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        砂巖、泥巖在貴州省興仁市響水水庫工程大壩上應(yīng)用

        2021-06-21 05:52:28張關(guān)會
        陜西水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:響水堆石石料

        張關(guān)會

        (貴州中水建設(shè)管理股份有限公司,貴州 貴陽550002)

        1 工程概況

        貴州省興仁縣響水水庫大壩工程位于興仁縣潘家莊鎮(zhèn)夏溪村夏溪河上游河段。工程任務(wù)是煙地灌溉和農(nóng)村人畜飲水,水庫總庫容129.7萬m3,水庫年可供水量136.3萬m3。水庫規(guī)模為?。?)型,工程等別為Ⅳ等,主要由擋水建筑物,泄洪建筑物、取水兼導(dǎo)流建筑物等組成。

        初步設(shè)計通過技術(shù)經(jīng)濟比較,結(jié)合壩址區(qū)的工程地質(zhì)條件,選定擋水建筑物為面板堆石壩,壩頂高程1566.2 m,最大壩高45.7 m,壩頂長度124.27 m。

        泄洪建筑物為右岸岸邊開敞式溢洪道,溢流凈寬10 m,堰頂高程。溢洪道由進口段、控制段、泄槽段、消力池段組成,軸線總長169.1 m。

        取水兼導(dǎo)流放空隧洞布置在左岸,取水口通過導(dǎo)流洞改造而成,導(dǎo)流兼取水放空洞長270.0 m,進口設(shè)置攔污柵和檢修閘門,出口設(shè)置放空、生態(tài)放空閘閥。

        2 填筑料的選擇

        響水水庫大壩為面板堆石壩,最大壩高45.2 m,壩頂長124.047 m,壩頂凈寬6.5 m,壩體總填筑量約25萬m3,壩址區(qū)5 km范圍內(nèi)出露地層巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)灰綠、紫紅色泥巖、細砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖及少量凝灰質(zhì)砂巖,泥巖、細砂巖為互層結(jié)構(gòu),通過鉆孔取芯試驗,區(qū)域內(nèi)泥巖飽和抗壓強度在15.24 MPa~22.16 MPa之間,屬軟巖;砂巖樣飽和抗壓強度在39.85 MPa~46.87 MPa之間,屬中硬巖,泥巖砂巖石所在比例約為6∶4。

        區(qū)域內(nèi)距壩址區(qū)最近的硬質(zhì)灰?guī)r主要分布在直線距離5 km以外的罩陰潭一帶,分布于工程區(qū)東南面,公路距離約9.5 km,出露地層為T1yn灰?guī)r,儲量豐富,可滿足本工程用量要求,通過鉆孔取芯試驗,巖體飽和抗壓強度30 MPa~60 MPa,為中硬巖,容重為26.98 kN/m3~27.08 kN/m3。公路距離約9.5 km,工程造價高。

        初步設(shè)計階段為選定壩體填筑材料,對罩陰潭一帶T1yn灰?guī)r堆石填料和壩址的軟巖填料進行造價分析,軟巖填筑單方價格為48.62元/m3,硬巖填筑單方價格為70.34元/m3,按照堆石料25萬m3計算,壩體填灰?guī)r填筑料要比軟巖多543.0萬元,因此從技術(shù)經(jīng)濟角度選定壩體主要填筑料為壩址區(qū)的三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)泥巖、細砂巖,混凝土砂石骨料及工程所需的硬巖從工程區(qū)東南面罩陰潭取料。

        3 壩體設(shè)計

        根據(jù)所選料場的石料屬性,借鑒國內(nèi)已經(jīng)建成的重慶魚跳、江西大坳、云南茄子山等軟巖筑壩工程的成功經(jīng)驗,響水水庫工程大壩上下游壩坡均為1∶1.6,壩體由上游鋪蓋區(qū)、特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、下游堆石區(qū)、大塊石護腳、下游坡面塊石護坡填筑組成,壩體分區(qū)見圖1。

        圖1 壩體分區(qū)示意圖

        3.1 特殊墊層料

        特殊墊層料從罩陰潭料場開采,巖體飽和抗壓強度30 MPa~60 MPa,通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設(shè)計級配要求,設(shè)計干密度2.2 g/cm3,空隙率小于16%,小于0.075 mm顆粒組含量4%~8%,滲透系數(shù)10-4cm/s~10-3cm/s。

