强震区砂砾石筑坝技术进展

前沿　ＣＨＩＮＡ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　２０１　２．１　２　强震区砂砾石筑坝技术进展　关志诚　（水利部水利水电规划设计总院，１００１２０，北京）　摘要：现代工程技术的长足发展，让我国西部强震区建设高混凝土面板和沥青心墙砂砾石坝成为可能。在分析　国内外砂砾石坝的基础上，对砂砾石筑坝的工程特性、填筑标准与材料分区进行了研究，提出了解决其抗震稳定　性的措施，包括合理的坝体材料分区设计、加强坝体抗震措施和施工技术进步等。　关键词：砂砾石坝；混凝土面板；沥青心墙；抗震；措施　Ｄｍ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｓａｎｄ　ｇｒａｖｅｌ　ｉｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｚｏｎｅ／／Ｇｕａｎ　Ｚｈｉｃｈｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｅｎ￣ｎｅｅ６ｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｈｉｇｈ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆａｃｅｄ　ｒｏｃｋｆｉｌｌ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｓａｎｄ—ｇｒａｖｅｌ　ａｓｐｈａｌｔｉｃ　ｃｏｒｅｗａｌｌ　ｄａｍ　ｉｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｚｏｎｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｅｓｔｅｒｎ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ＣｈｉｎａＢａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　．ｏｆ　ｓａｎｄ　ｇｒａｖｅｌ　ｄａｍ　ｂｕｉｌｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｓａｎｄ　ｇｒａｖｅｌ　ｄａｍ，ｆｉｌｌｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉｌ　ｚｏｎｉｎｇ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉａｅｄ　ｏｕｔ．Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｎｇ　ｉｔｓ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｚｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｄａｍ　ｂｏｄｉｅｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄ　ｇｒａｖｅｌ　ｄａｍ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｌａｂ；ａｓｐｈａｌｔｉｃ　ｃｏｒｅｗａｌｌ；ａｎｔｉ——ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ；ｍｅａｓｕｒｅｓ　中图分类号：Ｔｖ６４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—１１２３（２０１２）１２—０００４—０２　（高１２５　ｍ，１９８２年，砂砾石），委内瑞　拉的亚坎布坝（高１６２ｍ，１９９４年，砂　砾石），墨西哥的阿瓜密尔巴坝（高　１８７　ｍ，１９９４年，砂砾石／堆石）。　