王占軍,陳生水,2,傅中志,2

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029; 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029)

利用軟巖構(gòu)筑面板堆石壩應(yīng)重視的幾個(gè)問題

王占軍1,陳生水1,2,傅中志1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029; 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029)

針對(duì)利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩存在的特殊性問題,根據(jù)已有工程的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,分析軟巖料的級(jí)配及強(qiáng)度變形、滲透、流變等工程力學(xué)特性,并提出利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)問題:應(yīng)以軟巖料的現(xiàn)場碾壓和滲透試驗(yàn)結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù),需高度重視大壩的變形和穩(wěn)定控制,加強(qiáng)壩體排水設(shè)計(jì),高度重視大壩長期強(qiáng)度變形特性對(duì)其安全性的影響,在澆筑混凝土面板前應(yīng)留足壩體預(yù)沉降時(shí)間,并采取措施防止軟巖料進(jìn)一步風(fēng)化和遇水崩解。

面板堆石壩;軟巖料;級(jí)配;工程力學(xué)特性

地球表面的巖石有50%以上是軟巖[1],為保護(hù)生態(tài)環(huán)境,節(jié)省工程投資,越來越多的面板堆石壩將使用軟巖料。軟巖通常是指單軸飽和抗壓強(qiáng)度小于30MPa的巖石[2],代表性巖石有泥巖、頁巖、泥質(zhì)砂巖和千枚巖等。與硬巖相比,軟巖具有風(fēng)化強(qiáng)烈、含泥量高、抗壓強(qiáng)度低和軟化系數(shù)小等特點(diǎn)。利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩,因其特殊的工程力學(xué)特性,壩體的應(yīng)力變形、滲透規(guī)律、壩體分區(qū)和壩料填筑要求等均與硬巖面板堆石壩存在明顯不同[1,3]。天生橋一級(jí)面板壩產(chǎn)生面板裂縫的原因之一是下游軟巖堆石體變形大,導(dǎo)致上游主堆石區(qū)向下游位移過大,從而造成面板脫空[4];大坳壩施工期和蓄水期最大沉降分別占?jí)胃叩?.01%和1.23%[5],董箐壩施工期最大沉降占?jí)胃叩?.19%[6],沉降變形均偏大。其中,大坳壩還曾因軟巖填筑壩面積水嚴(yán)重[7],被迫停工,若改換料場,不僅增加工程投資,工期也將延長一年。因此利用軟巖料作面板壩堆石料,應(yīng)高度重視軟巖料工程力學(xué)特性研究和筑壩技術(shù)創(chuàng)新。

國外利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩起步較早,如1967年美國建成的卡賓溪壩和1968年澳大利亞建成的袋鼠溪壩[8]。我國利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩起步較晚,但發(fā)展很快[9-11]。迄今為止,軟巖面板堆石壩的設(shè)計(jì)和施工仍以經(jīng)驗(yàn)為主,建成的數(shù)量也不多[12-13],國內(nèi)外對(duì)利用軟巖料構(gòu)筑面板壩的相關(guān)理論和技術(shù)研究較少,尚不適應(yīng)軟巖面板堆石壩工程的快速發(fā)展。隨著高面板堆石壩的建設(shè)和對(duì)生態(tài)環(huán)境更高的要求,軟巖料的使用范圍和利用量將加大,該類壩的安全也越來越受到重視。本文基于對(duì)軟巖料的級(jí)配、強(qiáng)度變形、滲透、流變等工程力學(xué)特性的總結(jié)分析,對(duì)利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩應(yīng)重視的幾個(gè)問題提出了相應(yīng)的建議。

表1 軟巖面板堆石壩工程實(shí)例

1 國內(nèi)外軟巖面板堆石壩的發(fā)展

本文收集了國內(nèi)外17座典型的軟巖料構(gòu)筑的面板堆石壩工程資料[9-11,14],見表1。從表1可看出,美國是最早(1967年)利用軟巖料構(gòu)筑高面板壩的國家,澳大利亞是最早(1968年)壩主體利用軟巖料構(gòu)筑面板壩的國家;我國是利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩最多的國家;大部分壩將軟巖料的使用范圍限定在壩軸線下游干燥區(qū),且壩高可以達(dá)到200 m級(jí),但對(duì)于200 m級(jí)高面板堆石壩應(yīng)慎重使用軟巖料[14];有5座面板壩壩主體使用軟巖料,壩主體使用軟巖料最大壩高為150 m的董箐面板壩,其采用軟硬相間的砂泥巖(泥巖占30%)筑壩,上、下游壩坡適當(dāng)放緩,已良好運(yùn)行了3 a。

