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        不同摻礫量心墻料滲透及壓縮試驗(yàn)研究

        2016-05-25 00:37:01孫莉萍齊俊修
        關(guān)鍵詞:堆石壩土料礫石

        孫莉萍,齊俊修

        (中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100024)

        不同摻礫量心墻料滲透及壓縮試驗(yàn)研究

        孫莉萍,齊俊修

        (中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100024)

        借鑒國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn),針對(duì)擬定的不同摻礫組合進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,并對(duì)重點(diǎn)摻配比例的土料進(jìn)行了滲透、壓縮性能研究。研究表明:摻礫量在35%~55%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),在防滲性能均滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),壓縮性能指標(biāo)得到很大提高,壓應(yīng)力3.2 MPa下,壓縮模量由原來(lái)的46.2 MPa提高到92.5~95.6 MPa。建議依托工程摻礫比例不宜超過(guò)50%,最終摻礫比例為45%。

        水利水電工程;心墻堆石壩;防滲土料;摻礫試驗(yàn)

        土石壩設(shè)計(jì)理論方法以及筑壩技術(shù)的不斷進(jìn)步,促進(jìn)了高土石壩在我國(guó)的迅猛發(fā)展。隨著土石壩設(shè)計(jì)高度的不斷增大,純黏土心墻料雖然防滲性能滿足要求,但力學(xué)性能特別是壓縮性能難以滿足壩高大于200 m的高壩要求。另外其與兩側(cè)壩殼堆石料的變形相差也越大,拱效應(yīng)愈發(fā)明顯,心墻內(nèi)的豎向應(yīng)力顯著減小,同時(shí)也增大水力劈裂發(fā)生的可能性,可見(jiàn)純黏土心墻已不能滿足工程要求。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,高土石壩采用礫質(zhì)土或摻礫土作為心墻防滲料已成為發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。近年來(lái),不少學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)礫質(zhì)土心墻料進(jìn)行了一些室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,但針對(duì)一種黏土心墻料在不同摻礫量下的滲透及壓縮試驗(yàn)研究還為數(shù)較少。筆者以上寨水電站為具體工程案例,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)摻礫心墻料的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,旨在為心墻料摻礫量的選取提供參考。

        1 工程概況

        上寨水電站是綽斯甲河干流水電規(guī)劃推薦的“一庫(kù)四級(jí)”梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的“龍頭”水庫(kù)。電站采用壩式開(kāi)發(fā),樞紐由攔河壩、泄水建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。壩址位于上寨鄉(xiāng)九石里村上游約500 m處。正常蓄水位3 100.00 m,正常蓄水位庫(kù)容17.38億m3,具有年調(diào)節(jié)性能。根據(jù)壩址地質(zhì)條件,攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩,大壩壅水高度220 m,裝機(jī)容量440 MW。預(yù)可研階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合比較后推薦礫石土心墻堆石壩。

        上寨水電站礫石土心墻壩壩頂高程3 106.00 m,河床部位心墻底高程2 852.00 m,最大壩高254 m。壩頂寬度14 m,上、下游壩坡均為1∶2.0。心墻采用直立形式,頂寬8 m,心墻頂高程3 103 m,上、下游坡均為1∶0.2。

        心墻防滲料采用人工摻合礫石土料,黏土料場(chǎng)有雅拉、三家寨、阿斗、壤古4個(gè)主要土料場(chǎng),總儲(chǔ)量在700萬(wàn)m3左右,石料場(chǎng)有上寨壩址下游0.65 km左岸的九石里石料場(chǎng)、上寨壩址上游0.45 km右岸一林石料場(chǎng)和上寨壩址上游3.5 km左岸的下大石溝石料場(chǎng)等3個(gè)石料場(chǎng)。

        2 基本性質(zhì)及摻礫必要性

        2.1 基本性質(zhì)

