一种砂板岩堆石料源的高土心墙堆石坝设计方法与流程

本发明涉及高土心墙堆石坝的，具体涉及一种砂板岩堆石料源的高土心墙堆石坝设计方法。

背景技术：

1、堆石坝具有就地取材、对复杂地质条件有良好的适应性、施工方法简单以及抗震性能好等优点，是世界坝工建设中最广泛采用的坝型。早期的堆石坝主要是抛填堆石面板坝。20世纪30年代至60年代由于土力学理论上的进步，心墙堆石坝得到了较为快速发展，坝高达到了150m量级。目前，心墙堆石坝坝高至300m量级，已成为当今高土石坝工程的主要代表性坝型。

2、高土心墙坝堆石料占总填筑量占比80％以上，对坝体变形影响较大。川藏地区高土心墙堆石料采用砂板岩料源较多，但砂板岩从物质组成、颗粒大小、胶结物等角度，有不同的分类方法和不同的名称。在工程上，一般砂岩根据物质组成和颗粒大小分为粗砂岩、细砂岩、粉砂岩及石英砂岩，板岩根据物质组成分为粉砂质板岩、泥质板岩、碳质板岩及绢云母板岩。

3、一般而言，砂岩饱和抗压强度较大，属坚硬岩，软化系数较大，各向异性差异不大，因此，砂岩作为坝体堆石料是较为理想的筑坝材料。板岩由于其组成物质差异性较大，强度变化较大，粉砂质板岩饱和抗压强度可达到中硬-坚硬岩，泥质板岩、碳质板岩及绢云母板岩的饱和抗压强度一般小于40mpa，属中硬、软岩范畴，需要有选择利用；由于板理结构的存在，砂板岩强度具有各向异性特点，平行板理结构方向和垂直板理结构方向强度差别较大；板岩破碎后一般以板状或片状的形式呈现，碾压破碎后粒形较差。板岩岩石试验表明，岩块干、湿抗压强度的差别较大，一般软化系数即湿抗压强度指标是干抗压强度的比值为0.5～0.75，表明板岩具有蓄水后沉降变形大的特点；因此，板岩作为坝体堆石料具有强度不均匀、各向异性明显、软化系数较小、破碎后粒形较差、遇水后湿化变形较大等工程特征。

4、从国内已建多座采用砂板岩高土石坝的监测资料来看，蓄水后的土石坝变形较大，且上游坝壳沉降大于下游坝壳有关。在外观变形中表现出“点头”现象；部分工程甚至发生了坝顶不均匀变形、坝顶纵向裂缝等异常变形现象导致影响坝体安全，其主要原因：堆石料料源为砂板岩互层，总体料源板岩含量较多，强度相对较差，造成坝体变形大且不协调；上游坝壳料如果采用强度较低的板岩含量较多，板岩料源和砂岩料源相比，具有湿化和后期变形大的典型特征，造成心墙和上游堆石存在湿化和后期变形数值差别大，特别是与心墙沉降过程和时段变形不一致，不同时段均存在变形差，故应尽量减少上游堆石的湿化和后期变形量，上游应尽量减少板岩料源使用。部分工程坝体下游干燥区域采用板岩堆石料，虽然在工程造价上能有效减低成本，但板岩堆石料的力学指标及透水性较差，会加大下游堆石区后期流变变形的影响，运行期大坝下游坝坡会出现坝坡表面塌陷等问题。

5、现有的设计方法是根据以往设计经验，坝壳堆石料分区的一般设计原则为：上游库水位变化区、坝顶部位、坝壳外部及下游坝壳底部，是坝体抗震和坝坡稳定的关键部位，应设置具有较高强度指标、透水性好的堆石料；上游死水位以下、下游坝壳内部堆石料强度指标要求可适当降低，采用强度指标稍低的次堆石料。但针对高坝如上游死水位以下采用较差次堆石料，蓄水后湿化作用仍很明显，坝顶裂缝风险仍较大；另外没有针对各堆石区有具体的碾压技术要求的区分；总体问题对上游堆石料要求不高，对堆石湿化研究不够、重视不足、碾压参数没有按照料源部位区分设计，对下游堆石区抗变形能力要求重视不够。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种砂板岩堆石料源的高土心墙堆石坝设计方法，解决上述背景技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括根据砂板岩料源分层和差异化特性进行堆石分区设计和填筑顺序，提出堆石料源各向异性强度指标要求，确定堆石料设计孔隙率和碾压参数控制指标，并通过固结实验成果确定填筑孔隙率设计控制要求。