2 軟巖料的級(jí)配特性

軟巖料壓實(shí)前后的級(jí)配相差很大,碾壓后顆粒破碎明顯,如水布埡兩種級(jí)配的風(fēng)化砂頁巖料擊實(shí)后細(xì)顆粒(粒徑小于5 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由11.7%和2%增加到34.9%和23.1%[15],貝雷壩軟巖料最大粒徑由開挖時(shí)的813 mm變?yōu)槟雺汉蟮?29 mm,細(xì)顆粒(粒徑小于5 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加約45%[16]。大坳和魚跳兩座面板堆石壩軟巖料的干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明,巖塊崩解程度、細(xì)顆粒含量與干濕循環(huán)次數(shù)成正比[15]。董箐壩的泥巖料在自然條件下干濕循環(huán)(露天陽光和雨水交替作用)后巖體也發(fā)生崩解,崩解后呈顆粒狀,級(jí)配變化明顯[17]。由于現(xiàn)代面板堆石壩的軟巖料均先灑水后用重型碾壓機(jī)械壓實(shí),顆粒破碎細(xì)化現(xiàn)象相當(dāng)明顯,且軟巖料的級(jí)配對(duì)其強(qiáng)度和變形特性具有重要影響,因此建議筑壩前對(duì)軟巖料進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn),并以壓實(shí)后軟巖料的實(shí)測級(jí)配曲線以及該級(jí)配下軟巖料的試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn),由試驗(yàn)成果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)取用合適的設(shè)計(jì)和計(jì)算指標(biāo)。

3 軟巖料的強(qiáng)度變形特性

軟巖料的壓實(shí)密度受含水率影響[1,15,17],存在最優(yōu)含水率和最大干密度。雖然軟巖壓實(shí)后具有較大的干密度,但軟巖料的強(qiáng)度低于硬巖料,大坳、魚跳和盤石頭等壩的試驗(yàn)結(jié)果表明,軟巖料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角值較硬巖低8°以上[15]。因此,利用軟巖筑壩時(shí)宜適當(dāng)放緩壩坡。如董箐壩[10]上游壩坡1∶1.4,下游壩坡設(shè)3層壩后公路,綜合壩坡1∶1.5。此外,軟巖的強(qiáng)度受環(huán)境變化影響明顯,經(jīng)日曬雨淋后,強(qiáng)度衰減很快,故開采后應(yīng)盡快上壩碾壓,盡可能做到邊開挖邊上壩及早封閉,以保持巖塊新鮮,確保軟巖料物理力學(xué)性質(zhì)改變較小。

表2中列出了幾座軟巖面板堆石壩的壓實(shí)參數(shù)和壓縮模量[1,10,15,17]。從表2可以看出,絕大多數(shù)軟巖料具有低壓縮性,少數(shù)軟巖料表現(xiàn)為中等壓縮性。室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果[15,17]表明,軟巖的壓縮模量受含水量的影響明顯,如盤石頭壩風(fēng)化頁巖干料的壓縮模量為41.7～142.1MPa,而飽和后壓縮模量降低為13.8～40.1MPa,僅為干料的1/3左右,飽和狀態(tài)軟巖料的壓縮性高于非飽和狀態(tài)。表3列出了若干座軟巖與硬巖面板堆石壩的實(shí)測沉降量[5,9-10,18-20]。從表3中可以看出,軟巖面板堆石壩的實(shí)測沉降率(沉降與壩高之比)都在1%以上,明顯高于硬巖面板堆石壩的沉降率,這顯然是軟巖料具有高壓縮性的必然結(jié)果。因此,利用軟巖料筑壩時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),如減小鋪層厚度、提高碾壓機(jī)械噸位和碾壓遍數(shù)等。如董箐壩的主堆石碾壓層厚80 cm,采用25 t振動(dòng)碾碾壓10遍,實(shí)測孔隙率達(dá)到19.41%,對(duì)減少后期壩體流變、確保三期面板工期起了很好的作用,壩體已良好運(yùn)行了3 a;盤石頭面板壩頁巖次堆石料鋪層厚度60 cm,18 t拖式振動(dòng)碾壓實(shí),實(shí)測孔隙率為18.2%。

