盧曉鵬

(云南省水利水電科學研究院,云南昆明 650228)

泥巖風化料在龍虎水庫大壩防滲心墻填筑中的應用

盧曉鵬

(云南省水利水電科學研究院,云南昆明 650228)

為了解龍虎水庫大壩防滲心墻料(當?shù)啬鄮r風化料)的壓實情況,以便為大壩的填筑施工提供科學依據(jù),對泥巖風化料進行現(xiàn)場碾壓試驗。試驗結(jié)果表明,由于料源母巖以軟巖為主,在碾壓和擊實過程中礫石破碎率大于30％,壓實性滿足設(shè)計要求;按碾壓試驗確定的參數(shù)施工,防滲性能滿足設(shè)計要求;料場天然含水率高于且接近最優(yōu)含水率,施工時不用調(diào)整含水率可直接上壩,但要立采混合均勻方可進行填筑;該土料滲透系數(shù)小于5×10-6cm/s,具有較高的抗?jié)B透變形穩(wěn)定性。經(jīng)復核試驗驗證及蓄水檢驗,當?shù)啬鄮r風化料在龍虎水庫大壩防滲心墻填筑中的應用是成功的。

泥巖風化料;防滲心墻;壓實性;防滲性;龍虎水庫大壩

1 工程概況

龍虎水庫位于云南省牟定縣西北部15 km處龍川河上游老虎箐峽口地段,是一座以灌溉為主,兼顧養(yǎng)殖及綜合利用功能的中型水庫,水庫總庫容為1370.18萬m3,興利庫容為1 042萬m3,設(shè)計灌溉面積為1666.67 hm2。工程于2003年11月30日開工,2008年5月樞紐主體工程完工。

水庫攔河大壩為黏土心墻石碴壩,壩高68.3 m,壩頂長321m,寬6m。上游壩坡坡度分別為1∶2.2、1∶2.4、1∶2.5;下游壩坡坡度分別為1∶1.8、1∶2.0、1∶2.0。水庫樞紐區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度。

2 料場的基本特性

龍虎水庫槽子地料場位于大壩上游右岸半山坡,東西長約350 m,南北長約120 m,地形坡度為18°～23°,基巖為白堊系上統(tǒng)江底河組下段紫紅色厚層狀泥巖(K2j1),料場黏土層為泥巖經(jīng)全強風化作用后形成。根據(jù)泥巖風化程度和地形差異可劃分為兩個采區(qū),1采區(qū)靠近上游,2采區(qū)靠近下游,以沖溝為界。

料場可開采厚度一般為2～4 m,剝離層厚度為0.3～0.8 m,距大壩0.5～0.8 km,儲量滿足設(shè)計要求,可開采量為24.21萬m3。初設(shè)及詳查階段對料場泥巖風化料進行了大量的物理力學性能試驗。料場平均天然含水率為27.5％～30.2％,平均天然干密度為1.41～1.49 g/cm3。土料為黏土質(zhì)礫(GC),多為泥巖風化料,細料為高液限黏性土,粗粒風化劇烈,巖塊疏松易碎,擊后破碎率大于30％。顆粒分析表明料場土料級配連續(xù),大于5mm的粗礫質(zhì)量分數(shù)為36.2％～45.1％;小于0.075 mm的細粒質(zhì)量分數(shù)為32.5％～39.5％;小于0.005 mm的黏粒質(zhì)量分數(shù)為18.0％～22.0％。土料屬中等壓縮性,直剪強度摩擦角在18°～20°之間,滲透系數(shù)小于5× 10-6cm/s。從國內(nèi)外土石壩使用軟巖風化料作為防滲料的經(jīng)驗看,只要粗礫質(zhì)量分數(shù)的上限不超過50％～60％,細粒質(zhì)量分數(shù)的下限不小于15％,最大粒徑不超過碾壓鋪土層厚2/3的碎(礫)石類土料可用作心墻防滲料。龍虎水庫槽子地料場的級配均在此范圍,可滿足心墻防滲料的要求。

3 不同礫石質(zhì)量分數(shù)的影響

為了解槽子地料場粗礫(粒徑大于5 mm)質(zhì)量分數(shù)的大小對壓實性的影響[1],人工配制不同摻礫量(0、30％、50％、60％、70％、78.9％)的礫石進行大型擊實試驗。不同摻礫量的擊實成果見表1,不同摻礫量擊實前后顆粒分析級配曲線見圖1。