        根據(jù)料源質(zhì)量和位置,選取雅拉料場(chǎng)土料進(jìn)行摻礫試驗(yàn)研究,在其摻礫試驗(yàn)研究前,首先對(duì)天然土料進(jìn)行了物理力學(xué)性能試驗(yàn)。各項(xiàng)指標(biāo)平均值含水率16.9%,液限29.7%,塑限15.2%,塑性指數(shù)14.5,土粒比重2.70,為含礫低液限黏土。黏粒含量、塑性指數(shù)滿足要求,最優(yōu)含水率接近天然含水率,結(jié)合本工程規(guī)劃階段試驗(yàn)成果,初步判斷土料各項(xiàng)物性指標(biāo)基本能滿足防滲土料質(zhì)量要求。但力學(xué)性能尤其是壓縮試驗(yàn)指標(biāo)不滿足壩高大于200 m的高心墻堆石壩的強(qiáng)度和變形要求,需要摻加一定量的粗顆粒料以改變其變形特性。物性指標(biāo)詳見(jiàn)表1,力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

        表1 雅拉黏土料場(chǎng)天然物理試驗(yàn)成果特征值

        表2 雅拉黏土料場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)成果特征值

        Table 2 Characteristic value of mechanical test results for Yala clay material field

        (續(xù)表2)

        從表1、表2可以看出,土料特點(diǎn)是黏粒含量多,天然含水率和液塑限低,抗剪強(qiáng)度中等,密度中等,壓應(yīng)力為0.1~0.2 MPa時(shí),壓縮模量?jī)H為7.70 MPa,屬中等壓縮性土。天然含水率和最優(yōu)含水率相近,不需要降低土料的含水率。實(shí)踐證明,對(duì)于一般堆石壩它是一種較好的防滲材料。但這種土料用于壩高達(dá)254 m的上寨水電站堆石壩心墻,應(yīng)須解決如何減少填土沉陷量,防止心墻發(fā)生裂縫等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。解決途徑是擬在黏土中摻入一定量砂礫石,改變土的特性,使填土有較好的壓實(shí)性,從而減少心墻沉降量,有助于防止心墻裂縫的產(chǎn)生。

        2.2 設(shè)計(jì)要求

        文獻(xiàn)[5]規(guī)定,防滲土料碾壓后應(yīng)滿足下列要求:

        1)滲透系數(shù)小于1×10-5cm/s,并應(yīng)小于壩殼透水料的50倍,抗?jié)B變形的臨界坡降一般應(yīng)大于4。

        2)浸水與失水時(shí)體積變化小,以免庫(kù)水位變化時(shí)心墻產(chǎn)生過(guò)大的沉降。同時(shí)要求心墻料有較低的壓縮性,且與壩殼料的壓縮性相差不宜過(guò)大。

        3)用于填筑防滲體的礫石土(包括人工摻合礫石土),粒徑小于5 mm的顆粒含量宜大于50%;最大粒徑不宜大于150 mm(一般在75~150 mm之間,國(guó)內(nèi)多在100 mm以下)或鋪土厚度的2/3;0.075 mm以下的顆粒含量不應(yīng)小于15%且小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%。填筑時(shí)應(yīng)避免發(fā)生粗料集中架空現(xiàn)象。當(dāng)小于0.005 mm的顆粒含量小于8%時(shí),應(yīng)作專門論證。施工填筑壓實(shí)度大于等于99%;

        4)竣工后壩體沉降量不宜大于壩高的1%。

        2.3 摻礫必要性

        試驗(yàn)用的土料是含礫低液限黏土,雖然其防滲性能能滿足設(shè)計(jì)要求,但土料粗粒含量偏少,力學(xué)指標(biāo)偏低,壓縮性偏大。不滿足設(shè)計(jì)第2),3)條要求。鑒于上寨水電站礫石土心墻堆石壩覆蓋層厚達(dá)70~80 m,防滲土料壩高高達(dá)254 m,對(duì)防滲土料的要求很高。除滿足防滲性能外,還需具有較好的力學(xué)性能,以便能與壩殼堆石的變形相協(xié)調(diào),減少壩殼對(duì)心墻的拱效應(yīng),改善心墻的應(yīng)力應(yīng)變,減少心墻的裂縫發(fā)生幾率。對(duì)于高堆石壩而言,其防滲體裂縫及隨后的滲流沖刷是影響壩體安全的重要因素,因此心墻防滲土料通常選擇具有低壓縮變形的土料,以降低其裂縫發(fā)生的可能性。

