高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

四川“紅層”地區(qū)筑壩材料和填筑標(biāo)準(zhǔn)研究

高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖及其混合料，巖性軟弱、碾壓破碎率大，上壩料級(jí)配對(duì)壓實(shí)干密度影響小，滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度和變形特點(diǎn)復(fù)雜多變，直接影響壩型選擇，也給設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。結(jié)合四川“紅層”地區(qū)筑壩料的特點(diǎn)，提出土石壩壩型及分區(qū)設(shè)計(jì)的基本思路；分析填筑碾壓檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)行規(guī)范填筑標(biāo)準(zhǔn)要求，提出考慮筑壩料級(jí)配，粗顆粒按巖石塊體密度，細(xì)顆粒按顆粒密度，考慮碾壓后各自所占比例換算孔隙率或干密度，便于確定設(shè)計(jì)、施工和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

四川“紅層”地區(qū) 混合料 壩料性質(zhì) 填筑標(biāo)準(zhǔn)

1 概述

當(dāng)?shù)夭牧蠅伟ň|(zhì)土壩、土質(zhì)心墻壩、瀝青混凝土心墻壩、面板堆石壩等，這類壩型主要由筑壩材料性質(zhì)決定，除均質(zhì)土壩外，其余屬于分區(qū)壩。分區(qū)壩涉及到壩體分區(qū)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就是充分發(fā)揮壩址區(qū)及附近各種材料的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于均質(zhì)土壩，壩料滲透系數(shù)宜控制在(1～10)×10-5cm/s，滲透系數(shù)過(guò)大不能滿足防滲要求，過(guò)小則不利于壩體排水固結(jié)，而且浸潤(rùn)線較高、不利于壩體穩(wěn)定。過(guò)去修建的很多均質(zhì)土壩出現(xiàn)病害，根本原因就是填筑標(biāo)準(zhǔn)低，采用了不宜作為均質(zhì)土壩的壩料，運(yùn)行幾十年都沒(méi)有有效固結(jié)。

分區(qū)壩設(shè)計(jì)的基本原則是堵排結(jié)合，堵即防滲，排即排水，通過(guò)壩料分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)的不同功能。分區(qū)壩中壩殼或堆石主要功能是維持壩體穩(wěn)定和排水；防滲心墻或面板功能主要是防滲；反濾層功能主要是濾土(即在滲流發(fā)生時(shí)，土不能通過(guò)反濾層流失、而水可以排出)和協(xié)調(diào)變形；過(guò)渡層的作用是排水和協(xié)調(diào)變形。另外，在壩殼或堆石不能滿足強(qiáng)透水性時(shí)設(shè)置排水帶用于排水。

2 四川“紅層”地區(qū)筑壩料

“紅層”是紅色陸相沉積為主的碎屑沉積巖層,巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁(yè)巖為主。四川盆地素有“紅色盆地”之稱，由紫紅～褐紅色砂、泥巖不等厚互層組成，中間常夾有泥質(zhì)粉砂巖等過(guò)渡性巖層。砂巖的礦物成分主要由石英、長(zhǎng)石和少量云母組成，泥巖礦物成分主要為水云母粘土礦物，其次為石英、碳酸鹽等。紅層力學(xué)強(qiáng)度受成巖時(shí)代、膠結(jié)物等影響明顯，白堊系砂巖以泥、鈣質(zhì)，泥、鐵質(zhì)膠結(jié)為主，鈣質(zhì)膠結(jié)的較少，有些地區(qū)的砂巖膠結(jié)程度差或半膠結(jié)，因而巖性松散，力學(xué)指標(biāo)較低。侏羅系巖層，一般以鈣、硅質(zhì)膠結(jié)為主，巖性堅(jiān)硬，力學(xué)性能較高。四川“紅層”地區(qū)泥巖和砂巖無(wú)論是物理性質(zhì)還是力學(xué)性質(zhì)變化范圍較大，可參見四川院統(tǒng)計(jì)資料(表1)。

表1 四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖性質(zhì)

四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖料按巖石性質(zhì)可分為泥巖料、砂質(zhì)泥巖/泥質(zhì)砂巖料、砂巖料，以及因無(wú)法分層開采而混合后形成的砂泥巖混合料，按透水性質(zhì)和使用可分為防滲類、壩殼或堆石類(表2)。

表2 四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖筑壩料分類

3 四川“紅層”地區(qū)原巖與筑壩料性質(zhì)

