摘要：龍馬水電站面板堆石壩最大壩高135m，其特點是壩址、料場岸坡陡峻，趾板開挖、料場開采、壩料運輸道路施工難度大。壩料主要來源于料場和溢洪道開挖料，根據壩料特點進行了分區設計；對壩料進行了室內試驗及現場碾壓試驗，根據試驗結構確定了壩體填筑標準。

關鍵詞：壩體分區 壩坡穩定 應力和變形 基礎處理 面板堆石壩 龍馬水電站

1壩體分區設計

龍馬水電站面板堆石壩最大壩高135m，壩頂長315m，壩頂寬10m，壩頂高程643.0m，上游設防浪墻。上游壩坡1:1.4，下游壩坡1:1.35，分別在603.0m、563.0m高程設兩臺2.5m寬馬道。上壩料為壩址下游左岸的舊家箐料場、右岸清水河料場和溢洪道開挖料，其主要成分為石英砂巖。

面板頂部厚度0.3m，漸變至面板底部，厚度為0.7m。面板分縫分塊根據地形、有限元計算的壩體變形、施工條件進行分塊，垂直縫間距12m。

根據運行期間對壩體各部位的要求，壩體材料進行分區設計。分區的原則是：對料場開挖料的特性認真研究，在保證工程安全、經濟的前提下，充分利用建筑物開挖的有用料；各區壩料從上游到下游滿足水力過渡要求，相鄰區下游壩料對其上游區有反濾保護作用；蓄水后壩體變形盡可能小，從而減小面板和止水系統遭到破壞的可能性。根據料源及對壩料強度、滲透性、壓縮性、施工方便和經濟合理等要求，將壩體從上游到下游分為墊層區、過渡區、主堆石區、下游次堆石區，并在面板上游設壩前覆蓋料。

2A區為面板下的墊層區，考慮施工機械設備施工需要的最小寬度，確定墊層水平寬度為3.0m；3A區為墊層下的過渡區，亦考慮施工要求，水平寬度為4.0m；3B區為主堆石區，為級配良好的砂巖堆石料；3C區為次堆石區，位于壩體下游部位，可利用建筑物開挖料和砂泥巖料。下游壩面塊石護坡，厚度1m。

1A區為上游壩腳粘土鋪蓋區，1B區為上游壩腳回填石渣蓋重區。

1.1墊層料

工程區天然砂礫料儲量較小，墊層料采用料場弱風化以下巖體軋制而成。對墊層料的設計有如下要求：應有較高的變形模量及抗剪強度，能維持自身的穩定，對面板起到良好的支撐作用；墊層料應具有半透水性質，在面板及接縫開裂破壞時，可以起到限制壩體的滲漏量并保持自身抗滲穩定，對細粒料起到反濾作用，滲漏發生時通過細粒料堵塞滲流通道自愈，起到一定的擋水作用；施工中不易分離，便于平整坡面，使面板受力均勻。

墊層料的寬度按以上要求并考慮抗震、施工要求確定；級配根據工程經驗和試驗結果確定，最大粒徑80mm，特殊墊層料最大粒徑30mm。小于5mm含量30%～50%，小于0.075mm含量不大于8%。經過試驗，壓實后滲透系數為（1.46～7.15）×10-3cm/s，相對密度不小于0.8。墊層料設計干密度為2.24g／cm3，孔隙率不大于18%。

在墊層料與主堆石料間設過渡料區，料源為料場開挖的弱風化以下巖石，物理力學指標要求與墊層料相近，即具有低壓縮性、高抗剪強度，對墊層料能起到反濾保護作用。根據墊層料的級配確定過渡料區的級配，最大粒徑為300mm，小于100mm含量大于15%，小于1mm含量不大于3%。過渡料設計干密度為2.18g／cm3，孔隙率不大于20%。經過試驗，滲透系數為（2.36～5.7）×10-1cm/s。

上游主堆石料區為水壓力的主要承載區，為避免面板產生較大的變形，要求有較高的壓縮模量及良好的透水性，筑壩石料應有較高的干、濕抗壓強度，在面板澆筑后，即使水庫蓄水壩體的變形增量也不大。可用于主堆石區的料源有弱風化、微風化及新鮮的砂巖。