由于近２０年在强震区建设的高　混凝土面板和沥青心墙砂砾石坝大　世瞩目的成就，所积累的经验可为今　后同类工程建设借鉴。　一多未经过抗震检验，其抗震稳定安全　性在工程界尚有争议。这也与２０世　纪同类工程的抗震破坏和认识评价　、国内砂砾石坝建设情况　目前，已建、在建和正在设计的　以砂砾石料作为大坝主要填筑体的　约有２４座。已建典型的面板坝有新　疆吉林台一级（１５７　ｍ，２００６年）、青海　黑泉（１２３．５　ｍ，２００１年）、浙江珊溪　（１３２．５　ｍ，２０Ｏ０年）等；已建典型的碾　压式沥青心墙砂砾石坝有新疆下坂　地（７８　ｍ，２００９年）和四川冶勒（１２５　圣胡安娜坝坝址位于纳斯卡和南　美板块接合部附近破坏性构造边缘，　设计采用的抗震标准：里氏地震８－４　级：距已发生过震源最小距离５８　ｋｍ：　最大水平加速度０．５６　ｇ：强震持续时　有关。如密云水库白河斜墙砂砾石主　坝。其砂砾石料的砾石含量为２０％～　７０％，相对密度平均值为０．５９５，在　１９７６年唐山７．８级地震时．坝址地震　烈度Ⅵ度（坝基０．０５　ｇ，坝顶０．１４　ｇ），　间５．９　Ｓ；主导周期０．２　Ｓ：地震总持续　时间０．５～３　ｍｉｎ。主坝基岩位于河床　３０　ｍ以下。上游坝坡为１：１．５，下游坝　坡为ｌ：１．６，坝体积为２７０万ｍ　。大坝　坝体水位以下上游护坡全部滑落，产　生１５万ｍ　滑坡。　在我国当地材料坝建设快速发　展进程中，因地制宜、就地取材是设　计的重要原则。我国西部地区砂砾石　料分布广泛．具有就地取材的特点．　ｍ，２００７年）等。正在建设和设计的同　类坝型约有１３座。从分布范围看。工　程建设地点多处在西部高发地震区，　区域工程和自然环境较恶劣。　填筑材料取自坝上游瓦斯科河的砾　石冲积层，填料为洁净砾石，７　ｅｍ左　右粒径占５０％。通常最大粒径为６０　ｅｍ，自然容重２．２ｔ／ｍ３。坝建在３０ｍ厚　该物料的应用可大幅度节约建设资　金。经过近２Ｏ年来的技术进步和经　验总结．我国在砂砾石料工程特性研　二、国外已建砂砾石坝情况　目前世界上已建众多以砂砾石料　的砾石层上，设有混凝土板截水墙，　与砾石层上的趾板柔性连接。　国外已建砂砾石坝坡体地震破　究、坝体和坝坡抗震措施、填筑碾压　标准、合理利用材料综合分区，以及　采用新的施工方法与施工设备等方　面取得长足发展．并应用于面板与沥　为坝体的面板坝。其坝高在５０～１８７　ｍ　之间。如智利的圣胡安娜坝（高１１３　ｍ．　坝顶长３９０ｍ，１９９５年，砂砾石），哥　伦比亚的萨尔瓦吉纳坝（高１４８　ｍ，　１９８５年，砂砾硬砂岩）、戈里拉斯坝　坏实例：希腊的克雷玛斯塔心墙砂砾　石坝（１６３．０ｍ），建成同年发生８．１级　强震，坝址距震中６８．０　ｋｍ。坝址地震　青心墙砂砾石高坝建设中．取得了举　收稿日期：２０１２—０４—０５　强度影响约８级．地震引起滑坡垮　作者简介：关志诚。副总工程师。教授级高级工程师。　■４　前沿　２０１２．１２中国水利　坝。墨西哥拉维里塔心墙砂砾石、堆　石心墙坝（６０．０ｍ），１９６８年建成，１９８５　年９月遭遇８．１级强震，坝址距震中　约８５．０　ｋｍ．