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1壩體料力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1料場

主壩壩體填筑料采用當(dāng)?shù)厣皫r石渣料和泥巖石渣料。砂巖石渣料有斜石壩和牛場寨2個(gè)料場。斜石壩有用層為J2s2-4弱風(fēng)化—新鮮巨厚層砂巖，弱風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度8.05～8.57MPa，軟化系數(shù)0.52，厚度6.9～13.8m；牛場寨有用層為J2s2-4弱風(fēng)化—新鮮巨厚層砂巖，弱風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度7.90～9.77MPa，軟化系數(shù)0.50，厚度14.9～23.1m。

1.2現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)

1.2.1初次碾壓試驗(yàn)

為了確定壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)和壓實(shí)采用的參數(shù)（碾壓設(shè)備型號(hào)、振動(dòng)頻率及重量、行進(jìn)速度、鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)等），對筑壩材料進(jìn)行不同的鋪土厚度、不同碾壓遍數(shù)和加水與不加水等多種不同工況的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)選擇25t自行式振動(dòng)平碾，分不加水和加水2種試驗(yàn)工況。加水工況分3種鋪土厚度（60、80、100cm），3種碾壓遍數(shù)（4、6、8遍），1種行車速度（2.5km/h）；不加水工況分3種鋪土厚度（60、80、100cm），2種碾壓遍數(shù)（4、6遍），1種行車速度。從試驗(yàn)成果看，加水工況下的干密度較不加水工況下的干密度高。同一區(qū)域不同碾壓遍數(shù)下，平均干密度值隨鋪土厚度的變化幅度不完全相同，但總體的變化規(guī)律較為相似，平均干密度值隨鋪土厚度的增加有較為明顯的減小，鋪土厚度從60cm增加到80cm時(shí)的干密度減小幅度較鋪土厚度從80cm增加到100cm時(shí)要小。平均干密度值隨碾壓遍數(shù)的增加呈規(guī)律性的增加，碾壓遍數(shù)從4遍增加到6遍時(shí)的干密度增加幅度較碾壓遍數(shù)從6遍增加到8遍時(shí)要大。

1.2.2補(bǔ)充碾壓試驗(yàn)

現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)完畢后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對砂巖料做補(bǔ)充試驗(yàn)，補(bǔ)充碾壓試驗(yàn)鋪土厚度80cm和100cm，碾壓遍數(shù)8遍，激振力390kN。加水量為5.5%（按試驗(yàn)料填筑體積計(jì)算），并在上料攤鋪過程中灑水，以使灑水更為均勻。從砂巖料的補(bǔ)充試驗(yàn)可以看出，隨著激振力的提高，干密度較碾壓試驗(yàn)都有0.02g/cm3的提高，說明碾壓激振力對干密度值的提高有較為明顯的影響。從顆粒級配曲線上也可以看出，試驗(yàn)料破碎情況較碾壓試驗(yàn)更為顯著，累計(jì)平均沉降量的變化趨勢與碾壓試驗(yàn)變化規(guī)律相似。根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，確定壩體施工碾壓參數(shù)：砂巖加水、鋪土厚度80cm、激振力390kN、碾壓8遍，設(shè)計(jì)干密度2.03g/cm3。

2主壩設(shè)計(jì)

2.1主壩壩體設(shè)計(jì)