        從國(guó)內(nèi)外已建、在建200 m級(jí)以上高土石壩筑壩經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,防滲體基本上都采用礫石土、風(fēng)化巖等寬級(jí)配土料。采用礫石土作為高堆石壩防滲體,可在壓實(shí)后獲得較高的密度,使心墻具備強(qiáng)度高、壓縮性低的特點(diǎn);一旦心墻開(kāi)裂時(shí),可限制裂縫的開(kāi)展,改善裂縫形態(tài),減弱沿裂縫的滲流沖蝕[6]。從類似高壩工程的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,對(duì)于上寨這種粗粒含量偏低的土料需要摻入礫料進(jìn)行改性研究。在保證摻合土料的防滲、抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求的前提下,改善防滲土料的力學(xué)指標(biāo)及抗變形能力,提出適應(yīng)200 m級(jí)高心墻堆石壩防滲土料性能要求,便于施工和質(zhì)量控制、經(jīng)濟(jì)合理的摻合方案。

        3 摻礫研究及試驗(yàn)方案

        本次試驗(yàn)所需土料取自雅拉土料場(chǎng),試驗(yàn)為中型樣(Dmax=20 mm)。依據(jù)規(guī)范,試樣允許最大粒徑為20 mm,由于所摻礫石實(shí)際最大粒徑達(dá)120 mm,因此,對(duì)礫石料原級(jí)配必須進(jìn)行縮尺。這里采用混合縮尺對(duì)超徑料進(jìn)行處理。先采用相似級(jí)配法(n=2),然后再用等量替代法進(jìn)行縮尺,土料過(guò)20 mm篩后與摻礫料按不同比例摻合進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單位體積擊實(shí)功能分別為1 470,2 687.9 kJ/m3,所用密度為擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度的0.99倍。

        3.1 摻礫比例

        礫石含量對(duì)土的滲透性和力學(xué)性能有直接影響,本工程研究確定摻礫比例試驗(yàn)方案主要依據(jù)規(guī)范規(guī)定和同類工程經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)「7」規(guī)定,作為防滲土料的碎(礫)石類土,“碎(礫)石類土大于5mm粒徑含量不宜超過(guò)50%(對(duì)高壩,應(yīng)為20%~50%)”,壩高為261.5 m的糯扎渡水電站重點(diǎn)研究了摻礫量為35%,45%兩個(gè)方案[1];壩高為295 m的兩河口水電站重點(diǎn)研究了摻礫量為30%,40%,50%這3種組合方案[6]。綜合考慮上述規(guī)定和結(jié)果,為確定合理的礫石含量,擬定了4種不同的土-礫摻合比例,試驗(yàn)組合摻配比分別為:65∶35,60∶40,55∶45;45∶55。

        表3 不同摻礫料試驗(yàn)級(jí)配

        表3為不同摻礫料試驗(yàn)級(jí)配。表3中顯示,摻礫35%,40%,45%,55%的0.075 mm以下的顆粒含量分別為51.3%,47.6%,43.5%,35.5%,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的0.075 mm以下的顆粒含量不應(yīng)小于15%;小于0.005 mm的顆粒含量分別為22.2%,20.7%,18.5%,15.3%,也滿足小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%的設(shè)計(jì)要求[5]。

