摘要：龙马水电站面板堆石坝最大坝高135m，其特点是坝址、料场岸坡陡峻，趾板开挖、料场开采、坝料运输道路施工难度大。坝料主要来源于料场和溢洪道开挖料，根据坝料特点进行了分区设计；对坝料进行了室内试验及现场碾压试验，根据试验结构确定了坝体填筑标准。
关键词：坝体分区坝坡稳定应力和变形基础处理面板堆石坝龙马水电站
1坝体分区设计
龙马水电站面板堆石坝最大坝高135m，坝顶长315m，坝顶宽10m，坝顶高程643.0m，上游设防浪墙。上游坝坡1:1.4，下游坝坡1:1.35，分别在603.0m、563.0m高程设两台2.5m宽马道。上坝料为坝址下游左岸的旧家箐料场、右岸清水河料场和溢洪道开挖料，其主要成分为石英砂岩。面板顶部厚度0.3m，渐变至面板底部，厚度为0.7m。面板分缝分块根据地形、有限元计算的坝体变形、施工条件进行分块，垂直缝间距12m。根据运行期间对坝体各部位的要求，坝体材料进行分区设计。分区的原则是：对料场开挖料的特性认真研究，在保证工程安全、经济的前提下，充分利用建筑物开挖的有用料；各区坝料从上游到下游满足水力过渡要求，相邻区下游坝料对其上游区有反滤保护作用；蓄水后坝体变形尽可能小，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。根据料源及对坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等要求，将坝体从上游到下游分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游次堆石区，并在面板上游设坝前覆盖料。2a区为面板下的垫层区，考虑施工机械设备施工需要的最小宽度，确定垫层水平宽度为3.0m；3a区为垫层下的过渡区，亦考虑施工要求，水平宽度为4.0m；3b区为主堆石区，为级配良好的砂岩堆石料；3c区为次堆石区，位于坝体下游部位，可利用建筑物开挖料和砂泥岩料。下游坝面块石护坡，厚度1m。1a区为上游坝脚粘土铺盖区，1b区为上游坝脚回填石渣盖重区。1.1垫层料
工程区天然砂砾料储量较小，垫层料采用料场弱风化以下岩体轧制而成。对垫层料的设计有如下要求：应有较高的变形模量及抗剪强度，能维持自身的稳定，对面板起到良好的支撑作用；垫层料应具有半透水性质，在面板及接缝开裂破坏时，可以起到限制坝体的渗漏量并保持自身抗渗稳定，对细粒料起到反滤作用，渗漏发生时通过细粒料堵塞渗流通道自愈，起到一定的挡水作用；施工中不易分离，便于平整坡面，使面板受力均匀。垫层料的宽度按以上要求并考虑抗震、施工要求确定；级配根据工程经验和试验结果确定，最大粒径80mm，特殊垫层料最大粒径30mm。小于5mm含量30～50，小于0.075mm含量不大于8。经过试验，压实后渗透系数为（1.46～7.15）×10-3cm/s，相对密度不小于0.8。垫层料设计干密度为2.24g／cm3，孔隙率不大于18。1.2过渡料在垫层料与主堆石料间设过渡料区，料源为料场开挖的弱风化以下岩石，物理力学指标要求与垫层料相近，即具有低压缩性、高抗剪强度，对垫层料能起到反滤保护作用。根据垫层料的级配确定过渡料区的级配，最大粒径为300mm，小于100mm含量大于15，小于1mm含量不大于3。过渡料设计干密度为2.18g／cm3，孔隙率不大于20。经过试验，渗透系数为（2.36～5.7）×10-1cm/s。1.3堆石料上游主堆石料区为水压力的主要承载区，为避免面板产生较大的变形，要求有较高的压缩模量及良好的透水性，筑坝石料应有较高的干、湿抗压强度，在面板浇筑后，即使水库蓄水坝体的变形增量也不大。可用于主堆石区的料源有弱风化、微风化及新鲜的砂岩。下游堆石料区位于上游堆石区下游，坝料要求较主堆石区低，为充分、灵活利用建筑物开挖料，下游堆石料分为三个区：底部要求与主堆石区底部类似并具有足够的透水性，顶部高程据下游最高水位确定为550.00m；上部采用建筑物开挖的强风化砂岩料（湿抗压强度应大于40mpa），对石料的抗压强度要求稍低；下游区为维持坝坡稳定，抵抗风化侵蚀，保护其上游侧的软岩料区，对石料的抗压强度要求仍较高，采用弱风化及以下砂岩填筑。堆石料最大粒径为800mm，小于5mm含量不超过15，小于0.075mm含量不大于5。堆石料设计干密度为2.16g／cm3，孔隙率不大于21。1.4坝前覆盖料区面板上游的坝前覆盖料区由堵缝材料和保护料组成，当面板较低部位（不具备检修条件）出现裂缝、周边缝止水破坏等原因产生大的渗漏水时，堵缝材料随水流进入渗漏通道堵缝自愈。堵缝材料采用粘土，顶部高程由水库放空的最低水位560.00m确定，宽度在满足施工要求的前提下根据工程经验确定为10m；保护料采用工程弃渣料，坡度由边坡稳定控制，确定为1:2.5。图1面板堆石坝最大横剖面图4.2坝体应力和变形分析计算应用软件为清华大学编制的土石坝计算程序“efesd”，计算模型采用e-b模型。坝料计算参数依据堆石坝石料试验成果整理而成。计算过程分竣工期及正常运行期。计算最终结果汇总于表4，详细成果参见坝体应力位移等值线图。表4坝体应力和变形计算成果工况坝体位移最大值（m）堆石体应力最大值（mpa）水平位移竖直沉降大主应力小主应力竣工期-0.13(向上游)0.33(向下游)0.801.950.70运行期-0.08(向上游)0.34(向下游)0.802.000.70从坝体位移等值线图可以看出，坝体的变形符合一般规律。