖过程围岩应力场变化分析.现代地质 ():.吴家耀 褚卫江 徐全.卡拉水电站地下厂房初始应力场反演分析.人民长江 ():.王仁坤 李杰 付英茹 等.水电站地下厂房设计导则:/.北京:中国水电工程顾问集团公司.(责任编辑 杨 健)(上接第 页).():.孔洋 阮怀宁 汪璋淳.玄武岩脆性类岩石相似模型材料比选与力学特性测试研究/.岩土工程学报:.:./.尤明庆.岩石强度准则的数学形式和参数确定的研究.岩石力学与工程学报 ():.():.(责任编辑 杨 健)