3、优选的，根据砂板岩料源分层和风化卸荷特性进行堆石分区设计；

4、在上游堆石围堰以下高程设置堆石ⅱ区，采用石料场开采的砂板岩料场表层剥离料中弱风化下限石料；

5、考虑高坝特性，上游围堰以上堆石设置为上游堆石堆石ⅰ区，其采用堆石料场砂板含量为主的地质分层料源；

6、下游堆石ⅰ区采用堆石料场砂岩含量为主的地质分层料填筑，除以上区域的下游堆石区位于下游堆石区内部区域，采用堆石料场板板含量为主的地质分层料。

7、优选的，根据砂板岩料源地质分层层内岩性特性进行堆石各填筑分区料源质量优先次序设计；

8、按照坝体堆石料设置区分质量优劣提出坝体分区填筑次序如下：

9、质量最好料源首先填筑上游堆石ⅰ区→其次填筑下游1/5坝高高程以下堆石ⅰ区→

10、然后填筑下游1/5坝高高程以上堆石ⅰ区→上游堆石ⅱ区→最差料源填筑下游堆石ⅲ区。

11、优选的，堆石料原岩垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度和平行与垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度设计要求如下：

12、堆石i区堆石料垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度应大于45mpa，平行层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度应大于35mpa；

13、堆石ii区堆石料垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度应大于40mpa，平行与垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度平均值应大于35mpa；

14、堆石iii区石料强度垂直层面或板理面的岩石单轴饱和抗压强度应大于25mpa。

15、优选的，孔隙率控制要求：根据大坝各堆石分区的运行要求，提出填筑指标的分a、b类设计要求，其中a类孔隙率设计要求应高于b类，其孔隙率小于b类；

16、碾压参数控制要求：采用板岩料并通过增加碾压遍数、减薄铺料厚度提高其抗变形能力并达到降低孔隙率要求以保证其功能要求。

17、优选的，各堆石分区填筑指标分类如下：

18、上游堆石区ii区采用料源强度相对较差的砂板岩堆石料，填筑施工孔隙率控制要求为b类；

19、除上游堆石ii区之外的其他上游堆石区和下游堆石外部i区采用料源强度相对较好的砂板岩堆石料，填筑施工孔隙率控制要求为b类；

20、下游堆石iii区为下游内部堆石区采用料源相对较差的砂板岩堆石料，需通过施工措施来降低孔隙率，从而增加下游堆石体的密实度，提高其力学特性，该区域孔隙率控制要求为a类。

21、优选的，堆石i区和堆石iii区填筑根据料源不同应进行碾压厚度、振动碾重、行进速度、碾压遍数、洒水量碾压参数选择，根据碾压试验和室内力学复核成果，采用的铺料厚度和碾压遍数差异化碾压施工参数；

22、下游堆石iii区填筑碾压遍数、铺料厚度为a类区，其他料区为b类区，结合现场情况，当铺料厚度a类区和b类区相同时，碾压遍数要求a类区应大于b类区，当碾压遍数a类区和b类区相同时，铺料厚度要求a类区应小于b类区。

23、优选的，固结实验要求：固结试验的最大应力应大于垂直正应力γh的0.8倍；

24、压缩模量衡量标准：采用0到最大压力的综合压缩模量为衡量标准；

25、各堆石分区模量差设计要求：考虑上下游变形协调,其上游堆石区和下游堆石区两个堆石区综合压缩模量数值差不超过10％。

26、本发明提供了一种砂板岩堆石料源的高土心墙堆石坝设计方法，有效解决了高心墙堆石坝采用砂板岩料场料源如何合理分区设计、确定坝料填筑设计指标等问题，降低了大坝在正常运行期变形协调、避免坝顶出现裂缝的风险。