4.3　堆石料

4.3.1　堆石料的设计分区

堆石料按其在坝体中所处的部位作用，分为过渡料区（3区）、上游A类堆石（4A区）、下游B类堆石（4B区）和C类堆石（4C区），以及上、下游护坡（6A、6B区和7区）石渣压戗（8区）和斜心墙底部回填的砂卵石（9区）。

坝壳堆石料量见表4.3－1。

其中9区料采用坝基开挖的砂卵石料，见第4.4节。

4.3.2　料场及料源选择

根据坝址区出露的地层岩性特征，坝壳堆石主要选用了两种类型的堆石料，一种是料场开采的堆石料；另一种是枢纽建筑物开挖料。

（1）料场选择。曾先后研究了石门沟、鱼沟、右坝肩等11个料场。经初步设计阶段的论证，选定石门沟石料场作为主料场。堆石料主要为硅质、硅钙质胶结的细、中粗砂岩为。

石门沟料场，位于黄河南岸马屯乡艮沟与后苇园之间，小浪底2号公路以西，上部被寺院坡土料覆盖。料场距坝址2.5km，料场南北长1000m、东西宽500m，上覆黄土厚30m左右。

石料主要为三叠系下统刘家沟组、岩组。上部30.00m为岩组，以紫红色厚层、巨厚层泥质粉砂岩、细砂岩为主，其次为钙质细砂岩，夹薄层粉砂质黏土岩。岩组厚60.00m，主要为紫红色厚层、巨厚层硅质与少量钙质胶结的石英细砂岩，其次为石英中砂岩和粉砂岩，夹薄层页岩。

料场范围内，无断层穿过，岩层层位稳定。岩层中裂隙发育情况对爆破堆石级配影响较大，料场主要发育有以下四组节理：

1）NW270°～290°，倾向SW，倾角70°～80°。

2）NW340°～350°，倾向SW，倾角80°左右。

3）NE10°～20°，倾向SE，倾角80°左右。

4）NE60°～70°，倾向SE，倾角70°～80°。

以上四组节理，以第1、第3两组较发育，延伸长度20m以上，切层厚10m以下，绝大部分发育在砂岩中。节理间距约为层厚的0.5～2.0倍，一般与层厚相近。绝大多数节理面与岩层面近于正交，倾角很少有小于75°。

上述岩组各类岩石含量见表4.3－2。

石门沟料场储量及开采厚度见表4.3－3和表4.3－4。

（2）枢纽建筑物开挖料。枢纽建筑物开挖料主要来源于洞群进口、洞群、地下厂房、出口消力塘及尾水渠、正常溢洪道等的开挖。开挖总量约2596万m3，根据开挖料利用规划，坝体回采利用量为1243万m3。（详见第4.5节）

土石坝共需堆石料约3780万m3，枢纽建筑物开挖料回采约1240万m3，需从石门沟料场开采2540万m3。石门沟料场总储量4390.8万m3倍，是需开采量的1.73倍。

4.3.3　3区料

4.3.3.1　材料设计

（1）设计原则。3区料主要填筑在2B区下游侧，有2B与坝壳堆石之间的过渡和作为斜心墙的支撑体两种作用。还有少部分填筑在2C区与堆石之间，主要起材料粒径过渡的作用。3区料大部分位于水下，少部分位于水上。

根据3区料在坝体结构中的作用和工作条件，要求用岩性较好、强度高、软化系数大的石料。

（2）材料岩性选择。从岩性看，岩组主要为硅质、硅钙质或钙质胶结的砂岩为主，饱和抗压强度大于30MPa的含量为98%，适于作为3区料。

河床砂卵石成分主要为石英岩和石英砂岩，从岩性而言也可以作为3区料。但是，砂卵石中5mm以下的颗粒含量较少，尤其缺乏5～1mm颗粒。20～5mm颗粒也很少。如若采用砂卵石料，则必须进行机械轧制上述粒径的材料。考虑到260万m3反滤料中机械轧制料生产量已较大，若过渡料也采用机械轧制料掺配，工作量增加较大。轧制试验表明，由于石英岩、石英砂岩强度很高，轧制较困难。

考虑上述材料情况及3区料与反滤料的区别，按照施工规划及施工进度计划安排，确定3区料从石门沟料场开采。

（3）级配设计。根据反滤料和堆石料的级配特点，参照一般工程经验，过渡料最大粒径不超过250mm。级配见表4.3－5和图4.3－1。

根据岩石爆破开采的经验，采用阶梯式爆破的堆石料一般为连续级配料，参考国外国际招标施工经验，在施工中可不严格规定其级配。但考虑透水性要求，在标书技术规范中规定，最大粒径不超过250mm，粒径5mm以下的颗粒含量不超过30%，粒径小于0.1mm含量（含泥量）不超过5%。