主壩壩型為瀝青混凝土心墻石渣壩，壩頂高程354.20m，防浪墻頂高程355.60m，最低建基面高程311.50m，最大壩高42.70m。壩頂總長678.15m，壩頂寬7m。大壩上游在高程333.50m以上邊坡為1∶2.25，高程333.50m以下至高程323.00m坡度為1∶2.5，再以下為1∶2.75，高程333.50m設(shè)寬4.275m馬道，323.00m高程設(shè)5m寬馬道；下游327.00m高程以上邊坡為1∶1.9，以下為1∶2，分別在高程340m及327m處設(shè)置馬道，馬道寬度均為2m。瀝青混凝土心墻采用直心墻形式，厚度在高程331.0m以上為0.50m，以下為0.70m，墻頂高程為353.40m，高于校核洪水位353.32m。心墻底部2m為漸變段，與混凝土齒槽相接處心墻加厚至1m，混凝土齒槽混凝土采用C20W6，二級配，瀝青混凝土心墻與混凝土齒槽采用止水銅片連接，為保證瀝青混凝土和混凝土齒槽良好連接，齒槽頂部設(shè)反弧，反弧上鋪設(shè)20mm瀝青瑪蹄脂。心墻上、下游側(cè)分別設(shè)2m厚的過渡層，作為瀝青混凝土心墻的持力層和保護(hù)層，過渡層至壩基逐漸加厚與基礎(chǔ)相接。心墻過渡層后布置水平排水，壩腳設(shè)貼坡排水，與水平排水相接。水平排水采用排水條帶形式，梯形布置，底寬5.0m，兩側(cè)邊坡1∶1.2，中間為塊石，四周包反濾，沿壩軸線自左向右設(shè)有6條排水帶。貼坡排水頂高程327m，坡比1∶2，貼坡排水厚度0.5m，采用干砌石砌筑，排水下設(shè)2層反濾，每層厚度0.30m。壩腳設(shè)縱向排水溝，并在河床壩段設(shè)排水溝將主壩滲水導(dǎo)入下游河道。大壩上游面下部采用干砌塊石護(hù)坡，上部采用混凝土預(yù)制塊護(hù)砌；壩體下游面采用草皮護(hù)坡。壩體分為上游石渣區(qū)、上游臨時(shí)擋水?dāng)嗝妗r青心墻、心墻過渡層和下游石渣區(qū)。心墻過渡層料、反濾料、水平排水、貼坡排水等均采用強(qiáng)度較高的灰?guī)r石料。上游臨時(shí)擋水?dāng)嗝娌捎脧?fù)合土工膜臨時(shí)防滲。壩殼料采用強(qiáng)度較高的砂巖石渣料填筑。心墻過渡料設(shè)計(jì)干密度2.10g/cm3，根據(jù)《重慶玉灘水庫擴(kuò)建工程現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)報(bào)告》確定砂巖石渣料干密度不小于2.03g/cm3，鋪土厚度80cm，碾壓8遍。為控制施工期沉降，滿足加快施工進(jìn)度要求，主壩心墻施工一、二期填筑高程統(tǒng)一后，主壩下游過渡料設(shè)計(jì)干密度由2.10g/cm3調(diào)整為2.15g/cm3；石渣料設(shè)計(jì)干密度由2.03g/cm3調(diào)整為2.07g/cm3。下游石渣料每層虛鋪厚度為60cm，最大粒徑為45cm。壩殼石渣料滲透系數(shù)不大于1×10-3cm/s。反濾料要求相對密度不小于0.70。