原巖性質(zhì)對(duì)壓實(shí)破碎、最大干密度等影響較大。根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范，以石料的飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa作為軟巖的界限，國(guó)內(nèi)外混凝土面板堆石壩的抗壓強(qiáng)度，也常以30MPa為界限。表3為已建和在建三個(gè)工程壩料巖性統(tǒng)計(jì)，分別為堅(jiān)硬巖、中硬巖——較軟巖、軟巖。表3中表明，膠結(jié)物成分及其含量對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響大：砂巖與灰?guī)r比較，膠結(jié)物含量相同時(shí)，膠結(jié)物以泥質(zhì)為主的巖石強(qiáng)度遠(yuǎn)低于以方解石為主的巖石；砂巖與砂巖比較，以泥質(zhì)膠結(jié)為主的砂巖，膠結(jié)物含量越大，巖石塊體干密度越小、強(qiáng)度越低。

表3 已建或在建三工程部分巖石性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

“紅層”地區(qū)砂、泥巖屬沉積巖，相變較大，層理發(fā)育，巖性變化大。其中，小井溝蚱蜢寺砂巖施力方向垂直于層面與平行于層面的抗壓強(qiáng)度相差約10%～20%，施工時(shí)檢測(cè)飽和抗壓強(qiáng)度總體低于30MPa。

根據(jù)圖1和圖2，不同小于5mm含量的表面振動(dòng)器法[2]相對(duì)密度試驗(yàn)證明：

(1)堅(jiān)硬巖堆石料最大干密度隨振動(dòng)壓實(shí)前小于5mm含量的增加而增大,紫坪鋪灰?guī)r最大干密度最大最小差值為0.22g/cm3。中硬巖-較軟巖、軟巖堆石料最大干密度隨振動(dòng)壓實(shí)前小于5mm含量的增加基本沒(méi)有變化，小井溝和金峰水庫(kù)砂巖最大干密度最大最小差值為0.01g/cm3；

(2)無(wú)論是堅(jiān)硬巖還是中硬巖-較軟巖、軟巖堆石料，振動(dòng)壓實(shí)后小于5mm含量增量，隨振動(dòng)壓實(shí)前小于5mm含量的增加而減小，但壓實(shí)前小于5mm含量相同時(shí)，巖石強(qiáng)度越低增量越大；

(3)壓實(shí)后小于5mm含量趨近于最佳粗細(xì)充填關(guān)系。

圖1 最大干密度與壓實(shí)前小于5mm含量關(guān)系

圖2 小于5mm含量增量與壓實(shí)前含量關(guān)系

四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖及其混合料滲透系數(shù)變化范圍大，壓實(shí)后級(jí)配對(duì)滲透性質(zhì)有較大影響，但更主要由砂巖、泥巖性質(zhì)及其混合比例決定；防滲類壩料抗剪強(qiáng)度與變形特性均差于壩殼或堆石類的相應(yīng)性質(zhì)。

4 四川“紅層”地區(qū)土石壩設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題和壩型選擇

四川“紅層”地區(qū)筑壩材料的復(fù)雜性，“堵排”是壩體設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題，直接決定壩型。

4.1 土石壩設(shè)計(jì)面臨的問(wèn)題

4.1.1 防滲料。隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展和對(duì)環(huán)保要求的日益提高，當(dāng)?shù)靥烊环罎B料的缺陷也暴露出來(lái)：(1)砂、泥巖石渣作為防滲料的滲透系數(shù)受砂巖含量、泥巖風(fēng)化程度、級(jí)配中小于5mm含量、含水率控制等因素影響較大；一般難以開采獲得風(fēng)化純泥巖，砂巖和泥巖混合比例隨意性較大，施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法達(dá)到試驗(yàn)室內(nèi)的控制精度，施工不易控制，極易出現(xiàn)砂巖含量超標(biāo)甚至砂巖集中而不滿足防滲料滲透系數(shù)要求的現(xiàn)象；(2)天然粘土分布零散，含水率較高，對(duì)耕地破壞較大，物理力學(xué)性質(zhì)差異大，施工不易控制。從經(jīng)濟(jì)和施工控制方面考慮，天然粘土作為防滲料沒(méi)有明顯優(yōu)越性。

4.1.2 反濾料和堆石料。四川“紅層”地區(qū)水庫(kù)壩址區(qū)砂巖巖性軟弱，碾壓后破碎使小于5mm顆粒含量增加，小于0.075mm的顆粒含量易超過(guò)5%，滲透性質(zhì)基本上為弱透水到中等透水，不能滿足反濾料和堆石料對(duì)級(jí)配和透水性的技術(shù)要求，且軟巖作為反濾料和排水料，難以滿足耐久性要求。水庫(kù)壩址區(qū)缺乏天然砂礫石和堅(jiān)硬巖石，一般需要到距離壩址區(qū)數(shù)十公里甚至上百公里尋找料源，開采運(yùn)輸成本高，而且往往天然砂礫石料缺少0.075mm～10.0mm的關(guān)鍵粒徑，需要篩分后二次加工才能滿足反濾、過(guò)渡料級(jí)配要求。

