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某水庫(kù)工程膨脹土壩的性狀調(diào)查及加壩方案研究

2020-09-25 06:50:36梁為邦李少飛
水利技術(shù)監(jiān)督 2020年5期
關(guān)鍵詞:斜墻土料膨脹率

梁為邦,張 鈞,李少飛

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021)

大壩防滲土料的理想性質(zhì)宜具有工程所要求的防滲性、容重、抗剪強(qiáng)度,適應(yīng)壩體變形的塑性,較低的壓縮性,抗御滲透變形破壞的能力,不存在影響壩體穩(wěn)定的膨脹性或收縮性,材料的施工性良好,不含水溶性材料和有機(jī)物等。20世紀(jì)50、60年代,中小型水利工程在修建土石壩時(shí)曾用過膨脹土作為防滲土料,國(guó)內(nèi)對(duì)膨脹土能否筑壩以及如何筑壩的問題沒有明文規(guī)定,甚至有些文獻(xiàn)資料對(duì)膨脹土筑壩持否定態(tài)度,許多關(guān)于土石壩的專著及規(guī)范建議避免使用膨脹土作防滲土料。DL/T 5388—2007《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》規(guī)定:膨脹土作為土石壩防滲體時(shí),質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)應(yīng)按工程要求作專門論證[1]。SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》規(guī)定:當(dāng)采用特殊土作為填筑土料和防滲土料時(shí),應(yīng)進(jìn)行專門論證[2]。SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:膨脹土不宜作為壩的防滲體填筑料,必須采用時(shí),應(yīng)根據(jù)其特性采取相應(yīng)的措施[3]。

云南省某水庫(kù)工程設(shè)計(jì)壩型為防滲心墻風(fēng)化料分區(qū)壩,建設(shè)于20世紀(jì)80年代末,采用樞紐區(qū)附近土料作為防滲心墻土料,工程前期勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)過程中只進(jìn)行了土料的一些常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),未進(jìn)行土的自由膨脹率、分散性等指標(biāo)試驗(yàn),工程建成后大壩運(yùn)行尚算正常。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,需在原壩體上擴(kuò)建加高大壩,對(duì)壩體填筑質(zhì)量進(jìn)行勘探檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)原壩體心墻土料具有膨脹性。為此,需對(duì)膨脹土填筑壩體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),并研究論證在膨脹土壩體上能否加高壩體,采用何種壩型何種材料加高壩體。

1 工程概況

某水庫(kù)位于云南省玉溪市華寧縣盤溪鎮(zhèn)的珠江流域南盤江右岸支流矣則河上,是一座以農(nóng)田灌溉為主,兼顧人畜飲水,同時(shí)對(duì)下游村鎮(zhèn)和農(nóng)田具有防洪保護(hù)作用的小型水利工程,是盤溪大型灌區(qū)的水源地之一。水庫(kù)大壩于1988年開工,1992年建成,壩高58.4m,庫(kù)容為751×104m3,壩型為黏土心墻風(fēng)化料分區(qū)壩,工程規(guī)模為小(1)型水庫(kù),水庫(kù)樞紐主要建筑物為攔河壩、輸水隧洞、溢洪道。

工程區(qū)地處云南東南地區(qū)南盤江河谷,屬南亞熱帶低緯度高原季風(fēng)氣候,高山低谷地貌復(fù)雜,立體氣候明顯。年平均日照時(shí)數(shù)為2488h,年均氣溫為20.3℃,年降雨量為850~950mm。

1988年水庫(kù)開工建設(shè),筑壩防滲土料采用位于壩軸線上游庫(kù)區(qū)右岸山坡上的土料場(chǎng),地表為第四系(Qeld)殘坡積黏土層,厚1.2~1.5m,下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)翠云峰組(D1c)粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉細(xì)砂巖。防滲土料主要采用殘坡積黏土層及少量全風(fēng)化細(xì)砂巖、泥頁(yè)巖、粉砂巖,至壩址區(qū)運(yùn)距約為1.0 km。壩體防滲心墻施工共填筑194層,干密度取樣檢測(cè)1106組,干密度范圍值為1.76~1.94 g/cm3,均值為 1.82 g/cm3,合格率為 99.5 %,符合關(guān)于防滲土料干密度合格率不應(yīng)小于 90% 的要求[4]?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得滲透系數(shù)K范圍值為3.9×10-6~2.9×10-5cm/s,均值 為1.3×10-5cm/s,基本符合防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)定。