由于上游围堰与坝体结合部分先期填筑，坝轴线两侧并不呈对称分布，向下游侧变形大一点，最大值位于下游侧坝壳1/3坝高处。从坝体应力等值线图中可以看出，主应力的大值区都集中在面板的下部区域。堆石区应力较小，大主应力未超过2.0mpa，小主应力未超过0.70mpa。正常运行期与竣工期比较，水平位移、应力变化均不大，坝体稳定性较好，后期变形空间较小。图5竣工期水平位移等值线图（m）图6竣工期竖直沉降等值线图（m）图7竣工期大主应力等值线图（mpa）图8竣工期小主应力等值线图（mpa）图9运行期水平位移等值线图（m）图10运行期竖直沉降等值线图（m）图11运行期大主应力等值线图（mpa）图12运行期小主应力等值线图（mpa）5坝基处理河床部位：根据地质勘探资料，坝轴线前河床冲积层厚度在9m左右，其下部为弱风化基岩，因冲积层厚度不大，趾板及坝轴线前坝体基础部位冲积层均全部清除。两岸部位：根据地质资料，开挖深度2m~12m。岩基上趾板下部设两排固结灌浆孔，排距3.0m，孔距2.0m，呈梅花形布置。趾板中部布置帷幕灌浆孔，帷幕灌浆深入岩体透水率3lu线以下5m，因左坝肩相对隔水层埋藏较深，帷幕灌浆深度按0.3倍坝高确定；坝顶高程左岸灌浆洞水平向深入110m，右岸160m，帷幕最大深度约为110m。2坝料试验成果①原岩物理力学试验成果表明，溢洪道岩样大部分岩石的节理、裂隙孔洞发育，岩石为弱风化及其上部，故孔隙率、最大吸水率偏大。旧家箐石料场岩石的抗压强度值变化较大，粉砂质泥岩及泥质粉砂岩表现尤为明显，这是由于岩石本身的不均匀性所引起的。②密度试验结果，过渡料最大干密度为2.16g/cm3～2.19g/cm3，平均2.18g/cm3；垫层料最大干密度2.24g/cm3～2.27g/cm3，平均2.26g/cm3，在满足试验级配条件下，密度值较大。③压缩成果表明，堆石料的压缩系数值随压力增大而减小，相应压缩模量值随压力的增大而渐增，但压缩模量增加的幅度较缓，少部分有下降的情况，堆石料的压缩性符合一般粗粒料的压缩规律。④垫层料的渗透系数为1.46×10-3cm/s～7.15×10-3cm/s，属半透水料。过渡料的渗透系数为2.36×10-1cm/s～5.70×10-1cm/s，堆石料的渗透系数为1×10-2cm/s～1×100cm/s，过渡料及堆石料为透水性材料。各组料的渗透系数与其自身的颗粒组成及岩性一致，满足设计要求。⑤三轴试验成果表明，垫层料cd剪在σ3=100kpa～500kpa范围内，有效强度φcd为40.5°～41.2°；过渡料cd剪的有效强度φcd为38.1°～38.2°；堆石料cd剪的有效强度φcd为37.0°～40.8°，强度值较高。此外，邓肯e—b模型参数中，初始弹性模量k和体积模量都比较高。⑥旧家箐石料场和溢洪道开挖的弱风化及以下的砂岩料，堆石料压缩变形小，压缩模量高，抗剪强度、初始弹性模量k和体积模量都比较大，其透水性、变形、强度及弹性模量能满足龙马水电站堆石坝筑坝材料的要求。以上石料浸水湿化后对其强度有一定影响，施工中应根据岩石情况分区使用。试验成果与岩性、风化程度、密实度、试验条件有关，与原岩的物理力学性成果基本一致。各石料的渗透性、压缩指标及三轴试验成果相互对应，成果平行关系好，反映了试验材料的基本特性。图2石料颗粒级配曲线3坝料填筑参数坝体填筑标准根据坝料室内试验及现场碾压试验结果，并参考类似已建工程最终确定如表1。表1坝料填筑参数表序号坝料种类干密度〔g/cm3〕孔隙率〔〕最大粒径（mm）渗透系数(cm/s)铺料厚度(mm)最少碾压遍数1垫层料（2a）2.24≤18801×10-3～1×10-4≤40062特殊垫层区料（2b）2.24≤18301×10-3～1×10-4≤40063过渡料（3a）2.18≤20300>2.36×10-1≤40084主堆石区（3b）2.16≤21800＞1×100≤80085次堆石区（3c）2.17≤21800＞1×10-1≤80086粘土料（1a）≤3007任意料（1b）≤6008块石护坡（p）15004坝体计算4.1坝坡稳定分析
坝坡稳定分析采用二维线性计算，采用stab2000进行计算，滑裂面为圆弧（毕肖普法）。选取面板堆石坝典型断面进行计算，堆石体完全透水，不考虑面板作用。坝料计算参数依据堆石坝石料试验成果整理而成。
表2坝坡稳定计算参数坝料名称γ(t/m3)γs(t/m3)强度指标φ(度)△φ(度)1垫层料2.242.4255.1013.522过渡料2.182.3854.5112.293堆石料2.162.3851.6710.954上游围堰2.162.3851.6710.955堆石料(软岩)2.162.3851.6710.956基岩2.452.50700表3坝坡稳定计算成果序号计算工况安全系数允许安全系数1正常运行期下游坝坡1.7591.302正常运行期下游坝坡7度地震1.6281.20图3正常运行期下游坝坡稳定计算简图图4正常运行期7度地震下游坝坡稳定计算简图
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