        3.2 墊層料

        特殊墊層料從罩陰潭料場開采,巖體飽和抗壓強度30 MPa~60 MPa,通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設(shè)計級配要求,設(shè)計干密度2.1 g/cm3~2.15 g/cm3,空隙率小于20%,小于0.075 mm顆粒組含量4%~8%,滲透系數(shù)10-4g/cm3~10-3cm/s。

        3.3 過渡料

        特殊墊層料從罩陰潭料場開采,巖體飽和抗壓強度30 MPa~60 MPa,通過破碎、篩分、摻配保證墊層料必須嚴格滿足設(shè)計級配要求,設(shè)計干密度2.1 g/cm3~2.15 g/cm3,空隙率小于22%,小于0.075 mm顆粒組含量4%~8%,滲透系數(shù)10-2cm/s。

        3.4 排水區(qū)

        排水區(qū)堆石料從罩陰潭料場開采后直接上壩碾壓,設(shè)計干密度2.2 g/cm3,空隙率小于22%,小于0.075 mm顆粒組含量小于8%,滲透系數(shù)10-2cm/s。

        3.5 下游堆石料

        下游堆石料采用弱風(fēng)化砂巖、泥巖,巖體飽和抗壓強度22 MPa~60 MPa,設(shè)計干密度2.0 g/cm3~2.10 g/cm3,空隙率小于23%,小于0.075 mm顆粒組含量小于8%,滲透系數(shù)10-2cm/s。

        4 碾壓施工

        4.1 碾壓實驗

        為進一步復(fù)核堆石料設(shè)計級配及填筑標(biāo)準(zhǔn)的控制指標(biāo)和確定碾壓控制參數(shù),在填筑之前根據(jù)大壩的填料分區(qū)和填料特性,分為兩個階段開展碾壓實驗,第一階段在壩上開展硬巖填筑的特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)生產(chǎn)性實驗,第二階段在軟巖料場完成砂泥巖填筑的下游堆石區(qū)實驗。

        (1)特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)生產(chǎn)性實驗

        特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)碾壓實驗在壩上開展,碾壓設(shè)備為20 t振動碾壓機,從碾壓試驗成果來看,碾壓實驗基本能滿足,也符合硬巖堆石壩的常規(guī),通過碾壓實驗對碾壓參數(shù)進行修正,最終控制指標(biāo)見表1。

        表1 特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)壩體填筑參數(shù)

        (2)下游堆石區(qū)碾壓試驗

        下游堆石區(qū)碾壓試驗在軟巖料場堆料場進行,場地寬18.0 m,長23.0 m。通過對巖石比重測試填筑料比重的加權(quán)平均值為2.66 g/cm3。碾壓設(shè)備為20 t振動碾壓機,鋪料厚度按照90 cm控制,靜碾2遍、動碾2、動碾4、動碾6、動碾8、動碾10、動碾12、動碾14的碾壓順序挖坑檢測數(shù)據(jù),試驗過程中,分別對靜碾2遍+動碾6、8、10、12遍時的試坑進行篩分試驗,小于5 mm的粒粒含量為2.79%~7.74%之間,小于0.075 mm的顆粒含量為0.12%~0.42%之間,滿足規(guī)范要求,碾2遍+動碾8遍時,干密度為2.05 g/cm3,對應(yīng)孔隙率為22.9%,靜碾2遍+動碾10遍時,干密度為2.07 g/cm3,對應(yīng)孔隙率為22.3%,靜碾2遍+動碾12遍時,干密度為2.08 g/cm3,對應(yīng)孔隙率為21.9%,堆石料干密度隨碾壓遍數(shù)增加而增大,從碾壓12遍至14的檢測數(shù)據(jù)顯示,干密度和孔隙率增加量不大。從挖坑檢測的情況來,碾壓12遍后試坑內(nèi)壁穩(wěn)定、密實,無架空現(xiàn)象。