下游堆石料區位于上游堆石區下游，壩料要求較主堆石區低，為充分、靈活利用建筑物開挖料，下游堆石料分為三個區：底部要求與主堆石區底部類似并具有足夠的透水性，頂部高程據下游最高水位確定為550.00m；上部采用建筑物開挖的強風化砂巖料（濕抗壓強度應大于40MPa），對石料的抗壓強度要求稍低；下游區為維持壩坡穩定，抵抗風化侵蝕，保護其上游側的軟巖料區，對石料的抗壓強度要求仍較高，采用弱風化及以下砂巖填筑。

堆石料最大粒徑為800mm，小于5mm含量不超過15%，小于0.075mm含量不大于5%。堆石料設計干密度為2.16g／cm3，孔隙率不大于21%。

面板上游的壩前覆蓋料區由堵縫材料和保護料組成，當面板較低部位（不具備檢修條件）出現裂縫、周邊縫止水破壞等原因產生大的滲漏水時，堵縫材料隨水流進入滲漏通道堵縫自愈。堵縫材料采用粘土，頂部高程由水庫放空的最低水位560.00m確定，寬度在滿足施工要求的前提下根據工程經驗確定為10m；保護料采用工程棄渣料，坡度由邊坡穩定控制，確定為1:2.5。

圖1 面板堆石壩最大橫剖面圖

① 原巖物理力學試驗成果表明，溢洪道巖樣大部分巖石的節理、裂隙孔洞發育，巖石為弱風化及其上部，故孔隙率、最大吸水率偏大。舊家箐石料場巖石的抗壓強度值變化較大，粉砂質泥巖及泥質粉砂巖表現尤為明顯，這是由于巖石本身的不均勻性所引起的。

② 密度試驗結果，過渡料最大干密度為2.16g/cm3～2.19g/cm3，平均2.18g/cm3；墊層料最大干密度2.24g/cm3～2.27g/cm3，平均2.26g/cm3，在滿足試驗級配條件下，密度值較大。

③ 壓縮成果表明，堆石料的壓縮系數值隨壓力增大而減小，相應壓縮模量值隨壓力的增大而漸增，但壓縮模量增加的幅度較緩，少部分有下降的情況，堆石料的壓縮性符合一般粗粒料的壓縮規律。

④ 墊層料的滲透系數為1.46×10-3cm/s～7.15×10-3cm/s，屬半透水料。過渡料的滲透系數為2.36×10-1cm/s～5.70×10-1cm/s，堆石料的滲透系數為1×10-2cm/s～1×100cm/s，過渡料及堆石料為透水性材料。各組料的滲透系數與其自身的顆粒組成及巖性一致，滿足設計要求。

⑤ 三軸試驗成果表明，墊層料CD剪在σ3=100kPa～500kPa范圍內，有效強度φcd為40.5°～41.2°；過渡料CD剪的有效強度φcd為38.1°～38.2°；堆石料CD剪的有效強度φcd為37.0°～40.8°，強度值較高。此外，鄧肯E—B模型參數中，初始彈性模量K和體積模量都比較高。

⑥ 舊家箐石料場和溢洪道開挖的弱風化及以下的砂巖料，堆石料壓縮變形小，壓縮模量高，抗剪強度、初始彈性模量K和體積模量都比較大，其透水性、變形、強度及彈性模量能滿足龍馬水電站堆石壩筑壩材料的要求。以上石料浸水濕化后對其強度有一定影響，施工中應根據巖石情況分區使用。試驗成果與巖性、風化程度、密實度、試驗條件有關，與原巖的物理力學性成果基本一致。各石料的滲透性、壓縮指標及三軸試驗成果相互對應，成果平行關系好，反映了試驗材料的基本特性。

圖2 石料顆粒級配曲線

壩體填筑標準根據壩料室內試驗及現場碾壓試驗結果，并參考類似已建工程最終確定如表1。

表1壩料填筑參數表

序號

壩料種類

干密度

〔g/cm3〕

孔隙率

〔%〕

最大粒徑

（mm）

滲透系數

(cm/s)

鋪料厚度

(mm)