        3.2 擊實(shí)試驗(yàn)成果分析

        心墻摻礫料采用內(nèi)徑為152 mm,筒高為116 mm,擊錘質(zhì)量為4.5 kg,落距為457 mm的重型擊實(shí)儀進(jìn)行。單位體積擊實(shí)功能分別為1 470,2 687.9 kJ/m3。心墻摻礫料最大干密度與摻礫比例的關(guān)系如圖1。

        圖1 心墻摻礫料最大干密度與摻礫比例關(guān)系Fig.1 Relationship between maximum dry density and the proportion of gravel of core material mixing gravel

        不同壓實(shí)功能對(duì)最大干密度有顯著影響。在試驗(yàn)的摻礫范圍內(nèi),心墻摻礫料最大干密度隨摻礫比例增大而增大。一般來(lái)講,其變形模量也會(huì)隨之增大。對(duì)高壩而言,宜采用2 687.9 kJ/m3擊實(shí)功能試驗(yàn)干密度作為土料的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)。

        3.3 滲透、壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

        針對(duì)35%,40%,45%,55%摻礫量4種組合方案的摻合料的壓縮、滲透系數(shù)及變形力學(xué)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 各組合摻礫料力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

        Table 4 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

        根據(jù)表2、表4所列數(shù)據(jù),分別將壓縮模量,滲透系數(shù),摻礫比例關(guān)系如圖2。

        圖2 心墻摻礫料壓縮模量、滲透系數(shù)與摻礫比例關(guān)系Fig.2 Relationship between compression modulus and permeability coefficient of core material mixing gravel and the proportion of gravel

        由圖2可見(jiàn),壓力等級(jí)為0.2 MPa下的壓縮模量摻礫前為7.70 MPa,摻礫35%后為29.67 MPa,是原來(lái)的4倍;壓力等級(jí)為1.6 MPa下的壓縮模量摻礫前為25.98 MPa,摻礫35%后為86.67 MPa,是原來(lái)的3倍;壓力等級(jí)為3.2 MPa下的壓縮模量摻礫前為46.2 MPa,摻礫35%后為92.5 MPa,是原來(lái)的2倍多;而摻礫比例由35%增加至55%時(shí),壓縮模量增長(zhǎng)緩慢,數(shù)值由92.5 MPa增至95.6 MPa。屬于低壓縮性土,完全滿足設(shè)計(jì)關(guān)于“心墻料有較低的壓縮性,且與壩殼料的壓縮性相差不宜過(guò)大”的要求。

        摻礫量為35%~45%時(shí),心墻摻礫料滲透系數(shù)比不摻前還小,但摻礫達(dá)55%后,其滲透系數(shù)明顯增大,是未摻土料的1.7倍。從滲透系數(shù)量值而言,并非摻礫越多越好。這主要與礫石土的級(jí)配特性有關(guān),摻礫35%~45%的心墻摻礫料大于5 mm的含量為32.9%~33.7%,粗細(xì)顆粒能夠產(chǎn)生一定的填充,但礫石形成

        的骨架作用并不明顯,總體上仍顯示為礫石包裹在土中。因此,在混合料中,當(dāng)?shù)[石含量在一定范圍內(nèi)時(shí),混合料的滲透系數(shù)隨著礫石最大粒徑的改變變化不是很大,而隨著礫石總體含量的增加,土石混合料中由于礫石增多而逐漸起骨架作用,混合料中粗顆粒的作用越來(lái)越明顯,改變礫石的級(jí)配特性對(duì)混合料的性質(zhì)影響較大。這也是級(jí)配縮尺效應(yīng)對(duì)于堆石混合料的性質(zhì)影響較大的主要原因[8]。實(shí)際工程中所摻礫石的作用可能會(huì)更大一些。從變形和強(qiáng)度方面看,摻礫量在35%~55%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)心墻料宏觀上的要求。對(duì)于摻礫量的比例,設(shè)計(jì)規(guī)范不宜超過(guò)50%。

        表5是擊實(shí)、三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)力學(xué)性能參數(shù)。結(jié)果表明,不同狀態(tài)下?lián)降[量為45%的土的擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)、三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)均優(yōu)于摻礫量為35%和40%的土。

