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、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、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，考虑机械设备需要的最小宽度，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；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、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
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，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 |
≤18 |
80 |
1×10-3～ 1×10-4 |
≤400 |
6 |
|
2 |
特殊垫层区料 （2B） |
2.24 |
≤18 |
30 |
1×10-3～ 1×10-4 |
≤400 |
6 |
|
3 |
过渡料 （3A） |
2.18 |
≤20 |
300 |
&>2.36×10-1 |
≤400 |
8 |
|
4 |
主堆石区 （3B） |
2.16 |
≤21 |
800 |
＞1×100 |
≤800 |
8 |
|
5 |
次堆石区 （3C） |
2.17 |
≤21 |
800 |
＞1×10-1 |
≤800 |
8 |
|
6 |
粘土料 （1A） |
|
|
|
|
≤300 |
|
|
7 |
任意料 （1B） |
|
|
|
|
≤600 |
|
|
8 |
块石护坡 （P） |
|
|
1500 |
|
|
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4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 |
2.24 |
2.42 |
55.10 |
13.52 |
|
2 |
过渡料 |
2.18 |
2.38 |
54.51 |
12.29 |
|
3 |
堆石料 |
2.16 |
2.38 |
51.67 |
10.95 |
|
4 |
上游围堰 |
2.16 |
2.38 |
51.67 |
10.95 |
|
5 |
堆石料(软岩) |
2.16 |
2.38 |
51.67 |
10.95 |
|
6 |
基 岩 |
2.45 |
2.50 |
70 |
0 |
表3 坝坡稳定计算成果
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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 |
1.759 |
1.30 |
|
2 |
正常运行期下游坝坡7度地震 |
1.628 |
1.20 |
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
4.2坝体应力和变形分析
计算应用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) |
0.80 |
1.95 |
0.70 |
|
运行期 |
-0.08 (向上游) |
0.34 (向下游) |
0.80 |
2.00 |
0.70 |
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。