最少碾壓

遍數

1

墊層料

（2A）

2.24

≤18

80

1×10-3～

1×10-4

≤400

6

2

特殊墊層區料

（2B）

2.24

≤18

30

1×10-3～

1×10-4

≤400

6

3

過渡料

（3A）

2.18

≤20

300

>2.36×10-1

≤400

8

4

主堆石區

（3B）

2.16

≤21

800

＞1×100

≤800

8

5

次堆石區

（3C）

2.17

≤21

800

＞1×10-1

≤800

8

6

粘土料

（1A）

≤300

7

任意料

（1B）

≤600

8

塊石護坡

（P）

1500

4壩體計算

4.1壩坡穩定分析

壩坡穩定分析采用二維線性計算，采用STAB2000進行計算，滑裂面為圓弧（畢肖普法）。選取面板堆石壩典型斷面進行計算，堆石體完全透水，不考慮面板作用。壩料計算參數依據堆石壩石料試驗成果整理而成。

表2壩坡穩定計算參數

壩料名稱

γ

(t/m3)

γs

(t/m3)

強度指標

φ(度)

△φ(度)

1

墊層料

2.24

2.42

55.10

13.52

2

過渡料

2.18

2.38

54.51

12.29

3

堆石料

2.16

2.38

51.67

10.95

4

上游圍堰

2.16

2.38

51.67

10.95

5

堆石料(軟巖)

2.16

2.38

51.67

10.95

6

基 巖

2.45

2.50

70

0

表3壩坡穩定計算成果

序 號

計 算 工 況

安全系數

允許安全系數

1

正常運行期下游壩坡

1.759

1.30

2

正常運行期下游壩坡7度地震

1.628

1.20

圖3正常運行期下游壩坡穩定計算簡圖

圖4 正常運行期7度地震下游壩坡穩定計算簡圖

計算應用軟件為清華大學編制的土石壩計算程序“EFESD”，計算模型采用E-B模型。

壩料計算參數依據堆石壩石料試驗成果整理而成。

計算過程分竣工期及正常運行期。

計算最終結果匯總于表4，詳細成果參見壩體應力位移等值線圖。

表4 壩體應力和變形計算成果

工況

壩體位移最大值（m）

堆石體應力最大值（MPa）

水平位移

豎直

沉降

大主

應力

小主

應力

竣工期

-0.13

(向上游)

0.33

(向下游)

0.80

1.95

0.70

運行期

-0.08

(向上游)

0.34

(向下游)

0.80

2.00

0.70

從壩體位移等值線圖可以看出，壩體的變形符合一般規律。由于上游圍堰與壩體結合部分先期填筑，壩軸線兩側并不呈對稱分布，向下游側變形大一點，最大值位于下游側壩殼1/3壩高處。

從壩體應力等值線圖中可以看出，主應力的大值區都集中在面板的下部區域。堆石區應力較小，大主應力未超過2.0MPa，小主應力未超過0.70MPa。

正常運行期與竣工期比較，水平位移、應力變化均不大，壩體穩定性較好，后期變形空間較小。

圖5竣工期水平位移等值線圖（m）

圖6竣工期豎直沉降等值線圖（m）

圖7竣工期大主應力等值線圖（MPa）

圖8竣工期小主應力等值線圖（MPa）

圖9運行期水平位移等值線圖（m）

圖10運行期豎直沉降等值線圖（m）

圖11運行期大主應力等值線圖（MPa）

圖12運行期小主應力等值線圖（MPa）

5壩基處理

河床部位：根據地質勘探資料，壩軸線前河床沖積層厚度在9m左右，其下部為弱風化基巖，因沖積層厚度不大，趾板及壩軸線前壩體基礎部位沖積層均全部清除。

兩岸部位：根據地質資料，開挖深度2m~12m。

巖基上趾板下部設兩排固結灌漿孔，排距3.0m，孔距2.0m，呈梅花形布置。趾板中部布置帷幕灌漿孔，帷幕灌漿深入巖體透水率3Lu線以下5m，因左壩肩相對隔水層埋藏較深，帷幕灌漿深度按0.3倍壩高確定；壩頂高程左岸灌漿洞水平向深入110m，右岸160m，帷幕最大深度約為110m。