铜灌口水库坝基覆盖层的研究及利用

王 益，张全意，陈清松

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州遵义 563002)

1 工程概况

铜灌口水库位于贵州省习水县西南面自然保护区内，工程建设任务为农田灌溉、乡镇及农村人畜饮水。坝址以上流域面积109km2，水库正常蓄水位749.00m，总库容1140万m3。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高86m。

坝址区河谷狭窄，河床高程676～699m，河谷呈“V”形，谷宽50～80m，两岸不对称，左岸在744m高程以下坡度为40～65°、以上为陡岩，右岸多为陡坡地形，两岸及河床基岩由白垩系夹关组下段K2j1的砂岩、长石岩屑砂岩夹泥岩等组成，岩层产状N35～45°E/SE∠5～8°，倾下游偏右岸。据前期勘探揭示，坝址河床覆盖厚10.5～24.6m，主要为崩塌堆积物和河床冲洪积物，为大(巨)块石、卵砾石等组成，其结构松散，渗透性强，均一性差，存在不均匀沉降和渗透变形等问题，河床段大坝基础设计初步设计方案是上游趾板及低压缩区开挖至弱风化岩体上部，其余堆石区范围将清除覆盖层，全部坐落于基岩上。

由于工程区两岸山高坡陡，施工条件差，在确保工程安全的前提下，为了减少坝基开挖和坝体填筑量，降低施工强度，节省工程投资，并减少对工程区环境影响，在实施阶段对坝基覆盖层进行了大量勘探、试验工作，结合坝体结构设计，采用三维有限单元法，研究了河床段堆石区不同范围覆盖层开挖方案时，不同设计工况下，对坝体、面板和接缝系统的应力变形特性，确定坝基覆盖层的合理利用的设计方案。

2 坝基覆盖层结构

结合坝址区工程地质条件，为了进一步查清坝基覆盖层的物质成分、结构及相应的物理力学特性等，对铜灌口水库大坝堆石区河床范围内覆盖层布置钻探、注水试验、跨孔声波、颗粒级配分析、载荷及其他物理力学试验等工作。

2.1 钻孔及注水试验

在初步设计阶段勘探资料基础上，沿河床坝轴线附近布置10个钻孔，为了满足跨孔声波检测要求，孔距控制20m以内(采用梅花形布置)。

根据钻孔揭露覆盖层厚度为9.6～16.7m，其中顶部为松散的堆积层，厚为0.5～2.1m，下部为块石、卵石、沙等，钻孔内除局部存在腐殖物分布外未见黏土、淤泥，不存在掉钻等其他导常现象。

顺河流向选择8个钻孔作注水试验，其渗透系数k=1.1×10-3～1.7×10-2cm/s，仅局部点为9×10-4cm/s，属中等透水。覆盖层钻孔勘探及注水试验成果见表1。

表1 覆盖层钻孔勘探及注水试验成果

2.2 声波检测

在钻孔ZK1～ZK10内进行跨孔声波CT探测，测试深度1.0～3.2m左右，声波波速在1510～2070m/s之间，为块石含细沙等;测试深度2.0～7.2m左右，声波波速在1820～2530m/s之间，为块石、卵砾石、含细沙等;测试深度7.0～15.0m左右，声波波速在2440～3040m/s之间，为块石、卵砾石含细沙等;测试深度9.6～15.7m左右，声波波速在2870～3420m/s之间，推测岩性为砂岩、粉砂岩等。

由上述跨孔声波探测数据，其河床覆盖层从上至下均匀性增加，波速较高，均大于1500m/s，推测为覆盖层越往下越密实，且不存在黏土层、淤泥等不良地质的集中分布，工程地质条件较好。

2.3 颗粒级配分析及容重试验

河床内随机选取了4个取样点进行颗粒级配分析，其中1号、2号、3号取样点均位于河床左侧，4号取样点位于河床右侧，取样深度均在现场开挖地表面以下1m左右。各样点颗粒级配见表2。

表2 河床覆盖层颗粒级配试验

上表中统计的数据，4组样品中大于5mm的颗粒含量为77.37% ～89.77%，0.075～5mm的颗粒含量为7.68%～20.12%，小于0.075mm的颗粒含量为2.18% ～2.72%，覆盖层主要以粗颗粒为主，粉粒、黏粒极少，小于0.075mm细颗粒含量均在3%以下。现场抽取4组样同时作容重测试，其干容重为2.17～2.36t/m3。

2.4 载荷试验

根据现场实际情况，选取了3个载荷试点。各点测试结果详见表3。

表3 浅层平板载荷试验成果

根据测试结果分析，选取的3个试点承载力的特征值均大于400kPa，试点2的变形模量明显高于其余两个试点，推测由测点下卧大孤石所致，其余覆盖层试点变形模量大于70MPa。