4.2 壩型選擇

四川“紅層”地區(qū)土石壩選擇根本在于防滲方式。

4.2.1 粘土具有良好的物理力學(xué)性質(zhì)，開采條件較好、施工易于控制含水量時(shí)，是良好的防滲材料，可以修建粘土心墻壩。

4.2.2 泥巖集中或夾砂巖微少，施工容易控制，且泥巖易于風(fēng)化崩解，泥巖料滿足防滲料的技術(shù)要求時(shí)，修建泥巖心墻壩為較佳選擇。在《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》修訂時(shí)，我們根據(jù)已建工程統(tǒng)計(jì)資料，建議泥巖防滲料壓實(shí)后小于5mm含量在40%甚至50%以上，粘粒(<0.005mm)含量大于8%為宜，因此泥巖防滲料的選用要求較高。

4.2.3 瀝青混凝心墻技術(shù)發(fā)展較快，防滲性能夠保證，正好彌補(bǔ)了沒(méi)有較好施工條件的粘土或泥巖料作防滲料而使防滲性不易控制的缺陷。但值得注意的是，瀝青混凝土心墻對(duì)原材料、配合比、溫度控制、攤鋪、碾壓等施工工藝要求較高。

4.2.4 紫坪鋪、白巖灘水庫(kù)等面板堆石壩的建成，說(shuō)明四川“紅層”地區(qū)邊緣地帶，具備工程地質(zhì)和料場(chǎng)巖性堅(jiān)硬等條件，堆石料能滿足面板壩控制變形及排水要求。四川“紅層”地區(qū)腹地，一方面壩料巖性較軟，重型振動(dòng)機(jī)具碾壓，使軟巖堆石更靠近硬巖堆石的性能。通過(guò)顆粒破碎、細(xì)化形成充填緊密，具有較高抗剪強(qiáng)度、較低壓縮性的堆石體；另一方面，高緊密度對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)變低，不能滿足自由排水性要求，因此必須在壩體中設(shè)計(jì)專門的豎向和水平排水體系，同時(shí)采取較長(zhǎng)的壩體預(yù)沉降期，待沉降收斂后一次性澆筑面板，如小井溝水庫(kù)。

5 壩殼或堆石填筑標(biāo)準(zhǔn)

5.1 填筑標(biāo)準(zhǔn)探討

對(duì)于填筑標(biāo)準(zhǔn)，在已有成果[1]的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究。土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，堆石的填筑標(biāo)準(zhǔn)宜用孔隙率為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，土質(zhì)防滲體分區(qū)壩和瀝青混凝土心墻壩的堆石料孔隙率宜為20%～28%，瀝青混凝土面板堆石壩的孔隙率，宜在混凝土面板堆石壩和土質(zhì)防滲體分區(qū)壩的孔隙率之間選擇。根據(jù)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)在表4范圍內(nèi)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步確定，應(yīng)同時(shí)規(guī)定孔隙率(或相對(duì)密度)、壩料級(jí)配范圍和碾壓參數(shù)。

表4 規(guī)范對(duì)壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)要求

(1)

式中，n為孔隙率(%)，ρp和ρ0分別為巖石顆粒密度和塊體密度(單位為g/cm3)，ρd為填筑或設(shè)計(jì)干密度(單位為g/cm3)。

表5 換算干密度和孔隙率

按式(1)，表5為設(shè)計(jì)規(guī)范填筑標(biāo)準(zhǔn)換算干密度，以及根據(jù)填筑或設(shè)計(jì)干密度換算孔隙率。幾個(gè)方面值得探討：(1)孔隙率取值范圍大，換算干密度最大與最小值相差0.08g/cm3～0.14g/cm3，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不易掌握；(2)孔隙率取值范圍換算干密度時(shí)，顆粒密度和塊體密度相差不大的堅(jiān)硬巖是可行的，但顆粒密度和塊體密度相差較大的中硬巖-較軟巖和軟巖，巖石密度按顆粒密度換算干密度偏大，用塊體密度換算則偏??；(3)SL228-2013只是針對(duì)硬巖，DL/T5016-2011同時(shí)規(guī)定了硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖孔隙率取值范圍，仍然存在(2)中的現(xiàn)象，室內(nèi)和碾壓試驗(yàn)確定的填筑或設(shè)計(jì)干密度，以及巖石塊體密度換算孔隙率，巖石強(qiáng)度越低越偏離規(guī)范要求。

5.2 孔隙率與干密度換算

填筑標(biāo)準(zhǔn)的確定、施工質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)都涉及到孔隙率與干密度換算，究竟采取哪種方式才能反映實(shí)際情況呢？