工程建成后大壩運(yùn)行尚算正常,由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,需在原壩體上擴(kuò)建加壩,2013年進(jìn)行擴(kuò)建工程勘察設(shè)計(jì)工作,擬采用從原壩體下游面培厚加高的方法,加高壩體采用防滲斜墻與原壩心墻防滲體連接,擴(kuò)建后壩頂高程為1 296.50m,最大壩高為69.5m,壩長(zhǎng)330.0m,壩頂寬6.0m,正常蓄水位為1 292.00m,庫(kù)容為1 070×104m3。

2 防滲心墻及土料場(chǎng)勘探情況

進(jìn)行擴(kuò)建加高工程勘察時(shí),對(duì)原壩體進(jìn)行勘探、試驗(yàn),了解壩體的質(zhì)量和安全狀況,作為擴(kuò)建加高設(shè)計(jì)的依據(jù)。沿壩軸線在心墻防滲體上布置了4個(gè)鉆孔進(jìn)行勘探,取原狀土樣22組進(jìn)行試驗(yàn);擬采用原筑壩防滲土料場(chǎng)土料作為擴(kuò)建加高大壩防滲斜墻土料,為此布置探坑進(jìn)行勘探,探坑揭示土層為黃色黏土夾灰白、灰綠等雜色黏土,野外簡(jiǎn)易鑒別其黏粒含量較高,取土樣11組進(jìn)行試驗(yàn)。

防滲心墻原狀土樣取22 組,進(jìn)行自由膨脹率δef試驗(yàn),δef范圍值 為31%~52 %,其中δef>40%的有11組,占試樣總數(shù)的50%,屬于膨脹土,具弱膨脹潛勢(shì)。原筑壩防滲土料場(chǎng)土樣 11 組,自由膨脹率范圍值 為31%~70 %,其中δef>40 %的有 8 組,占試樣總數(shù)的72%,屬于膨脹土,具弱-中膨脹潛勢(shì)。土料場(chǎng)土樣采用平衡法(以外力平衡內(nèi)力)測(cè)得擊實(shí)膨脹土的膨脹力為46.5~73.3kPa,表明土樣的工程地質(zhì)分類為弱膨脹土-中等膨脹土。

南水北調(diào)中線工程采取1/3臨界值方法對(duì)非均質(zhì)巖土膨脹等級(jí)進(jìn)行確定,即在工程區(qū)內(nèi)只要檢測(cè)土樣的自由膨脹率δef有1/3超過40%,就可確定該工程區(qū)為膨脹巖土地區(qū)。依據(jù)防滲土體與原筑壩防滲土料場(chǎng)土樣自由膨脹率δef超過40%的占比分別為50%、72%,可以判別本工程大壩心墻防滲體采用了膨脹土與非膨脹土進(jìn)行混合土料填筑。

由于膨脹土遇水膨脹、失水收縮,膨脹后強(qiáng)度顯著降低,收縮后可能產(chǎn)生大量裂縫,因而可能致使壩體遭到損害,膨脹土作為防滲土料時(shí),應(yīng)進(jìn)行專門論證,應(yīng)根據(jù)其特性采取相應(yīng)措施,為此須對(duì)膨脹土的性質(zhì)進(jìn)行研究。

3 膨脹土特性

膨脹土是一種含有大量親水性礦物,濕度變化時(shí)有較大體積變化,受約束時(shí)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力的黏性土。其主要特征是:粒度組成中膠粒(粒徑小于0.002mm)含量大于30%;黏土礦物成分中,伊利石、蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物占主導(dǎo)地位;土體濕度增大時(shí),體積膨脹并形成膨脹壓力;土體干燥時(shí),體積收縮并形成收縮裂縫;膨脹、收縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生,導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減;屬液限大于40%的高塑性土[5]。我國(guó)的膨脹土的黏土礦物成分,主要是伊利石,蒙脫石居其次,也有些地區(qū)蒙脫石含量較多。