        表5 各組合摻合料力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

        Table 5 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

        綜合上述各種不同摻礫量下的力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)并結(jié)合本項(xiàng)目的其它試驗(yàn)指標(biāo),如最大干密度、最優(yōu)含水率、抗剪強(qiáng)度參數(shù)等,摻礫量為45%時(shí)均優(yōu)于摻礫量為35%。同時(shí)考慮現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定[7]及同類工程研究結(jié)果[1,6],建議最終摻礫比例45%。

        4 結(jié) 論

        1)雅拉土料場(chǎng)土料壓縮性雖屬中等。但用它作為高土石壩心墻填筑材料,和壩殼堆石相比沉降量差異懸殊,不利于防止心墻內(nèi)產(chǎn)生水平裂縫及由于心墻和堆石壩殼之間的不均勻而發(fā)生壩體橫向垂直裂縫。為改善土料施工條件和減少壓縮量,在滿足防滲的前提下,土料中摻入適量砂礫石是必要的。砂礫石和黏土應(yīng)有合適的配合比例,一般摻礫量以20%~50%為宜。

        2)最大粒徑為20 mm的摻礫混合料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著摻礫量由35%增加至55%以及擊實(shí)功率由1 470提高至2 687.9 kJ/m3,試驗(yàn)的最大干密度由2.05提高到2.18 g/cm3,最優(yōu)含水率9.1%減小到7.1%。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果顯示,在垂直應(yīng)力3 200 kPa壓力下,平均壓縮模量ES由92.54提高到95.64 MPa。滲透特性試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著摻礫量由35%增加至55%,滲透系數(shù)由1.76×10-7提高到7.53×10-7cm/s。試驗(yàn)結(jié)果總體顯示摻礫土料具有抗剪強(qiáng)度較高,低壓縮性,透水性小的特點(diǎn),能夠滿足心墻壩防滲土料的質(zhì)量要求。

        3)試驗(yàn)結(jié)果總體上表明,摻礫量在35%~55%范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)心墻料宏觀上的要求。對(duì)于摻礫量的比例,設(shè)計(jì)規(guī)范建議不宜超過(guò)50%,結(jié)合雙江口摻礫比例為50%,糯扎渡摻粒比例為35%,綜合考慮,建議依托工程摻礫比例不宜超過(guò)50%,最終摻礫比例為45%。

        4)考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際心墻摻礫料的最大粒徑要大于試驗(yàn)用料的最大粒徑,試驗(yàn)級(jí)配采用相似級(jí)配和等量替代混合法進(jìn)行,存在一定的縮尺影響;加之粗粒料屬非均質(zhì)料,影響因素甚多,試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況會(huì)存在一定的差異,大壩填筑過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)。

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        Study of Penetration Test and Compression Test on Core Material of Different Gravel Amounts

        SUN Liping,QI Junxiu

        (Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024,P.R.China)

        The experience of similar projects in China were consulted and many tests conducted on the different mixed gravel. In addition, research on the permeability and compression performance of the key proportion of soil materials were carried out simultaneously. Test results show that: When the proportion of gravel in the range of 35%~55%, compression performance index are improved greatly with the antiseeping criterion up to the design requirements.When the compressive stress is 3.2 MPa, the compression modulus increased from 46.2 MPa to 92.5~95.6 MPa, which is 2 times more than that of the original. Thus, the suggested proportion of the gravel in this project be no more than 50% and the final proportion applied is 45%.

        water conservancy and hydropower engineering;core rockfill dam; impervious soil; mixing gravel test

        10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.20

        2015-07-02;

        2015-10-20

        孫莉萍(1968—),女,北京人,高級(jí)工程師,主要從事巖土力學(xué)試驗(yàn)方面的研究。E-mail:wj1998915@sohu.com。

        TV641;X502

        A

        1674-0696(2016)05-097-06

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