表2 軟巖料壓實(shí)參數(shù)和壓縮模量

表3 軟巖和硬巖面板堆石壩實(shí)測最大沉降比較

4 軟巖料的滲透特性

軟巖料碾壓過程中顆粒破碎明顯,壓實(shí)后滲透系數(shù)較小[1,15]。如魚跳壩軟巖料壓實(shí)后滲透系數(shù)為10-5cm/s量級(jí),袋鼠溪壩軟巖料壓實(shí)后滲透系數(shù)更小,為10-7cm/s量級(jí),屬相對(duì)不透水。此外,分層碾壓的軟巖料滲透系數(shù)呈現(xiàn)明顯的各向異性,垂直滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于水平滲透系數(shù)[15](表4),這是因?yàn)楦髂雺簩由喜寇泿r料的顆粒破碎嚴(yán)重,細(xì)粒含量增加較為明顯,細(xì)粒充填粗顆粒間的孔隙,形成板結(jié)層。大坳、魚跳和茄子山3個(gè)大壩現(xiàn)場碾壓施工時(shí)都曾出現(xiàn)壩面積水現(xiàn)象[9]。從表4還可看出,軟巖料現(xiàn)場試驗(yàn)測得的滲透系數(shù)小于室內(nèi)試驗(yàn)值,特別是垂直方向滲透系數(shù),兩者差異更為顯著,達(dá)到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,對(duì)于軟巖料的滲透系數(shù)值,建議由現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)確定,并以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

需要指出的是,軟巖料壓實(shí)后具有較小的滲透系數(shù),特別是其明顯的各向異性對(duì)大壩運(yùn)行期的安全將產(chǎn)生不利的影響。因此,對(duì)于軟巖面板堆石壩必須高度重視壩體內(nèi)部排水設(shè)計(jì),建議在壩體內(nèi)設(shè)置“L”型排水(壩體底部鋪設(shè)透水性較好的堆石料與過渡層相聯(lián)接),以保證大壩一旦漏水后能迅速降低壩體內(nèi)浸潤面,確保大壩安全。

表4 軟巖料室內(nèi)與現(xiàn)場滲透試驗(yàn)結(jié)果

5 軟巖料的流變特性

軟巖料易受干濕循環(huán)、溫度循環(huán)等環(huán)境因素的影響,流變特性十分明顯。大坳壩在蓄水期(2000年4月至2001年3月)水庫水位下降約16 m情況下,壩體沉降仍增大約 5 cm,水平位移增大約10 cm[5]。持續(xù)增加的壩體流變變形易造成面板頂部脫空,應(yīng)力狀態(tài)惡化,使周邊縫剪切位移和沉陷增加,影響大壩的長期安全性。天生橋壩面板脫空及產(chǎn)生大量裂縫的一個(gè)很重要原因就是壩料的流變[4]。因此,利用軟巖構(gòu)筑面板壩有兩點(diǎn)需特別注意:①應(yīng)控制好預(yù)沉降時(shí)間,董菁?jí)慰⒐て诔两德蔬_(dá)到1.19%,但每一期面板施工前都預(yù)留了數(shù)月的預(yù)沉降時(shí)間,大壩運(yùn)行后面板未出現(xiàn)拉壓破損;②應(yīng)防止軟巖料進(jìn)一步風(fēng)化崩解,如只在下游水位以上部位使用軟巖,或?qū)ο掠嗡灰韵率褂玫能泿r及時(shí)封閉以保持其相對(duì)新鮮狀態(tài),下游壩坡設(shè)置一定厚度的硬巖保護(hù)層并加強(qiáng)壩坡排水等。