圖1 槽子地料場不同摻礫量擊實前后顆粒分析級配曲線

從試驗成果看:土料中摻入粗礫后,隨著摻礫量的增加,破碎率增大,但由于粗礫風化程度高,擊后易破碎為泥屬軟巖風化料,粗、細粒的性質(zhì)相差不大,故擊實干密度變化不大。大壩防滲心墻填筑施工時,對料場泥巖風化料立采混合均勻后進行填筑,填筑土料物理力學指標滿足心墻料填筑設(shè)計指標要求。

4 泥巖風化料碾壓試驗結(jié)果分析

龍虎水庫大壩防滲心墻土料以泥巖風化料為主,由于料源物理性能存在較大差異,為了解泥巖風化料的壓實情況,為大壩的填筑施工提供科學依據(jù),進行了大量的現(xiàn)場碾壓試驗。土料的壓實性主要用碾壓后的密度來反映[2],從現(xiàn)場碾壓試驗中獲得的大量數(shù)據(jù)及成果說明壓實度除與材料的性質(zhì)有關(guān),還與級配、含水率等條件密切相關(guān),同時與碾壓機械及碾壓參數(shù)(如碾壓遍數(shù)、鋪土厚度)也有關(guān)。

4.1 不同土料的壓實性

壓實干密度隨級配、土性不同而變化。從料場碾壓前后級配的變化情況看,槽子地料場2個采區(qū)粗礫最大粒徑為200 mm,大于2 mm的礫石質(zhì)量分數(shù)碾壓前約為50％,碾壓后隨碾壓遍數(shù)的增加降低至16.0％～40.0％;0.075～2 mm的砂粒質(zhì)量分數(shù)碾壓前約為14.0％,碾壓后平均增加了5.0％以上;小于0.075 mm的細粒質(zhì)量分數(shù)碾壓前后變化尤為顯著,1采區(qū)碾壓前平均值為8.0％,碾壓后超過50.0％,2采區(qū)碾壓前平均值為33.5％,碾壓后增大至50.0％。槽子地料場的粗粒碾壓后容易破碎,由于2采區(qū)的粗礫較1采區(qū)的堅硬,1采區(qū)碾壓后的干密度較2采區(qū)的低,1采區(qū)干密度值為1.41～1.46 g/cm3,2采區(qū)干密度值為1.44～1.54 g/cm3。

4.2 含水率與壓實干密度的關(guān)系

料場進行了最優(yōu)含水率和最優(yōu)含水率±(2％～3％)這3種狀態(tài)下的選擇性試驗及最優(yōu)含水率下的復核試驗。結(jié)果表明含水率對土料壓實干密度的影響較大,含水率等于最優(yōu)含水率時各土料可得到最佳的壓實效果。在最優(yōu)含水率狀態(tài)下,槽子地料場1采區(qū)土料碾壓8遍后均可達到現(xiàn)場控制指標,即現(xiàn)場擊實成果的最大干密度為1.46 g/cm3;槽子地料場2采區(qū)土料碾壓10遍后也達到了1.54 g/cm3的最大干密度。

表1 槽子地料場不同摻礫量礫石擊實成果

從碾壓后的現(xiàn)場觀察及開挖探坑情況看,含水率偏小(比最優(yōu)含水率小2％～3％)時,碾壓層表面易被凸塊碾碾壓刨松,有的地方粗、細粒結(jié)合不好,遇水易產(chǎn)生濕陷,對壩體的防滲不利[3];含水率較大(比最優(yōu)含水率大2％～3％)時,各碾壓過程未出現(xiàn)彈簧土和涌土現(xiàn)象,在碾壓試驗中未出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。

測得各料場的天然含水率為29％左右,料場1采區(qū)的最優(yōu)含水率為29.5％,料場2采區(qū)的最優(yōu)含水率為25.5％。各料場土料經(jīng)剝除表層立采混合后運輸至壩面鋪土,天然含水率可損失2％～3％,施工中不需調(diào)整土料含水率可直接上壩碾壓,從而簡化了施工工藝[4]。

4.3 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系

在碾壓6、8、10、12遍后,用挖坑灌水法進行密度測試[5],結(jié)果表明同一含水率、同一鋪土厚度下壓實干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大,密度大幅度增加主要發(fā)生在碾壓8遍前,一般說來碾壓8遍后增幅逐漸減小。各場次的沉降觀測成果也顯示碾壓遍數(shù)為6～8遍時,沉降量最大,8～10遍時沉降減小,10～12遍時沉降幾乎為零。

