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        膠結碎石土在黏土心墻壩中的應用

        2018-06-19 02:31:22劉占濤
        水利技術監(jiān)督 2018年3期
        關鍵詞:壩坡心墻壩基

        劉占濤

        (新賓滿族自治縣水務局南雜木水利站,遼寧 撫順 113217)

        天然碎石土是由巖石風化產生的一種砂石材料,它由巖石不同風化程度的產物混合而成,母巖風化后形成較小的巖塊,巖塊繼續(xù)風化形成大的碎石,大碎石再經(jīng)過一定的物理化學變化之后形成了細礫、砂和細粒,這就是碎石土。受風化程度的影響,碎石土物理力學性質也有很大的差異,由碎石土的成因可以知,其常見于山丘地區(qū)[1- 4]。碎石土物理力學性能不夠穩(wěn)定,對于碎石土的一般處理辦法是對其進行膠結,最常見的是利用水泥對碎石土進行膠結,試驗表明,膠結后的碎石土物理力學性能有很大程度的提升[5- 7]。

        伴隨著水電行業(yè)的發(fā)展,對于黏土心墻壩的施工技術研究逐漸受到大家的重視,特別是對于不良地質條件黏土心墻壩的設計和施工開展了許多研究[8- 10]。隨著科學技術的發(fā)展,本著安全經(jīng)濟的原則,對于一些不良的地質情況,應該多探討施工方法和工藝,以期提高大壩的安全穩(wěn)定性能并盡可能地節(jié)約投資。

        本文以某壩基為碎石土的黏土心墻壩為工程背景,通過對水泥膠結的碎石土進行一系列的室內土工試驗獲取計算參數(shù),利用Geo- studio有限元分析軟件模擬大壩的沉降量和通過壩基的滲透量,探討膠結碎石土在黏土心墻壩中的應用,以期為相似的工程提供一定的參考借鑒作用。

        1 試驗材料與試驗方法

        某擬建黏土心墻壩經(jīng)過前期勘察發(fā)現(xiàn)在基巖上覆蓋有平均10m深的碎石土層,如果采用開挖換填的壩基處理技術,開挖量、回填量巨大,不利于投資,因此擬對壩基碎石土層進行膠結。試驗所用碎石土取自設計壩基建基面以下1m深處的原狀樣,主要由礫粒、砂粒以及細粒構成,表1為其顆粒成分組成表。膠結碎石土試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O32.5。

        表1 碎石土顆粒成分組成表

        研究表明:在對碎石土進行膠結改良時,水泥摻量為10%左右基本能夠滿足工程需要,本文膠結碎石土試驗水泥摻量定為10%。通過對碎石土以及水泥膠結后的碎石土分別進行密度、含水率、滲透、側限壓縮、無側限抗壓強度等試驗,以獲得碎石土及膠結后的試驗參數(shù)。

        2 試驗結果與分析

        通過一系列試驗可得碎石土容重為18.3kN/m3,滲透系數(shù)為7.8×10-4cm/s,變形模量為25MPa,泊松比為0.18??紤]到水泥齡期的關系,試驗時間過早會導致水泥水化作用不充分,試驗數(shù)據(jù)不合理,因此膠結碎石土統(tǒng)一在7d后開展相應的試驗研究,膠結碎石土容重為20.2kN/m3,滲透系數(shù)為2.3×10-5cm/s,變形模量為72MPa,泊松比為0.15。由膠結前后的試驗結果對比可知,通過水泥的膠結作用,碎石土的容重增加,滲透性系數(shù)降低了近5倍,變形模量提高了3倍,各方面性能均得到改善。

        3 數(shù)值模擬

        3.1 模型建立

        由前期勘察資料可知,基巖上部覆蓋平均厚度為10m的碎石土層,大壩壩高40m,黏土心墻厚度為3~9m,迎水面壩坡比為1∶1.5,背水面壩坡比為1∶1.75,正常蓄水位38m,設計洪水位39m,校核洪水位39.5m,正常蓄水位對應的庫容為4.78×106m3,筑壩所用黏土心墻及上下游壩料均用當?shù)夭牧?。如圖1為利用Geo- studio有限元軟件建立的本次數(shù)值模擬的黏土心墻壩模型,采用四邊形單元,網(wǎng)格剖分一共劃分了2709個單元和2798個節(jié)點。