2.2主壩有限元分析

玉灘水庫主壩分別進(jìn)行二維、三維有限元計(jì)算。瀝青混凝土心墻和壩體填筑體采用鄧肯-張（Ducan-Chang）E-B非線性模型模擬，混凝土采用線彈性模型模擬；瀝青混凝土心墻與過渡層的接觸面采用薄層接觸面單元模擬。分析主壩二維、三維有限元計(jì)算結(jié)果，有下列結(jié)論：（1）由于壩軸線較長，沿壩軸線方向地形變化較緩，主壩的河谷三維效應(yīng)很小，壩體應(yīng)力位移的最大值發(fā)生在最大斷面壩段，即樁號(hào)0+180至樁號(hào)0+300的壩段。該壩段范圍內(nèi)的二維和三維計(jì)算結(jié)果基本一致。（2）壩體在自重作用下的沉降量最大為30cm，沉降變形在壩高的1％以內(nèi)；蓄水后，由于上游側(cè)壩殼浮力的作用，壩體沉降略有減小，為28cm。竣工期壩體的向下游的水平位移最大為14cm；蓄水后，由于水壓力的作用，壩體向下游的水平位移增加到21cm。整個(gè)壩體的應(yīng)力分布較好：竣工期壩體絕大部分區(qū)域應(yīng)力水平都較小（小于0.5MPa）；蓄水期，除心墻上游側(cè)臨近區(qū)域應(yīng)力水平達(dá)到0.9MPa外，壩體其它區(qū)域的應(yīng)力水平較小（小于0.6MPa）。（3）竣工期瀝青混凝土心墻的水平位移很小，沉降較大，沉降最大值約29cm，發(fā)生在最大斷面壩段的心墻中部。蓄水期，由于水壓力的作用，瀝青混凝土心墻發(fā)生向下游的水平變形，位移最大約為20cm，發(fā)生在最大斷面壩段的心墻上部。竣工期，瀝青混凝土心墻的應(yīng)力接近自重應(yīng)力分布，大主應(yīng)力最大值約1MPa，小主應(yīng)力最大值0.35MPa。蓄水期，除墻底部應(yīng)力略有減小外，其它部位瀝青混凝土心墻的應(yīng)力混凝土竣工期一樣，接近自重應(yīng)力分布，大主應(yīng)力最大值約0.9MPa，小主應(yīng)力最大值0.42MPa。無論竣工期還是蓄水期，瀝青混凝土水平的應(yīng)力水平都較小，均小于0.4MPa。用應(yīng)力水平來評價(jià)瀝青混凝土心墻的安全性，則瀝青混凝土心墻有較大的安全裕度。

3主壩基礎(chǔ)處理

本工程主壩采用瀝青心墻石渣壩，大（2）型水庫，根據(jù)規(guī)范，基礎(chǔ)透水率應(yīng)控制在5Lu以下。透水率q大于5Lu的底界高程為：左壩肩304m；右壩肩310m；河床274m。根據(jù)地質(zhì)建議，心墻及反濾層部位基礎(chǔ)開挖至弱風(fēng)化中下部巖體，其余部位適當(dāng)放寬，開挖到弱風(fēng)化上部。心墻下布置灌漿帷幕，與心墻相連，形成壩體、壩基的防滲體系。采用單排幕，孔距2m。壩基相對不透水層按透水率小于5Lu控制，防滲帷幕伸入相對不透水層5m。主壩帷幕長724.40m，下限高程左岸為295m，河床270m，右岸305m。根據(jù)《帷幕灌漿試驗(yàn)報(bào)告》確定帷幕灌漿孔距2.0m，灌漿壓力是根據(jù)地質(zhì)情況、孔序情況控制0.5～1.2MPa。壩基防滲帷幕在左岸與溢洪道控制段防滲帷幕連成一體，右岸與單薄分水嶺防滲幕體相接。為加強(qiáng)壩基基巖的整體性及心墻基座與基礎(chǔ)的緊密連接，在心墻下設(shè)2排固結(jié)灌漿孔進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔距3.0m，孔深6.0m。

4結(jié)語

（1）玉灘水庫2008年開工建設(shè)，2010年底主壩填筑到壩頂，2012年水庫正常蓄水，目前大壩運(yùn)行良好，經(jīng)受了洪水考驗(yàn)。（2）玉灘樞紐主壩采用瀝青混凝土心墻軟巖石渣壩。軟巖作為介于土、石之間的一種材料，其性狀有別于土、石，理論基礎(chǔ)相對較為薄弱，但對于缺少理想筑壩料源的地區(qū)來講，其利用和推廣有著廣闊的空間。隨著土工試驗(yàn)技術(shù)、大型土工試驗(yàn)儀器的發(fā)展以及大功率震動(dòng)平碾的使用，對筑壩材料的限制也在逐步的突破和放寬，并嘗試采用任意石渣料筑壩。軟巖筑壩技術(shù)在國內(nèi)外壩工界也在逐漸起步，一些大壩將軟巖開挖料布置在下游壩體干燥區(qū)，達(dá)到了一定的節(jié)省投資目的。玉灘水庫主壩采用了壩殼全斷面軟巖填筑技術(shù)，對其他此類壩均有借鑒意義。

作者：陸永學(xué)時(shí)鐵城李婭李浩瑾單位：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司天津設(shè)計(jì)院中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司