膨脹土的形成原因:在適宜的氣候環(huán)境下,硅酸鹽為主的礦物不斷分解,鈣大量流失,鉀離子被次生礦物吸收形成伊利石或伊利石-蒙脫石混層礦物為主的黏土礦物。膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)屬于面-面疊聚體,其雙團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹和失水收縮的能力,膨脹土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和體積變形主要決定于黏土基質(zhì)的成分含量和排列[6]。

控制膨脹土脹縮勢(shì)能大小的物質(zhì)成分主要是土中蒙脫石含量、離子交換量以及小于0.002mm的膠粒含量,這些物質(zhì)成分本身具有較強(qiáng)的親水特性,是膨脹土具有較大膨縮變形的物質(zhì)基礎(chǔ)[7]。加水浸濕是土體膨脹的最大原因,土體膨脹降低了其密度,以致削弱了抗剪強(qiáng)度。膨脹土由于含有膨脹性的黏土礦物,特別容易吸水,含水量改變得特別大,所以強(qiáng)度也變化得特別大,當(dāng)土經(jīng)過浸濕、風(fēng)干、再浸濕后,土的凝聚力顯著降低[8]。膨脹土的脹縮性強(qiáng)弱除與礦物的親水性有關(guān)外,還與密實(shí)度、含水率及外在約束有關(guān)。比如,高密實(shí)度、低含水率的膨脹土的膨脹性就強(qiáng),反之就弱;外在的約束條件對(duì)膨脹量有明顯的影響,稍加約束力,膨脹量就可以減少很多。膨脹土在約束條件下浸水,其抗剪強(qiáng)度無(wú)明顯降低。

膨脹土浸水后體積膨脹,發(fā)生崩解,強(qiáng)膨脹土浸水后幾分鐘即完全崩解;弱膨脹土則崩解緩慢且不完全。膨脹土對(duì)氣候因素很敏感,極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞。開挖后,在風(fēng)化作用下,土體很快產(chǎn)生破裂、剝落,從而造成土體結(jié)構(gòu)破壞,強(qiáng)度降低。膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度,經(jīng)過多次濕脹干縮循環(huán)后,黏聚力和內(nèi)摩擦角均有大幅降低。

云南省東南地區(qū)膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

由表1發(fā)現(xiàn),滇東南地區(qū)膨脹土塑性指數(shù)高(>25),膠粒含量高(>40%),自由膨脹率較高(50%~80%),膨脹力較高(40~100 kPa)。

表1 云南省東南地區(qū)膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 膨脹土判別

膨脹土的判別,目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。國(guó)內(nèi)不同單位或標(biāo)準(zhǔn)采用的指標(biāo)主要有自由膨脹率、蒙脫石或伊利石含量、黏粒含量、膨脹力等,國(guó)外也有采用液限、塑限、縮性指標(biāo)及縮率作為判別指標(biāo),綜合判斷土的膨脹性,從而進(jìn)行膨脹土分類。其中自由膨脹率是一個(gè)廣泛采用的評(píng)價(jià)指標(biāo),但在確定土的膨脹性及進(jìn)行工程地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)結(jié)合土的宏觀特征、膨脹力及其他物理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判。

4.1 物理指標(biāo)判別

工程上常把自由膨脹率(δef)>40%、液限(WL)>40%、縮限(Ws)<12%的土間接判定為膨脹土。除上述指標(biāo)外,也有文獻(xiàn)列出了以下指標(biāo)作為膨脹土的特征:黏粒含量>35%、膠粒含量>25%,塑性指數(shù)(IP)>15,液性指數(shù)(IL)一般小于0.25,在天然條件下一般處于硬塑或堅(jiān)硬狀態(tài)[9]。按照這些物理指標(biāo)對(duì)防滲心墻土樣與防滲土料場(chǎng)土樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判別膨脹土,見表2。