4.3.3.2　施工中的设计修改

承包商进场后不久，提出了在马粪滩料场生产3区料的要求。根据这种情况，于1994年11月21日对3区料的级配提出了新的要求。如上所述，河床砂卵石中5mm以下的颗粒含量较少，尤其缺乏5～1mm颗粒，20～5mm颗粒也很少。如采用河床砂卵石料掺配，不仅要对上限提出要求，对级配的下限也必须提出要求，以防止出现间断级配料。对于级配上限，考虑透水性要求基本维持原级配。对于级配下限，要求小于5mm粒径的颗粒含量应不小于12%。修改后级配曲线见图4.3－2。

考虑到河床砂卵石与机械轧制掺配的3区料中仍以圆形颗粒为主，抗剪强度低，因此要求左岸的3区料仍应从石门沟料场开采。

4.3.4　4A、4B、4C区堆石料设计

4.3.4.1　材料岩性选择

堆石料的选择是根据料源的实际情况和各区所处的部位及运用条件确定的。

（1）4A区。4A区位于斜心墙上游，绝大部分处于水下，采用石门沟料场的岩组堆石料，饱和抗压强度小于30MPa软岩含量仅为2%。

（2）4B区。4B区位于斜心墙下游坝壳下游水位以下和坝壳表面，要求具有较高的抗风化能力，因此要求采用石门沟开采的和隧洞进口开挖的、岩组堆石料。岩组饱和抗压强度小于30MPa软岩含量不大于6.4%，满足4B的运用条件要求。

（3）4C区。4C区位于下游坝壳水上部分，是专门为利用饱和抗压强度小于30MPa的软岩含量较高的枢纽建筑物开挖料而设置的。枢纽建筑物开挖料中除岩组等饱和抗压强度小于30MPa的粉砂岩、黏土岩含量超过20%的开挖料以外，均可用于填4C区。

4.3.4.2　级配设计

（1）设计的级配。众所周知，级配良好的堆石料经合理地压实可得到较高的密实度、较高的变形模量和较高的抗剪强度。对土质防渗体土石坝而言，并不像混凝土面板坝那样要求堆石有高的压缩模量，主要是对堆石的抗剪强度有较高的要求。所有的堆石抗剪强度试验均表明，密实度对堆石抗剪强度的影响是显著的，而堆石的级配是影响堆石压实密度的重要影响因素之一。试验研究表明，当堆石中粒径小于5mm的颗粒含量超过30%左右时，堆石的抗剪强度明显降低。

根据4A、4B、4C三个分区选用的材料不同，对其小于5mm的细料含量也不同。4A、4C区均采用岩性较好的堆石料，要求粒径小于5mm的颗粒含量不超过25%。4C区料中软岩含量较多，规定粒径小于5mm的颗粒含量不超过30%。堆石中粒径小于5mm的颗粒含量下限对堆石的抗剪强度影响较小，已建土石坝堆石试验表明粒径小于5mm的颗粒含量约10%以上时与含量30%的内摩擦角很接近，即使小于5mm的颗粒含量为5%时与内摩擦角最大值相差也很小。据几十座坝的堆石料统计，小于5mm的颗粒含量也约为5%。因此，确定小于5mm的颗粒含量下限为5%。

对于薄层碾压施工的土石坝，各国对堆石料的最大粒径，规定有所不同。苏联规定不应大于挖掘机斗容积或不大于填筑层厚度的0.5～0.7倍；美国规定不大于层厚；澳大利亚规定，应有10%的堆石料的平均粒径不小于层厚，但石块最大粒径不能大于层厚；有些国家倾向于减小堆石的石块最大粒径。参照国内外工程经验，以及所选择的压实机械和填筑层厚度（下面叙述），规定最大粒径不大于层厚，即最大粒径不大于1000mm。

设计的4A、4B、4C区堆石料级配曲线见图4.3－3。

（2）施工控制的级配。如上所述，对堆石抗剪强度影响较大的因素主要是粒径小于5mm的颗粒含量和含泥量。因此，国外的国际招标施工工程，为便于施工控制和管理，习惯上仅控制堆石料的最大粒径、细粒含量和含泥量，而不规定严格的级配，即国内所称的“三点控制法”。参照国内外已建工程经验，标书技术规范也采用这种方法控制堆石料的级配。

对于4A、4B区料，规定堆石料的最大粒径为1000mm，小于5mm含量小于25%，含泥量小于5%。对于4C区料，最大粒径与4A区相，粒径小于5mm的颗粒含量不大于30%，含泥量小于5%。

实践表明，采用阶梯式爆破，一般小于5mm的颗粒含量下限能满足要求，因此，标书技术规范没有作规定。

4.3.5　8区堆石料

8区料的作用按部位不同分为两部分，河床部位主要是作为防止河床砂卵石地震液化的盖重和下游坝坡稳定而设，两岸部分主要解决坝体（山体）稳定问题。但两个部位8区料的共同点是，均位于水上，材料内摩擦角为30°。因此，可采用任何岩组的堆石料。