6 結(jié) 論

a.軟巖料壓實(shí)后易破碎,遇水崩解,級(jí)配變化明顯。因此,利用軟巖料筑壩前,應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn),并以壓實(shí)后軟巖料的實(shí)測級(jí)配曲線以及該級(jí)配下軟巖料的試驗(yàn)結(jié)果作為設(shè)計(jì)和計(jì)算分析依據(jù)。

b.軟巖料經(jīng)碾壓后壓實(shí)度可以滿足筑壩要求,但與硬巖料相比,其抗剪強(qiáng)度低,壓縮模量小,壩體變形大,需高度重視大壩的變形和穩(wěn)定控制。對(duì)于軟巖面板堆石壩,建議盡可能提高碾壓標(biāo)準(zhǔn)并適當(dāng)放緩壩坡。

c.軟巖料壓實(shí)后顆粒破碎明顯,滲透系數(shù)較小,特別是鋪層上部顆粒破碎更為明顯,易形成板結(jié)層,垂直滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于水平滲透系數(shù),不利于大壩運(yùn)行期安全。建議加強(qiáng)壩體排水設(shè)計(jì),避免大壩發(fā)生滲透破壞。

d.軟巖料具有明顯的流變性,導(dǎo)致壩體竣工后持續(xù)產(chǎn)生后期變形,對(duì)壩體和防滲系統(tǒng)長期應(yīng)力變形特性將產(chǎn)生不利的影響。利用軟巖料構(gòu)筑面板堆石壩,建議在澆筑混凝土面板前,應(yīng)留足壩體預(yù)沉降時(shí)間,并采取措施防止軟巖料進(jìn)一步風(fēng)化和遇水崩解。

[1]XING Haofeng,GONG Xiaonan,ZHOU Xiaoguang,et al. Construction of concrete-faced rockfill dams with weak rocks[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132(6):778-785.

[2]GB50287—1999 水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[3]付軍,周小文.面板壩軟巖料的工程特性[J].長江科學(xué)院院報(bào),2008,25(4):67-72.(FU Jun,ZHOU Xiaowen. Engineering properties of soft rock materials used in concrete face dams[J].JournalofYangtze River Scientific Research Institute,2008,25(4):67-72.(in Chinese))

[4]酈能惠.高混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)理念探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007,29(8):1143-1150.(LI Nenghui.New concept of design for high concrete face rockfill dams[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29 (8):1143-1150.(in Chinese))

[5]王東生,王芳.大坳面板堆石壩壩體沉陷及水平位移觀測資料分析[J].貴州水力發(fā)電,2008,22(1):76-79. (WANG Dongsheng,WANG Fang.Analysis on observation data ofbody settlementand horizontal displacement of Da'ao face rockfill dam[J].Guizhou Water Power,2008,22(1):76-79.(in Chinese))

[6]酈能惠.中國高混凝土面板堆石壩性狀監(jiān)測及啟示[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(2):165-173.(LI Nenghui.Performance of high concrete face rockfill dams in China and its inspiration[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(2):165-173.(in Chinese))

[7]侯文理.面板堆石壩利用軟巖填筑的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].湖北水力發(fā)電,2003(2):1-2.(HOU Wenli.Views on using soft rock to build CFRD[J].Hubei Water Power, 2003(2):1-2.(in Chinese))

[8]國際大壩委員會(huì).混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)與施工概念[M].王興會(huì),胡蘇萍,譯.北京:中國水利水電出版社,2010.

[9]蔣濤,付軍,周小文.軟巖筑面板堆石壩技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[10]湛正剛,慕洪友,蔡大詠,等.董箐水電站面板堆石壩設(shè)計(jì)[J].貴州水力發(fā)電,2009,23(5):17-21.(ZHAN Zhenggang,MU Hongyou,CAI Dayong,et al.Design of face rockfill dam for Dongqing hydropower station[J]. GuizhouWaterPower,2009,23(5):17-21.(in Chinese))

[11]敖大華,曾正賓.砂泥巖筑壩材料在董箐水電站的試驗(yàn)研究[C]//貴州省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).貴州省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)2010年度學(xué)術(shù)交流論文集.貴陽:貴州省巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì),2010:307-311.