由表2發(fā)現(xiàn),按自由膨脹率δef>40%劃分為膨脹土的試樣,液限、黏粒含量、膠粒含量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等指標(biāo)(均值)均符合膨脹土的特征;自由膨脹率δef≤40%劃分為非膨脹土的試樣,液限、黏粒含量、膠粒含量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等指標(biāo)(均值)有多項(xiàng)不符合膨脹土的特征。

表2 防滲心墻土樣與防滲土料土樣指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4.2 礦物成分判別

自由膨脹率是一個(gè)很有用的指標(biāo),但不能作為唯一依據(jù),否則易造成誤判。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所將鈉蒙脫石含量為5%~6%,鈣蒙脫石含量為11%~14%作為判定標(biāo)準(zhǔn)。鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院以蒙脫石含量8%,或伊利石含量20%作為標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)經(jīng)自由膨脹率劃分膨脹土(δef>40%)、非膨脹土(δef≤40%)的試樣進(jìn)行礦物組成成分試驗(yàn),試驗(yàn)表明:膨脹土的礦物組成成分主要為石英(65%~85%),其次為伊利石(10%~20%),其余為鉀長(zhǎng)石及其他雜質(zhì)(5%~15%),膨脹土的伊利石含量較高。非膨脹土的礦物組成成分主要為石英(75%~90%),其次為伊利石(5%~15%),其余為鉀長(zhǎng)石及其他雜質(zhì)(5%~10%),非膨脹土的伊利石含量較低。

4.3 相關(guān)指標(biāo)的判別

GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》規(guī)定:具有膨脹土工程特征的地區(qū),自由膨脹率一般大于40%,可初判為膨脹土[10]。我國(guó)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》也做了類似規(guī)定。值得注意的是,經(jīng)驗(yàn)證明,許多膨脹土的自由膨脹率常小于40%,應(yīng)采用綜合指標(biāo)判別?!对颇鲜∨蛎浲僚袆e標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定:黏土自由膨脹率大于40%應(yīng)判別為膨脹土;粉質(zhì)黏土、紅黏土自由膨脹率大于35%應(yīng)判為膨脹土。

國(guó)內(nèi)外也有一些研究者認(rèn)為,當(dāng)采用膨脹性指標(biāo)、壓實(shí)指標(biāo)、活動(dòng)性指數(shù)KA、吸水指標(biāo)KW、線膨脹率δep、縮限Ws、縮性指數(shù)Is、線收縮、體膨脹率(或體縮)、自由膨脹率等,這些指標(biāo)進(jìn)行判別時(shí),只要某一項(xiàng)達(dá)到或超過判別標(biāo)準(zhǔn)臨界值時(shí),即可判為膨脹土。采用這些相關(guān)指標(biāo)對(duì)土料場(chǎng)土樣進(jìn)行判別情況見表3,采用活動(dòng)性指數(shù)、吸水指標(biāo)對(duì)防滲體土樣及防滲土料場(chǎng)土樣進(jìn)行判別情況見表4。

表3 土料場(chǎng)綜合指標(biāo)判別膨脹土

表4 采用活動(dòng)性指數(shù)、吸水指標(biāo)判別膨脹土

采用自由膨脹率這單一指標(biāo)判別為膨脹土的試樣,在采用綜合指標(biāo)判別時(shí),無(wú)論選用國(guó)外或是國(guó)內(nèi)的臨界值,判別結(jié)果均為膨脹土。采用活動(dòng)性指數(shù)、吸水指標(biāo)進(jìn)行膨脹土判別,按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn):幾乎所有土樣均可判為膨脹土;按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn):與采用自由膨脹率(單一指標(biāo))是否大于40%所判定的膨脹土結(jié)果相同。