出現(xiàn)孔隙率與干密度換算偏差根本原因是：

(1)壩殼或堆石料是粗細(xì)顆?；旌象w，填筑體孔隙由巖塊自身孔隙和顆粒間孔隙兩部分組成，實(shí)際工程中對(duì)于填筑體是否密實(shí)決定于顆粒間孔隙；

(2)堅(jiān)硬巖往往巖塊自身孔隙率較小，與顆粒間孔隙比較幾乎可以忽略，因而堅(jiān)硬巖采用顆粒密度和塊體密度換算孔隙率或干密度相差不大；

(3)中硬巖-較軟巖和軟巖自身孔隙率較大，甚至大于顆粒間孔隙，采用顆粒密度換算可將巖石自身孔隙當(dāng)成顆粒間孔隙，采用塊體密度換算則把部分顆粒間孔隙當(dāng)成巖石自身孔隙。

反映實(shí)際情況的孔隙率與干密度換算方法是：根據(jù)填筑體級(jí)配情況，粗顆粒按塊體密度，細(xì)顆粒按顆粒密度，考慮各自所占比例進(jìn)行換算。巖石換算密度和孔隙率由下面公式計(jì)算：

(2)

(3)

由表6可知，采用式(2)確定的巖石換算密度，同時(shí)考慮巖塊自身孔隙、顆粒間孔隙的實(shí)際情況，避免了前面敘述的干密度與實(shí)際不相符。對(duì)于孔隙率選?。簣?jiān)硬巖顆粒密度和塊體密度差異不大，孔隙率按規(guī)范即可控制；中硬巖-較軟巖和軟巖，顆粒密度和塊體密度差異大，壓實(shí)后由于破碎使小于5mm含量達(dá)到30%～55%，與墊層料小于5mm含量要求基本相同。因此，建議壓實(shí)破碎后小于5mm含量達(dá)到30%以上的軟巖料，孔隙率取值范圍為15%～20%，巖石密度按式(2)確定。

表6 式(2)、(3)換算干密度(孔隙率)與實(shí)測(cè)值

6 結(jié)語(yǔ)

6.1 四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖及其混合料原巖抗壓強(qiáng)度低，振動(dòng)碾壓破碎率大，壓實(shí)干密度受上壩料級(jí)配影響不大，但滲透系數(shù)變化范圍大；受砂、泥巖巖性及其混合比例影響，采用現(xiàn)代筑壩技術(shù)，軟巖料壓實(shí)后具有較高的抗剪強(qiáng)度、較低的壓縮性能。因此，壩型選擇和分區(qū)設(shè)計(jì)主要是解決防滲方式和排水系統(tǒng)，砂、泥巖及其混合料合理分區(qū)利用。

6.2 四川“紅層”地區(qū)砂、泥巖及其混合料屬于軟巖料，既非真正的粘土料，也有別于通常的堆石料(四川習(xí)慣稱其為石渣料)；設(shè)計(jì)和施工控制時(shí)，填筑標(biāo)準(zhǔn)無(wú)論是采用孔隙率還是壓實(shí)度都存在一定的問(wèn)題，采用壓實(shí)度依據(jù)不足；如果采用孔隙率，現(xiàn)行規(guī)范未明確巖石密度是顆粒密度還是塊體密度，對(duì)于堅(jiān)硬巖顆粒密度與塊體密度差異微小，但軟巖則差異很大，導(dǎo)致干密度與孔隙率間換算值完全不能反映實(shí)際情況。目前現(xiàn)實(shí)做法是施工參數(shù)控制，壓實(shí)干密度評(píng)價(jià)，但往往單一干密度無(wú)法控制，需要多個(gè)干密度，給設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。

6.3 中硬巖-較軟巖和軟巖料干密度與孔隙率間換算時(shí)，結(jié)合碾壓后P5范圍，使用本文提出的粗顆粒按巖石塊體密度，細(xì)顆粒按顆粒密度，考慮各自所占比例進(jìn)行換算，設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)直接采用規(guī)范孔隙率，同時(shí)控制施工參數(shù)。

6.4 壓實(shí)后由于破碎使小于5mm含量達(dá)到30%～55%，與墊層料小于5mm含量要求基本相同，通過(guò)實(shí)際工程碾壓干密度換算孔隙率也與規(guī)范對(duì)墊層料要求基本一致。因此，中硬巖-較軟巖和軟巖料壓實(shí)破碎后小于5mm含量達(dá)到30%以上時(shí)，其填筑標(biāo)準(zhǔn)宜參考規(guī)范對(duì)墊層料孔隙率要求按15%～20%選取。

〔1〕孫 陶，高希章.土石壩無(wú)粘性粗粒土填筑標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)探討[J].四川水力發(fā)電，2006.25，(4)：18～21，26.

■

TV641∶TV

A

2095-1809(2016)01-0005-05