        圖1 膠結碎石土黏土心墻壩模型

        由地質勘查資料結合本文的試驗數(shù)據(jù)結果可以得到本次數(shù)值模擬的參數(shù)取值,表2為本次數(shù)值模擬的參數(shù)匯總表。利用Geo- studio應力變形模塊以及滲透模塊,模擬碎石土層壩基在膠結前后的水平方向以及豎直方向的沉降量,以及通過壩基的滲漏量。

        表2 膠結碎石土黏土心墻壩數(shù)值模擬參數(shù)匯總表

        3.2 沉降量數(shù)值模擬結果與分析

        圖2為碎石土層膠結前后黏土心墻壩水平方向位移,由數(shù)值模擬結果可以看出,以壩軸線為分界,上游壩坡會發(fā)生向上游的位移,下游壩坡會發(fā)生向下游的位移。如果直接在碎石土層上修建黏土心墻壩時,上游壩坡最大的水平位移為20cm,下游壩坡最大的水平位移為15cm;而將碎石土層膠結之后,利用膠結的碎石土層作為壩基,上游壩坡的最大水平位移為10cm,下游壩坡的最大水平位移為5cm。通過碎石層膠結前后上下游壩坡的位移結果對比分析可知,碎石土層膠結后,大壩的水平位移顯著減少,上游壩坡的水平位移降低了50%,下游壩坡的水平位移降低了67%,原因在于碎石土層膠結后變形模量得到了顯著的提高,因此變形量會減少。

        圖2 碎石土層膠結前后黏土心墻壩水平方向位移

        圖3為碎石土層膠結前后黏土心墻壩豎直方向位移,由數(shù)值模擬結果可以看出,大壩在豎直方向上會發(fā)生比較大的沉降。如果直接在碎石土層上修建黏土心墻壩,由于自重的作用,不僅黏土心墻和壩料會發(fā)生沉降,碎石土層也會由于上覆土的自重而產生沉降。在碎石土層的最大豎直方向的位移達到100cm,而大壩的最大豎直方向的位移能夠達到200cm,如此大的沉降量在工程上是不允許的,沉降量過大會導致防滲心墻與壩料之間的接觸變差,進而影響大壩的防滲效果。將碎石土層膠結后,利用膠結的碎石土層作為壩基,從圖3中可以看出,在上覆土重的作用下,膠結碎石土層基本不發(fā)生變形,且大壩最大的豎直方向上的沉降量也降為120cm。通過碎石層膠結前后大壩豎直方向的沉降量結果對比分析可知,碎石土層膠結后,大壩的豎直方向上的沉降量顯著減少,相比于未膠結前,膠結后的大壩豎直方向的沉降量減少了40%,這是由于碎石土層膠結后其變形模量得到了顯著的提高,在上覆土層的自重荷載作用下膠結碎石土層的沉降量很小,因此大壩的整體沉降量顯著降低。沉降量的降低有助于大壩的快速施工和大壩在施工期的安全穩(wěn)定性能。

        圖3 碎石土層膠結前后黏土心墻壩豎向沉降量

        3.3 滲漏量數(shù)值模擬結果與分析

        圖4為利用Geo- studio軟件中的Seep模塊,模擬碎石土層膠結前后通過黏土心墻壩壩基的滲漏量。由圖4膠結前后的對比結可知,在膠結前通過壩基的單寬滲漏量為2.63×10-5m3/s,而對碎石土層膠結后,通過大壩壩基的單寬滲漏量為2.48×10-6m3/s。從結果可知,對碎石土層膠結后通過大壩壩基的單寬滲漏量降低了接近10倍,這說明膠結后的碎石土層對大壩的滲漏量的控制作用是很明顯的,這是由于水泥的水化作用,將碎石土層中顆粒膠結了起來,減少了水流的滲透通道,提高了碎石土層的滲透性能。

        圖4 碎石土層膠結前后通過壩基的單寬滲漏量

        4 結論

        本文通過對碎石土進行一系列的室內土工試驗,并利用Geo- studio有限元軟件對壩基為碎石土層的黏土心墻壩進行豎直模擬,結論如下。

        (1)碎石土層在膠結后,各項物理力學性能指標均得到了很大的提升。

        (2)碎石土層膠結后,其黏土心墻壩的水平方向和豎直方向的位移均明顯減少。

        (3)碎石土層膠結后,通過黏土心墻壩壩基的單寬滲漏量顯著降低。

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