4.4 判別結(jié)論

經(jīng)過采用工程地質(zhì)界常用的物理指標(biāo)、礦物組成成分分析及一些相關(guān)指標(biāo)的綜合判別,與采用自由膨脹率單一指標(biāo)的判別結(jié)果基本一致。綜合判別結(jié)論為:本工程建設(shè)時(shí)大壩心墻防滲體采用了膨脹土與非膨脹土進(jìn)行混合土料填筑,原填筑防滲體所使用的防滲土料由膨脹土與非膨脹土構(gòu)成。

5 膨脹土筑壩情況調(diào)查

水利工程土石壩工程具有不同于其他工程的不利條件,壩體經(jīng)常受水浸泡,只有自重壓力而無(wú)附加壓力,壩體為重塑土,其工程性質(zhì)較天然土差。膨脹土作為壩料,除失水會(huì)形成堅(jiān)硬土塊,開挖和施工均不方便外,對(duì)筑壩的影響主要表現(xiàn)在遇水膨脹,強(qiáng)度降低,失水產(chǎn)生裂隙,因此它不是理想的防滲土料。膨脹土對(duì)壩體損害以及損害的方式和程度,通過對(duì)已建成水庫(kù)工程的調(diào)查研究來確定,是最直接可靠的方法。

云南采用膨脹土或混合土(膨脹土與非膨脹土混合使用)筑壩的工程較少,僅賓川大銀甸水庫(kù)、曲靖花山水庫(kù)、蒙自長(zhǎng)橋海水庫(kù)。賓川大銀甸水庫(kù)采用混合土(湖積相膨脹土中摻入碎石)填筑心墻,并設(shè)置“穿靴戴帽”(心墻底部與頂板使用非膨脹土)的措施,工程已運(yùn)行30多年,心墻無(wú)病害。曲靖花山水庫(kù)改擴(kuò)建時(shí)采用殘坡積膨脹土或混合土填筑均質(zhì)土壩,塊石護(hù)坡,工程已運(yùn)行25年,壩體無(wú)病害。

5.1 膨脹土壩

1980年,柯尊敬等人在廣西、湖北、河南、河北、山東、安徽、云南、貴州、四川等膨脹土代表性地區(qū)進(jìn)行了20座膨脹土壩調(diào)查[11]。按壩型劃分:均質(zhì)壩15座、心墻壩4座、斜墻壩1座。按壩高劃分:低壩15座、中壩5座(最大壩高為67m的1座,其余壩高為30~43m)。按填筑的壩料劃分:使用強(qiáng)膨脹土的5座、中等膨脹土的10座、弱膨脹土的5座。運(yùn)行情況基本正常的有15座;出現(xiàn)局部淺層滑坡情況的有5座,都是均質(zhì)壩。5座水庫(kù)的均質(zhì)壩出現(xiàn)淺層滑坡的原因主要是:①壩體有的未設(shè)護(hù)坡或護(hù)坡不善,表層出現(xiàn)干縮裂縫;②壩體有的排水溝堵塞、漏水,雨季時(shí)雨水迅速集中進(jìn)入壩體,壩體強(qiáng)度急劇降低?;陆?jīng)處理后,不再繼續(xù)滑動(dòng),運(yùn)行正常。

5.2 混合土壩

柯尊敬等人還調(diào)查了膨脹土與非膨脹土摻配填筑的混合土壩,具有代表性的4座壩都為均質(zhì)壩,壩高為11.5~19.0m,膨脹土有強(qiáng)、中、弱各種等級(jí),混合方式有層鋪法和混合法2種,混合比例為30%~50%,運(yùn)行情況正常的有2座,出現(xiàn)局部淺層滑坡情況的有2座。淺層滑坡的形成原因與膨脹土壩的相類似,主要是設(shè)計(jì)施工質(zhì)量差、使用管理不善。

劉麟德等[12]對(duì)四川膨脹土筑壩進(jìn)行了研究,調(diào)研了位于西充縣境內(nèi)的升中水庫(kù),壩型為黏土心墻石渣壩,壩高為79m。壩區(qū)土料場(chǎng)經(jīng)檢驗(yàn)有部分屬膨脹土,筑壩時(shí)將膨脹土與非膨脹土摻和后使用,用重型羊足碾壓實(shí)。土工試驗(yàn)表明,膨脹土與非膨脹土摻和壓實(shí)后,抗剪強(qiáng)度及抗?jié)B強(qiáng)度均有所提高,自由膨脹率由49.1%降至30.0%。水庫(kù)于1982年建成蓄水后,運(yùn)行到現(xiàn)在情況良好。