在最優(yōu)含水率下,當碾壓遍數(shù)為8遍和10遍時,鋪土厚度為30 cm、35 cm時的干密度均可達到現(xiàn)場控制干密度(1采區(qū)1.46 g/cm3,2采區(qū)1.54 g/cm3),其中,2采區(qū)的壓實干密度值均大于初設(shè)階段1.50 g/cm3的設(shè)計指標。

4.4 鋪土厚度與干密度的關(guān)系

在碾壓試驗中,鋪土厚度分別取30 cm、35 cm、40 cm。一般情況下,壓實干密度隨鋪土厚度的增加而逐漸減小[6],本次試驗結(jié)果(圖2)也證明了這一結(jié)論。設(shè)計鋪土厚度時應考慮土料在含水率下限時土層底部不產(chǎn)生干松土層及達到設(shè)計干密度條件下使施工效率最高。

在最優(yōu)含水率下,槽子地料場1采區(qū)鋪土厚度為35cm時,碾壓8遍后可獲得現(xiàn)場擊實1.46g/cm3的壓實干密度,見圖2(a)。由于2采區(qū)的粗粒較1采區(qū)的粗粒風化程度低,在凸塊碾作用下鋪土厚度取30 cm雖可達到初設(shè)階段1.50 g/cm3的設(shè)計干密度,但需碾壓10遍才能達到現(xiàn)場擊實1.54 g/cm3的控制干密度,見圖2(b)。為保證水庫大面積的施工質(zhì)量,建議鋪土厚度取30～35 cm,并嚴格控制不得超厚。

圖2 槽子地料場最優(yōu)含水率下鋪土厚度與干密度的關(guān)系曲線

4.5 碾壓土料的滲透性

對土料在復核場分別進行了2次現(xiàn)場垂直滲透試驗(現(xiàn)場注水試驗)及原狀樣室內(nèi)大型滲透試驗[7],試驗成果見表2。由表2可知,料場土料試驗現(xiàn)場滲透系數(shù)和原狀樣室內(nèi)滲透系數(shù)均小于5×10-6cm/s;1采區(qū)和2采區(qū)的平均現(xiàn)場滲透系數(shù)分別為2.58×10-6cm/s和4.29×10-6cm/s;1采區(qū)和2采區(qū)的平均室內(nèi)滲透系數(shù)分別為1.16×10-6cm/s 和1.67×10-6cm/s。

表2 現(xiàn)場滲透試驗及原狀樣室內(nèi)滲透試驗成果10-6cm/s

槽子地料場1、2采區(qū)土料屬風化軟巖料,室內(nèi)滲透系數(shù)較現(xiàn)場滲透系數(shù)小。從心墻防滲、孔隙水壓力消散等因素考慮,防滲體的滲透系數(shù)并不是越小越好,心墻防滲料只要做好下游反濾保護,滲透系數(shù)小于10-5cm/s就可滿足防滲要求[8]。由于槽子地料場土料經(jīng)碾壓后室內(nèi)和現(xiàn)場滲透系數(shù)均小于5×10-6cm/s,因而是較好的防滲材料。水庫蓄水后,壩后滲漏量變化穩(wěn)定、合理,不同庫水位下實測滲流量均小于設(shè)計值,表明泥巖風化料在龍虎水庫大壩防滲心墻填筑中的應用是成功的。

5 泥巖風化料填筑施工主要控制措施

a.上壩施工碾壓鋪土厚度30～35 cm,施工中應防止鋪土過厚導致碾壓層下部不能壓實,振動碾碾壓遍數(shù)為8～10遍可滿足設(shè)計要求。為避免施工過程中產(chǎn)生漏壓現(xiàn)象,以碾壓10遍為宜。

b.大壩施工碾壓時為使上下層面結(jié)合緊密,在上一層碾壓完成時,應在刨松面灑水至壓實層相應的含水率方可進行下一層鋪土。

c.由于料場土料含粗粒較多,上壩卸料時要防止因粗粒集中造成局部滲透系數(shù)增大,并注意立采混合均勻方可上壩進行填筑。

6 結(jié) 論

a.龍虎水庫泥巖風化料級配連續(xù),可滿足心墻防滲料的要求。粗粒風化程度高,疏松易碎,擊后破碎率大于30％,壓實性滿足設(shè)計要求。

b.通過標準功能下各碾壓料的現(xiàn)場擊實試驗,得出槽子地料場1采區(qū)和2采區(qū)的最大干密度分別為1.46 g/cm3和1.54 g/cm3,相應的最優(yōu)含水率分別為29.5％和25.5％,碾壓過程中無涌土、剪切破壞現(xiàn)象。