坝顶动峰值加速度６９６　ｇａｌ，地震引起上游坝壳沉降３１．８　ｃｍ，　下游坝壳沉降２１．８　ｅｍ，心墙沉降１２．０　ｃｍ。坝顶两侧反滤层顶部产生纵向裂　缝，坝顶水平位移约１７．０　ｅｍ等。　三、砂砾石筑坝的工程特性　１．砂砾石筑坝材料特点　①砂砾石料在较高围压下具有　较高的抗压强度和变形模量。压缩变　形较小。　②砂砾石料具有一定的级配，且　颗粒磨圆度较好，易于压实。　③便于施工，造价较低，料源丰　富，可就地就近取材。　（拥于填筑面板坝和沥青心墙坝时，　各料区间的应力变形易满足过渡条件。　⑤在低应力条件下，由于砂砾石　浑圆度影响其强度比堆石料低，地震　荷载易于剪胀、松动。　２，砂砾石料与爆破堆石料的　比较　①砂砾石料承载能力高，压缩变　形量小于爆破堆石，尤其是在运行期　变形量小，有利于混凝土面板伸缩缝　和沥青心墙正常工作。　②爆破堆石料是有棱角的材料，　咬合力较大，为非冲蚀性材料：而砂　砾石料粗颗粒磨圆度较好，咬合力　差，细料可被渗透水流冲蚀。故砂砾　石料抗冲蚀能力低，渗透稳定性差．　在渗流作用下易产生渗透破坏。　③关于抗震性能，作为坝体内部　组合填筑料区，砂砾石料具有与堆石　坝相当的抗震性能，但坡面一定厚度　抗震性能不如堆石坝。全断面填筑砂　砾石坝应采取坡面并具有一定复合　厚度的抗震措施，以确保坝体较高部　位的抗震稳定。　３．砂砾石料强度特性　砂砾石的工程特性（压实、抗剪　强度、浸水变形和渗透变形等）与其　颗粒级配有密切的关系。如砂砾石压　实的最大干密度与砾石含量Ｐ５（大于　５　ｍｍ颗粒含量）有密切关系．一般砾　石含量６０％～８０％的砂砾石其压实最　大干密度较高。砂砾石压实的最大干　密度与最大粒径有密切关系，在颗粒　级配曲线上截取不同最大粒径、砾石　含量Ｐ５不变的砂砾石料试验可见：　最大粒径越大，压实的最大干密度与　最小干密度都越大，因此可以测定不　同最大粒径砂砾石的压实特性，外延　得到筑坝砂砾石的压实特性。　四、砂砾石坝填筑标准与　材料分区　１．填筑标准　砂砾石料压实后具有较高的抗　剪强度和较低的压缩性，宜用于填筑　主堆石区，并按规定进行坝体渗流控　制设计。在施工初期．填筑标准应通　过碾压试验复核和修正，并确定相应　的碾压施工参数。在施工过程中，采　用碾压参数和孔隙率（或相对密度）　两种参数作为施工控制标准。相对密　度Ｄｒ填筑标准：　坝高日＜１５０　ＩＴＩ，Ｄｒ＝０．７５～０．８５　１５０　ｍ￣＜Ｈ＜２００　ｍ．Ｄｒ＝０．８－０．９　对重要的高坝，或筑坝材料性质　特殊，已有经验不能满足需要的情　况，应对其填筑标准进行专门论证。　按目前设计参数和施工方法。当震动　碾压机具的重量和激振力大于或等　于２５　ｔ时，一般在建工程压实填筑标　准Ｄｒ为０．８５。　２．典型分区设计　砂砾石坝（面板、心墙）应有合理　的分区填筑设计，以砂砾石料为主的　填筑体，其坝体分区设计以设置排水　体为特征。　面板坝按照类型（砂砾石料填筑　分区）可划分为：组合填筑式——主　受力区填筑砂砾石，坝体一定厚度表　部区填筑堆石料；全断面填筑式——　全部采用砂砾石料筑坝。滩坑面板坝　坝体分区设计中：砂砾石置于坝体中　部干燥区。是利用天然砂砾石料储量　丰富、承载能力高、缩变形小的特点；　坝下游坡一定范围内设置堆石区，是　利用堆石为非冲蚀材料、抗剪强度高　的特点。碾压式沥青心墙坝心墙两侧　设反滤过渡区．上下两侧坝体填筑砂　砾料利用与面板坝具有共性。　３．排水体设计　面板堆石坝设计规范中明确规　定：对渗透性不满足自由排水要求的　砂砾石、软岩坝体，应在坝体上游区　设置竖向排水区．与坝底水平排水区　连接，将可能的渗水排至坝外。