5.3 調(diào)查結(jié)論

①所調(diào)查的膨脹土壩,未出現(xiàn)整體穩(wěn)定問題,也未出現(xiàn)因膨脹土發(fā)生漏水、管涌現(xiàn)象,用膨脹土筑壩是可能的。②無(wú)論是均質(zhì)壩還是心墻或斜墻防滲土料,都可以用膨脹土,也可以用膨脹土與非膨脹土混合使用。③膨脹土壩可用包蓋式,即在壩體表面包蓋一定厚度的非膨脹土,據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn),厚度一般不小于2m為宜,膨脹土等級(jí)愈強(qiáng),包蓋厚度應(yīng)愈大。

6 壩體現(xiàn)狀及質(zhì)量情況

本工程大壩為黏土心墻風(fēng)化料壩,壩高58.4m,壩長(zhǎng)211.5m,壩頂寬6m,壩頂高程為1285.40m。心墻頂寬4.6m,頂高程為1283.00m,上、下游坡比均為1∶0.2。心墻上游側(cè)用粗細(xì)粒風(fēng)化料回填,下游側(cè)設(shè)水平寬2.0m的過渡料。大壩上游壩坡坡比為1∶2.25,1∶2.5,1∶3.0,下游壩坡坡比為1∶1.75,1∶2.0,1∶2.25。

水庫(kù)大壩由2種料源組成,心墻土料為壩址上游右岸殘坡積層、風(fēng)化料為壩址下游左岸砂泥巖風(fēng)化層??辈祀A段心墻位置布置4個(gè)鉆孔,后壩坡(壩殼)布置3個(gè)鉆孔,進(jìn)行了注水、標(biāo)貫、取樣等工作。

6.1 防滲心墻土體

水庫(kù)運(yùn)行20多年,現(xiàn)場(chǎng)巡查未見壩體滲水及變形、塌陷、開裂等,通過查閱施工時(shí)的質(zhì)量控制檢測(cè)原始記錄,壩體心墻土體壓實(shí)度、滲透系數(shù)等質(zhì)量指標(biāo)均合格,壩體心墻總體不存在影響水庫(kù)正常運(yùn)行的問題。

心墻土體標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)N值(修正值)為10.5~32.0,均值為18.1,小值均值為14.6,土體處于硬可塑—硬塑狀態(tài),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu范圍值為135~448kPa,小值均值qu=194kPa;按工程經(jīng)驗(yàn)確定的抗剪強(qiáng)度小值均值內(nèi)摩擦角Φ=23.7°,凝聚力C=59kPa。按Terzaghi獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算公式確定地基承載力fk=219kPa;查表確定地基承載力fk=224kPa;利用抗剪強(qiáng)度、Φ、C值,確定地基承載力[13]fk=234kPa;按土的含水比、孔隙比確定地基承載力fk=250kPa,以上成果表明,心墻土體強(qiáng)度較高。

壩體心墻壩頂以下0~5m,注水試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)為4.41×10-5~5.57×10-3cm/s,不滿足防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)范要求,說明壩體心墻頂部0~5m防滲性能差;心墻壩頂以下5~51m,滲透系數(shù)為1.61×10-6~3.39×10-5cm/s,均值為7.86×10-6cm/s,大值均值為1.63×10-5cm/s,基本滿足防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)范要求,說明心墻深部防滲性能較好。

6.2 風(fēng)化料壩體

水庫(kù)運(yùn)行20多年,現(xiàn)場(chǎng)巡查未見壩體變形、開裂、滑動(dòng)、塌陷等,通過查閱施工時(shí)的質(zhì)量控制檢測(cè)原始記錄,風(fēng)化料壩體壓實(shí)度、滲透系數(shù)等質(zhì)量指標(biāo)均合格,風(fēng)化料壩體總體不存在影響水庫(kù)正常運(yùn)行的問題。