[12]邢皓楓,龔曉南,傅海峰,等.混凝土面板堆石壩軟巖壩料填筑技術(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(2):234-238.(XING Haofeng,GONG Xiaonan,FU Haifeng,et al. Study on the technique of soft-rock placement for CFRD [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004, 26(2):234-238.(in Chinese))

[13]馬兆榮,李維文,陸曉琴.軟巖筑面板堆石壩的工程實(shí)踐與探討[J].水利水電技術(shù),2011,42(3):35-37.(MA Zhaorong,LI Weiwen,LU Xiaoqin.Practice and discussion of concrete face rockfill dam built with soft rock[J].Water Resources and Hydropower Engineering, 2011,42(3):35-37.(in Chinese))

[14]朱晟.水布埡面板堆石壩施工與運(yùn)行性狀反演研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(增刊2):3689-3695.(ZHU Sheng.Back analysis on construction and operation properties of Shuibuya concrete face rockfill dam [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(Sup2):3689-3695.(in Chinese))

[15]柏樹田,周曉光,晁華怡.軟巖堆石料的物理力學(xué)性質(zhì)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2002(4):34-44.(BAI Shutian, ZHOU Xiaoguang,CHAO Huayi.Physico-mechanical properties ofsoft rock materials[J].Journalof Hydroelectric Engineering,2002(4):34-44.(in Chinese))

[16]BEENE R R W,PRITCHETT,E C.The R.D.Bailey Dam,a concrete-faced earth rockfill[C]//COOKE J B, SHERARED J L.Proceedings of concrete face rockfill dams-design,construction and performance.New York: ASCE,1985:163-172.

[17]吳哲,楊世源.軟巖作混凝土面板堆石壩筑壩材料的試驗(yàn)研究[C]//中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì).新世紀(jì)巖石力學(xué)與工程的開拓和發(fā)展:中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第六次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2000:186-189.

[18]傅世平.白溪混凝土面板堆石壩壩體變形觀測分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2007(8):72-47.(FU Shiping. Analysis on observation data of dam deformation of Baixi concrete-faced rockfill dam[J].China Rural Water and Hydropower,2007(8):72-47.(in Chinese))

[19]馮毅軍.灘坑水電站面板堆石壩施工期沉降分析[J].西北水電,2011(4):95-98.(FENG Yijun.Analysis of CFRD settlement of Tankeng hydropower project during construction[J].Northwest Water Power,2011(4):95-98.(in Chinese))

[20]張亦昭,趙家旺.十三陵抽水蓄能電站上池面板堆石壩體的沉降變形[J].水利水電技術(shù),1997,28(10):27-31.(ZHANG Yizhao,ZHAO Jiawang.On settlement and deformation of concrete face rockfill dam in upper pool of Shisanling pumped storage power station[J].Water Resources and Hydropower Engineering,1997,28(10): 27-31.(in Chinese))

Some important aspects of construction of concrete-faced rock-fill dam with soft rocks//

WANG Zhanjun1,CHEN Shenshui1,2,FU Zhongzhi1,2
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.Key Laboratory of Earth-Rock Dam Failure Mechanism and Safety Control Techniques,Ministry of Water Resources,Nanjing 210029,China)

Concrete-faced rock-fill dams(CFRDs)compared with hard rocks the CFRDs with soft rocks have the particularity because of its engineering mechanics properties.According to the field and laboratory experiments of several projects,the particle gradation and the engineering mechanics properties of strength and deformation,the permeability and the creep for soft rock materials were analyzed.Several problems of construction CFRDs with soft rocks were pointed out such as:the dam design should be based on field compaction and permeability experimentation of soft rock materials; special attention should be given to the dam deformation and stabilization control;the drainage of dam body should be reinforced;special attention needs paying to the effect of long-term strength and deformation on dam safety;the appropriate time of dam pre-settlement should be left before constructing concrete face slab;and required controls should also be conducted to prevent the further weathering and water-destruction of soft rocks.

CFRD;soft rock materials;particle gradation;engineering mechanics properties

TV641.1

:A

:1006-7647(2014)04-0066-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.014

2013-0527 編輯:周紅梅)

國家自然科學(xué)基金(51379130,51209141,91215301)

王占軍(1986—),男,河南許昌人,博士研究生,主要從事土石壩工程研究。E-mail:nhriwzj@126.com