设置　竖向排水区的顶部高程宜高于水库　正常运用最高蓄水位，排水区与坝体　问应满足水力过渡要求，必要时可设　置反滤层。我国大多已建同类工程在　砂砾石区中上游设置Ｌ形排水体，在　具体设计方案上，应考虑填筑体上升　过程填筑形态与两岸坝坡地形的关　系，注重排水体通畅与介质连续可靠　性，尤其要严格控制施工和物料质量。　不设排水体实例：墨西哥阿瓜米　尔帕坝为混凝土面板砂砾石坝．上游　坝坡为１：１．５，下游坝坡为１：１．４。防浪墙　高３　ｎｌ，坝体总体积为１　３００万ｒｎ　。大　坝趾板直接坐落在岩基上。趾板下游　９０ｍ以后的冲积层被保留作为堆石体　地基。经试验，天然冲积砂砾料的最小　渗透系数为２ｘ１０－３ｅｎｄｓ．属自由排水材　料的下限，且砂砾石中细料（粒径小于　０．０７４　ｍｍ）含量少于２％．坝体主堆区和　３　Ｃ区堆石也均是透水的。故在坝基和　坝体内不设竖向和水平排水层。　五、面板及沥青心墙砂砾　石抗震措施　１．坝体抗震措施　在确定地震区坝的安全超高时，　应包括地震涌浪高度。设计烈度为　Ⅷ、Ⅸ度时，安全超高应计人坝体和地　基在地震作用下的附加沉降。对库区　内可能因地震引起的大体积塌岸、滑　坡而形成的涌浪，应专门研究。坝体设　计抗震措施包括：　（下转第２０页）　５　ｍ　工程建设与管理　（上接第５页）　一定强度的可压缩填充材料。　应沉降变形能力则更好些。　①宜加大坝顶宽度，放缓坝坡　和采用上缓下陡的坝坡，在坝坡变　③坝坡附近一定厚度采用胶结　式砂砾石料，即砂砾料加拌水泥，以　②在下游坝坡附近应力较小区域　设置碾压堆石区．对坝体砂砾石有所　化处设置马道。采用高度较小的防　浪墙，并采取措施增加防浪墙的抗　震稳定性。　提高坝顶结构和坡面的抗震性能。　约束，有利于和保证大坝抗震稳定。这　样的坝坡可以陡些．可节约填筑量。　④对砂砾石坝上游面抗震防护　有待检验。对１５０ｍ级以上高坝，可　结合施工在上游面面板垫层料进行　拉锚工艺处理．以增加稳定性。　③抗震措施是西部地区面板砂　砾石坝建设必须要考虑的。要提高对　工程抗震安全重要性的认识．加强管　②对砂砾石料填筑坝体，应增加　排水区的排水能力。下游坝坡以内一　定区域宜采用堆石填筑。应加大垫层　区的宽度．加大与地基及岸坡的连接　六、结语　①压实后的砂砾石料比爆破堆　石料具有更高的变形模量。变形稳定　理和技术防御。具体设计中主要考虑　的是防患于未然．如高震区面板的连　接柔性，周边缝止水的可靠性，挤压破　坏与板问缝材料与构造。坝安全超高　和地震涌浪、高边坡处理、区内大型滑　宽度，当岸坡较陡时，宜适当延长垫　层料与基岩接触的长度，并采用更细　的垫层料。　时间短，高围压下强度衰减小，成本　低．尽管其抗渗透破坏和抗冲蚀能力　相对较低，但只要认真做好防渗排水　和坡面一定范围固化，砂砾石仍是修　筑高坝的理想材料。砂砾石料在低应　２．结构构造措施　①下游坡面上部宜采取坡面防　护和坝坡加固措施。可选用浆砌石护　坡、加筋混凝土格构梁、加筋土工织　物、锚固筋或锚固混凝土梁等措施，　也可采取多项措施的组合方式。　坡体大对工程安全的影响等。　参考文献：　■　［１】邓铭江，等．新疆坝工建设［Ｍ】．北　京：中国水利水电出版社，２０１１．　『２］关志诚，土石坝ＩＭ］／／水工设计手　力条件下，由于受浑圆度影响，其强　度比堆石料低。地震荷载易于出现剪　胀、开裂、滑脱等。在高应力水平条件　下，强度与堆石相当，高应力条件适　册（第二版），第六卷．北京：中国水利　水电出版社．２０１２．　②部分面板垂直缝内宜填塞沥　青．用于浸渍木板、橡胶板或其他有　责任编辑张金慧　一：２０