8区料的最大粒径不大于1000mm。研究表明，含泥量达10%以上时，在粗颗粒表面形成黏膜，使堆石料的摩擦力明显降低。考虑对8区料仍有内摩擦角为30°的要求，因此规定含泥量不大于10%。

4.3.6　6A区、6B区、7区护坡料设计

6A区位于上游水位以下和水位变动区，6B区位于下游坡面，要求护坡块石具有较高的抗风化能力。7区护坡为临时性护坡。根据6A区、6B区的工作条件，要求采用从石门沟料场开采的有棱角的砂岩岩块。

6A区护坡位于坝上游坡，运用特点是易受风浪淘刷，要求粒径大于700mm的颗粒含量（质量）不小于50%，粒径小于400mm的颗粒含量（质量）不大于10%。

6B区护坡位于坝下游坡，相对6A区要求稍低。粒径大于500mm的颗粒含量（质量）不小于50%，粒径小于80mm的颗粒含量（质量）不大于10%。

7区护坡位于围堰斜墙上游，工程投入正常运用后处于死水位和泥沙淤积面以下，只是在施工期起护坡作用。为使泥沙淤积与围堰斜墙能较好地连接，护坡中应有均匀且多的孔隙，因此要求最大粒径小于500mm。但为保证护坡有一定的块度，要求大于400mm的颗粒含量不小于50%，粒径小于100mm的含量不超过10%。

4.3.7　堆石料的填筑标准及施工控制

4.3.7.1　填筑层厚度的确定

（1）4A区、4B区、4C区、8区。堆石料的填筑层厚是影响压实效果的重要因素之一。当采用振动碾时，振动力以压实波的方式向堆石体内传播，深度增加到某一程度时动压力随深度减小较明显。据研究，采用相同的压实功能，层厚0.8m与1.6m相比，干密度可提高8%，压缩模量可提高50%。但层厚越薄，堆石开采、填筑的成本越高。因此，应从技术经济两方面综合考虑，确定合理的层厚。

根据数十座坝的统计，堆石料层厚一般为0.60～1.50m之间，且层厚1.00m左右者具多。参考已建土石坝，考虑小浪底土石坝选用的压实设备情况，各区堆石料层厚为1.00m。

（2）3区。对于过渡层，填筑厚度一般应小于堆石料。考虑相邻的反滤料层厚0.25m、堆石料的层厚1.00m，为方便施工，3区料的层厚确定为0.50m。

4.3.7.2　碾压机械及压实参数

堆石料的碾压设备采用振动平碾，滚轮静重不小于10000kg，直径不小于1.50m，宽度不小于2.00m。滚轮的振动频率应在20～30Hz之间，振动频率在30Hz时所产生的离心力不小于29000kg。碾压时的行进速度不大于3.20km。

大量的工程实例表明，堆石料的碾压遍数一般为4～8遍。实测资料表明，当碾压遍数达6～8以后，再增加遍数，堆石料的压实密度增加很小，甚至基本上不再增加。因此，对于4A区、4B区、4C区堆石料，规定碾压遍数不少于6遍。8区料要求较低，碾压遍数不少于4遍。3区料的层厚较薄，规定碾压遍数不少于4遍。

碾压时加水是提高堆石压实效果的常用措施之一。加水可将细颗粒充填到粗颗粒的孔隙中，使材料浸润减少石块间的摩阻力，软化石块棱角使其易于压碎，从而提高压实效果。堆石压实资料表明，只要堆石料的细颗粒含量适当，加水对任何类型的堆石都有影响。但对吸水率低（饱和面干含水量小于2%）的坚硬岩石，加水效果可能会不明显。从表4.3－3和表4.3－4可看出，小浪底坝的料场中含坚硬岩石较多，但软化系数较低。堆石料中只要有一定含量的细颗粒，加水对提高压实效果仍会起一定的作用。对4A区堆石料，由于含软岩少，加水效果可能较小；对4B区堆石可能会稍好；对4C区和8区堆石料，加水效果应是较明显的。由于设计时，没有进行碾压试验，因此在标书中并没有明确规定各区堆石料的加水量，而是要求按照《碾压式土石坝施工技术规范》（SLJ213—1983）的规定和现场碾压试验确定。

4.3.7.3　施工质量控制

参照国际招标施工的惯例，小浪底土石坝堆石碾压采用控制碾压机械、压实遍数和材料级配的质量控制方法。材料级配的检查在碾压后进行，4A区、4B区、4C区和8区堆石每50万m3取一次样品，3区料每10万m3取一次样品。每种材料各取10万kg做级配试验。试样中粒径大于150mm石块应称重，粒径小于150mm的材料的级配按照美国标准ASTMD422确定。