風(fēng)化料采用壩下游左岸D1c粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉細(xì)砂巖,運(yùn)距為0.3km。施工共填筑117層,干密度檢測(cè)351組,干密度為1.93~2.15 g/cm3,均值為 2.07 g/cm3;孔隙率為20.9%~29.0%,均值為23.9%,風(fēng)化料壩殼用料雖然干密度變化較大,但施工中嚴(yán)格控制了孔隙率,大壩碾壓較密實(shí),施工碾壓總體質(zhì)量較好。

風(fēng)化料(鉆孔注水試驗(yàn))滲透系數(shù)為6.0×10-3~4.2×10-2cm/s,均值為1.4×10-2cm/s,小值均值為7.0×10-3cm/s,屬中等-強(qiáng)透水,滿足壩殼填筑料滲透系數(shù)>1×10-3cm/s,或大于防滲體的50倍的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求。風(fēng)化料允許水力坡降為0.30~0.40,在原壩體正常蓄水位條件下,最大實(shí)際水力坡降約為0.29,不會(huì)產(chǎn)生滲流穩(wěn)定破壞。經(jīng)過大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析,大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求。

6.3 大壩質(zhì)量評(píng)價(jià)

從國(guó)內(nèi)膨脹土壩調(diào)查情況看,膨脹土壩未出現(xiàn)過整體穩(wěn)定問題,只要控制好施工質(zhì)量,利用膨脹土筑壩是可行的。本工程采用了膨脹土與非膨脹土混合填筑防滲土體,從現(xiàn)場(chǎng)巡查未見壩體滲水及變形,原施工質(zhì)量記錄及現(xiàn)場(chǎng)勘探原位試驗(yàn)等成果表明:壩體心墻土體填筑質(zhì)量較好,土體壓實(shí)度、滲透系數(shù)等質(zhì)量指標(biāo)基本合格,壩體心墻總體上不存在影響水庫(kù)正常運(yùn)行的問題。風(fēng)化料壩土碾壓質(zhì)量較好,密實(shí)度較高,壩土經(jīng)過多年運(yùn)行已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定,大壩運(yùn)行20多年未見壩體滲水及塌陷等問題,具備加壩擴(kuò)建條件,可以在原壩體上進(jìn)行大壩擴(kuò)建。

7 加壩方案選擇

7.1 壩體、壩基強(qiáng)度

心墻土體承載力fk>210kPa,抗剪強(qiáng)度Φ=23.7°、C=59kPa;壩體風(fēng)化料抗剪強(qiáng)度Φ=30°~32°、C=30~40kPa。心墻土體及風(fēng)化料壩體施工質(zhì)量較好,強(qiáng)度較高,可以在原壩體上進(jìn)行大壩擴(kuò)建。

壩基為D1c粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉細(xì)砂巖,呈強(qiáng)風(fēng)化,承載力fk=300~800kPa,抗剪強(qiáng)度Φ=27°~32°、C=50~100kPa。承載力及抗剪強(qiáng)度能滿足擴(kuò)建加高大壩壩基變形穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定要求,可以作為擴(kuò)建加壩的壩基。

7.2 壩體培厚型式選擇

根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)條件及壩址區(qū)周邊天然建筑材料情況,壩體加高應(yīng)充分利用原老壩體,采用培厚加高型式。水庫(kù)壩前淤積較厚,難以清除;如果進(jìn)行地基處理,則施工較為困難且施工經(jīng)費(fèi)較高,并且從上游面加高需要放空水庫(kù),影響水庫(kù)正常運(yùn)行,故不適合采用上游壩坡培厚型式。采用后壩坡培厚方案,可以充分利用現(xiàn)大壩防滲心墻土體及風(fēng)化料壩體,且擴(kuò)建壩基地質(zhì)條件較好,施工方便,故選擇采取后壩坡培厚型式。