c.料場天然含水率高于且接近最優(yōu)含水率,施工時不用調(diào)整土料含水率可直接上壩,但要注意立采混合均勻方可上壩進行填筑。

d.通過不同碾壓參數(shù)的選擇性碾壓試驗可知,料場土料壓實性較好,鋪土厚度為35 cm時,1采區(qū)碾壓8遍后干密度可達1.46 g/cm3,2采區(qū)碾壓10遍后可達1.54 g/cm3,建議施工碾壓鋪土厚度為30～35 cm。

e.料場復核場的現(xiàn)場滲透試驗及原狀樣室內(nèi)滲透試驗成果表明,土料滲透系數(shù)小于5×10-6cm/s,屬中低壓縮性土,各項指標均可滿足心墻防滲料要求。

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[4]白永年.中國堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

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[6]DL/T 5129—2001 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].

[7]GB/T 50123—1999 土工試驗方法標準[S].

[8]趙仕杰.南洋河水庫黏土心墻風化料壩設(shè)計與施工[J].水利水電技術(shù),2007,38(12):35-38.(ZHAO Shijie. Design and construction control of weathered material-filled dam with clay core for Nanyang Reservoir[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2007,38(12): 35-38.(in Chinese))

·簡訊·

中國水文學術(shù)討論會在河海大學隆重舉行

2012年12月10日和11日,中國水文學術(shù)討論會在河海大學隆重舉行。會議由水利部水文局、國際水文計劃(IHP)中國國家委員會、國際水文科學協(xié)會(IAHS)中國國家委員會和中國水利學會水文專業(yè)委員會共同舉辦,河海大學承辦,南京水利科學研究院、長江水利委員會水文局和江蘇省水利學會協(xié)辦,水利部水資源司、國科司、水文局相關(guān)負責人,全國水文系統(tǒng)、科研單位、高等院校的專家學者參加了討論會。

本次會議主題為“中國水文科技新發(fā)展”,主要議題涉及水文基礎(chǔ)理論研究及應用、水文水資源監(jiān)測、防汛抗旱水文測報、水資源分析評價與系統(tǒng)開發(fā)研究和水環(huán)境水生態(tài)分析評價與質(zhì)量管理等。中國科學院院士劉昌明、工程院院士王浩以及河海大學水文水資源學院余鐘波教授等分別作了專題報告。會議共收到學術(shù)交流論文260篇,大會組織方將遴選出的部分優(yōu)秀論文分專題由河海大學出版社結(jié)集出版。

(本刊編輯部供稿)

Application of mudstone weathered material in the filling of impervious core wall for Longhu Reservoir Dam

//LU Xiaopeng(Yunnan Research Institute of Water Resources and Hydropower,Kuiming650228,China)

In order to provide a scientifis basis for construction of the Longhu Dam,filed compaction tests were carried out to study the compactibility of the local mudstone weathered material used in the filling of the impervious core wall.Tests results show that,the parent rock of the material is mainly soft rock and its gravel breakup rate is larger than 30％during the roller compaction process,so the compactibility of the mudstone weathered material can meet the design requirements of the impervious core wall;the permeability of the impervious core wall can be satisfied by implementing the construction according to parameters obtained from field compaction tests;the natural water content of the material is slightly higher than the optimal moisture content,hence,the material can be directly used in the dam filling after homogeneous mixing,without adjustment of water content of the material;the permeability coefficient of the material is lower than 5×10-6cm/s,and the safety factor of seepage stability of the impervious core wall is relatively high.Hence,it is verified by filed compaction tests that the application of mudstone weathered material in the filling of an impervious core wall for Longhu Dam is successful.

mudstone weathered material;impervious central core;compactibility;permeability;Longhu Reservoir Dam

10.3880/j.issn.10067647.2013.01.011

TU447

B

10067647(2013)01004904

2012-04-10 編輯:駱超)

水利部公益性行業(yè)專項(201001058)

盧曉鵬(1966—),男,云南昆明人,高級工程師,碩士,主要從事水利水電勘測設(shè)計研究。E-mail:hygslxp@163.com