        從沉降來看,靜碾2遍、動碾2、動碾4、動碾6、動碾8、動碾10、動碾12、動碾14遍所對應(yīng)的沉降量為21 mm、39 mm、31 mm、19 mm、11 mm、5 mm、2 mm、2 mm,沉降隨碾壓遍數(shù)增加而減小,到碾壓12遍~14遍趨于穩(wěn)定。

        從碾壓前后填筑料檢測資料顯示,碾壓前800 mm~600 mm的粒徑含量在0~7.05%之間,碾壓8遍后含量為0;碾壓前600 mm~400 mm的粒徑含量在8.15%~13.99%之間,碾壓8遍后粒徑含量在0~8.5%之間,碾壓10遍后含量為0~7.5%,碾壓12遍后含量為0;碾壓前400 mm~200 mm的粒徑含量在13.08%~18.24%之間,碾壓8遍后粒徑含量在13.2%~15.55%之間,碾壓10遍后含量為10.75%~16.23%,碾壓12遍后含量為9.59%~14.48%,碾壓14遍后含量為8.77%~10.84%;碾壓前200 mm~100 mm的粒徑含量在14.43%~19.76%之間,碾壓8遍后粒徑含量在25.42%~29.38%之間,碾壓10遍后含量為25.59%~30.71%,碾壓12遍后含量為17.45%~19.24%,碾壓14遍后含量為17.66%~19.84%;碾壓前小于100 mm的粒徑含量在51.46%~56.06%之間,碾壓8遍后粒徑含量在46.57%~61.39%之間,碾壓10遍后含量為53.05%~63.67%,碾壓12遍后含量為66.6%~71.17%,碾壓14遍后含量為71.39%~72.89%之間。

        通過對碾壓前后的數(shù)據(jù)對比分析,隨著碾壓遍數(shù)的增加大粒徑填料所占比重減少,碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加,填石料顆粒的變化符合試驗中堆石料在灑水和陽光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現(xiàn)象。

        碾壓前后小于5 mm的粒徑含量在3.07%~3.91%之間,小于0.075 mm的粒徑含量在0.09%~0.22%之間,碾壓12遍后小于5 mm的粒徑含量在5.12%~6.01%之間,小于0.075 mm的粒徑含量在0.17%~0.25%之間,碾壓前后小粒徑有所增加,但是變化不大,小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結(jié)和泥化現(xiàn)象是一致的。

        從碾壓前后填筑料的級配分析,碾壓后大粒徑的壩料與設(shè)計相比減小,小粒徑的含量比設(shè)計含量小。

        圖2 下游堆區(qū)料前后顆粒級配曲線對比圖

        圖3 下游堆區(qū)料設(shè)計與碾壓后顆粒級配曲線對比圖

        根據(jù)碾壓實驗的成果,結(jié)合響水水庫的時間情況,最終下游堆石區(qū)的碾壓參數(shù)按照表2控制。

        表2 下游堆石區(qū)的填筑參數(shù)

        4.2 碾壓填筑

        壩體填筑施工,裝料采用1.2 m3挖掘機裝料,采用20 t自卸車運輸運至工作面,采用SD160推土機鋪料,碾壓采用20 t振動碾,振動頻率為28 Hz,對于較狹窄部位和距離建筑物較近的部位,采用人工鋪料或機械配合人工鋪料、手扶式振動碾進行碾壓夯實。

        壩料填筑按照碾壓實驗參數(shù)控制,墊層料每次鋪料層厚45 cm,靜壓2遍+強震碾壓8遍;特殊墊層料每次鋪料層厚22 cm,靜壓2遍+強震碾壓6遍;過渡料每次鋪料層厚45 cm,靜壓2遍+強震碾壓8遍;排水區(qū)每次鋪料層厚90 cm,靜壓2遍+強震碾壓10遍;堆石體料每次鋪料層厚800 cm,靜壓2遍+強震碾壓10遍,碾壓平行于壩軸線方向進行,碾壓行走速度為1.0 km/s~2.0 km/s,碾壓搭接寬度不小于0.3 m~0.5 m,在壩體與岸坡接觸部位及邊角區(qū)域,采用蛙式打夯機進行壓實,下游堆石區(qū)施工過程共檢測15個試坑,干密度為2.07 g/cm3~2.2 g/cm3,對應(yīng)孔隙率為21.8%~22.3%,檢測數(shù)據(jù)均滿足控制指標(biāo)的要求。