3 坝基覆盖层利用

3.1 大坝结构设计

大坝设计坝顶宽7.50m，坝顶高程756.00m，坝顶长202.00m，最大坝高86.00m，最大坝底宽252.39m，坝顶上游设L形防浪墙，上游坝面综合坝坡1∶1.506，下游坝坡结合大坝填筑施工上料方便，按“之”字形公路布置，路宽6.5m，综合坡比1∶1.57。坝体填筑材料分区从上至下分别为垫层(水平宽3m)、过渡层(水平宽4m)、主堆石区及次堆石区，其中垫层料、过渡料为弱风化砂岩料，主堆石为弱风化砂岩料(含10% ～20%强风化砂岩及泥岩料)，下游堆石为弱风化砂岩料(含20% ～30%强风化砂岩及泥岩料)。防渗面板和趾板采用C25混凝土，抗渗及抗冻等级分别为W8、F100。坝体分区材料设计参数及压实标准见表4及大坝剖面示意图。

表4 坝体分区材料设计参数及压实标准

3.2 覆盖层利用分析计算

根据坝基覆盖层检测的上述物质成分、结构及相应的物理力学参数等，结合坝体结构设计，采用三维有限单元法，对河床覆盖层利用选择了四种方案，即覆盖层开挖范围从趾板以下分别按40m、70m、100m及全开挖进行计算分析，其计算成果见表5。

大坝剖面示意图

表5 不同覆盖层开挖范围时大坝的应力变形指标

上述三维有限元计算结果表明，由于覆盖层的变形模量要高于主、次堆石料，故开挖范围越小，即河床覆盖层利用越多，坝体、面板的变形和接缝的三向变位越小，且面板的轴向和顺坡向拉压应力始终未超过面板混凝土的强度，大坝的应力变形性状相比大范围开挖反而更加有利。该水库大坝可优先考虑在覆盖层上直接筑坝。其中覆盖层开挖范围为趾板下游40m时:

a.水库蓄水后坝体的轴向位移分别为8.9cm(指向左岸)和6.4cm(指向右岸);坝体的顺河向位移分别为3.7cm(指向上游)和16.6cm(指向下游);沉降为53.2cm，约占坝高的0.62%，其变形均在同类工程的常见位移量值范围。大坝竣工期和蓄水期，坝体的水平应力均小于1.0，坝料不会出现剪切破坏。

b.面板指向左岸和指向右岸的轴向位移均为1.9cm;面板挠度约16.3cm，挠曲率为1.12‰，亦在常见范围内。除两岸坡附近和河床坝段面板底部之外，面板绝大多数区域处于三向受压的良好应力状态，轴向和顺坡向压应力极值分别为2.88MPa和3.62MPa;轴向和顺坡向拉应力分别为0.20MPa和0.68MPa，均低于面板混凝土的抗压和抗拉强度，故面板不会出现压碎或拉裂。

c.周边缝的最大剪切、沉陷和张拉分别为5.8mm、14.7mm和18.6mm;垂直缝的最大张拉为1.9mm，接缝变位均未超出现代止水材料的可承受范围。

另外，经三维有限元分析计算，上、下游坝坡最危险滑弧的安全系数分别为1.77、1.71，均高于允许值1.25。

3.3 坝基覆盖层利用

通过上述坝基覆盖层分析计算成果，本工程在施工图阶段设计坝基河床仅挖除趾板及40m低压缩区范围的覆盖层，其余坝基覆盖层保留利用，减少坝基开挖和填筑工程量均在20万m3以上，降低了施工强度，确保度汛目标。河床趾板区基础开挖揭露覆盖层结构和勘探成果基本一致。

为使坝基具有较好的反滤性、透水性及排水效果，对主堆石区、下游堆石区河床部分设置2.0m厚过渡层和3.0m厚排水区。

4 结语

铜灌口水库工程坝基通过大量勘探、试验工作，在查清覆盖层结构及相关物理力学特性的基础上，对河床堆石区范围内覆盖层不同开挖方案进行计算分析后，采用坝基只挖除上游趾板附近的覆盖层方案，完全满足了设计要求。这不仅减少了开挖量和坝体填筑量，降低了施工强度，减少了对弃碴征地和周边自然保护区影响，实现了保护工程区环境、节省工程投资、缩短工期的综合效益，同时还为覆盖层的利用积累了经验。◆

1 SL 228—2013混凝土面板堆石坝设计规范［S］.

2 南京水利科学研究院.习水县铜灌口水库工程大坝基础砂砾石层利用研究分析报告［R］.2013，8.

3 遵义水利水电勘测设计研究院习水县铜灌口水库工程大坝优化设计报告［R］.2013，9.