        5 運行情況分析

        響水水庫工程大壩自2017年3月開始填筑,于2017年10月25日封頂,2018年11月12日完工,于2019年4月15日開始蓄水,于2019年9月13水滿溢洪,水庫蓄水后大壩運行良好。從施工期至蓄水期觀測數(shù)據(jù)來看,內(nèi)部沉降變形正常,符合大壩變形規(guī)律。

        大壩沉降主要發(fā)生在施工期,最大的沉降量為16 cm,最大沉降發(fā)生在1551.00 m高程壩橫0+069.000 m斷面,響水水庫大壩沉降規(guī)律性較好,內(nèi)部沉降過程特點和壩體填筑過程特點相符合,施工結(jié)束壩體沉降基本穩(wěn)定趨勢,壩體沉降量與壩體設(shè)計估算的沉降量小23.4 m。1531.00 m高程和1551.00 m高程的沉降實測過程線見圖4和圖5。

        圖4 1531.00m高程沉降過程線圖

        圖5 1551.00m高程沉降過程線圖

        通過壩體實測水平位移數(shù)據(jù)分析,壩體1531.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-0.84 mm(SE1)、0.22 mm(SE2)、3.38 mm(SE3)、2.76 mm(SE4);1551.00 m高程壩橫0+069.00 m斷面最大位移量分別為-2.64 mm(SE5)、0.84 mm(SE6)、3.52 mm(SE7),與面板澆筑完成后位移量相比較,測點位移量呈減小趨勢,目前壩體水平位移呈基本穩(wěn)定趨勢。可以看出,埋設(shè)在上游墊層料區(qū)測點SE1、SE5表現(xiàn)向上游方向位移,下游主堆石區(qū)測點SE2、SE3、SE4、SE6、SE7表現(xiàn)為向下游位移。壩體水平位于實測過程線見圖6和圖7。

        圖6 1531.00m高程水平位移實測過程線圖

        圖7 1531.00m高程水平位移實測過程線圖

        從面板的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,實測最大脫空、剪切位移量分別為-1.88 mm(TKJ2-1)、-1.77 mm(TKJ2-2),脫空及剪切量均較小,面板測縫計的面板縫開度均較小,實測數(shù)據(jù)最大值2.1 mm,符合對是堆石壩變形規(guī)律。

        圖8 水庫初期運行照片

        6 結(jié)論

        (1)通過砂、泥巖筑壩在響水水庫大壩上實驗、生產(chǎn)及運行狀況分析,泥巖、砂巖互層的巖體結(jié)構(gòu)作為堆石料在碾壓12遍后能獲得大于2.07 g/cm3干密度和22.3%的空隙率,水庫蓄水正常運行證明堆石料能滿足壩體承載和變形的要求。

        (2)本工程泥巖飽和抗壓強度在22.16 MPa~15.24 MPa之間,屬軟巖;砂巖飽和抗壓強度39.85 MPa~46.87 MPa之間,屬中硬巖,泥巖砂巖石所在比例約為6∶4,能為軟、硬巖混合筑壩提供一定混合比例參考。

        (3)通過對碾壓前后的數(shù)據(jù)對比分析,隨著碾壓遍數(shù)的增加大粒徑填料所占比重減少,碾壓后小于100 mm的粒徑含量增加,填石料顆粒的變化符合試驗中堆石料在灑水和陽光暴曬后易開裂、碾壓表面易破碎的現(xiàn)象,碾壓前后小粒徑有所增加,但是變化不大,小粒徑含量較小與碾壓過程碾壓表面沒有板結(jié)和泥化現(xiàn)象是一致的。

        (4)通過運行期監(jiān)測資料分析,壩體沉降已呈基本穩(wěn)定趨勢,響水水庫大壩沉降規(guī)律性較好,最大沉降量為16.0 cm,約為壩高的0.35%。

        (5)響水水庫蓄水運行良好,說明泥巖、細砂作為主要的填筑壩料在響水水庫工程大壩上應(yīng)用是成功的,響水水庫采用壩料設(shè)計分區(qū)、料場特性、碾壓參數(shù)等參數(shù)能為類似的工程提供一定的技術(shù)參考。

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