7.3 壩型方案比選

根據(jù)現(xiàn)狀大壩情況,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、地形條件和壩址附近天然建筑材料勘探試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行2種加高培厚壩型方案比較:方案1為黏土斜墻風(fēng)化料壩;方案2為面板堆石壩(在原壩體上設(shè)置混凝土面板與原壩體心墻結(jié)合),2種加高培厚方案經(jīng)抗滑穩(wěn)定計(jì)算均滿足壩體穩(wěn)定要求。壩型選擇主要涉及地震因素、大壩結(jié)構(gòu)、施工條件、工程投資等方面。

①水庫(kù)地處Ⅷ度地震區(qū),壩址距離區(qū)域小江活動(dòng)斷裂直線距離小于5km,地震時(shí)混凝土面板堆石壩的風(fēng)險(xiǎn)要大一些;②現(xiàn)狀壩體為黏土心墻風(fēng)化料壩,培厚加高采用堆石壩體,新加壩體材料在填筑后與現(xiàn)狀壩體存在變形不一致的問題;③現(xiàn)狀壩體心墻頂黏土作為趾板基礎(chǔ),與趾板混凝土底面接觸滲透穩(wěn)定存在安全隱患,趾板存在不均勻沉降變形的風(fēng)險(xiǎn);④兩岸壩基為強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖體,不宜直接作為混凝土趾板基礎(chǔ),須進(jìn)行地基處理?;谝陨锨闆r分析,最終壩型選擇為黏土斜墻風(fēng)化料分區(qū)壩。

8 斜墻土料選擇

壩址區(qū)周邊5km范圍內(nèi)只有膨脹土防滲土料分布,距離壩址運(yùn)距約10km,有非膨脹土料分布。SL 274—2001規(guī)定:采用膨脹土筑壩時(shí),應(yīng)根據(jù)膨脹土特點(diǎn),常選擇帶心墻的壩型,表層加蓋重或換成非膨脹土,以及降低填筑密度、填筑含水率控制在最優(yōu)含水率濕側(cè)等。膨脹土筑壩推薦采用的壩型是防滲心墻壩,未推薦防滲斜墻壩型。

8.1 膨脹土斜墻壩型調(diào)查

國(guó)內(nèi)膨脹土筑壩采用斜墻壩型的工程較少,位于湖北竹山的明欽水庫(kù),壩型為斜墻壩,最大壩高為29.7m,防滲土料使用中等膨脹土。膨脹土擊實(shí)試驗(yàn):最優(yōu)含水率為25.5%、最大干密度為1.60 g/cm3。滲透系數(shù)為8.9×10-9cm/s,壓縮系數(shù)a0.1~0.2為0.170 MPa-1,崩解速度為0.18%/min、最終崩解量為67.7%。膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表5,在不同壓力下膨脹穩(wěn)定后的快剪強(qiáng)度指標(biāo)見表6。

表5顯示,土樣經(jīng)過三向膨脹后,C、Φ值顯著下降,強(qiáng)度變得很差。表6顯示,隨著外力的增加,膨脹土強(qiáng)度提高,當(dāng)壓力超過200kPa以后,強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度變緩。明欽水庫(kù)壩坡設(shè)計(jì):內(nèi)坡坡比為1∶2.0,外坡坡比為1∶2.0,內(nèi)坡采用片石護(hù)坡,外坡采用植草護(hù)坡,1965年建成使用,運(yùn)行正常。明欽水庫(kù)成功經(jīng)驗(yàn)說明:只要工程措施得當(dāng),表層(采用片石護(hù)坡)加蓋重,使用膨脹土填筑防滲斜墻壩的方案是可行的。

表5 明欽水庫(kù)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表6 明欽水庫(kù)膨脹土不同壓力下膨脹穩(wěn)定后(快剪)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

8.2 膨脹土斜墻的蓋層厚度研究

膨脹土填筑的均質(zhì)壩或斜墻壩,壩坡可視為膨脹土邊坡,土體含水量的變化將引起膨脹土吸水膨脹軟化,失水收縮,造成土體裂隙發(fā)育,多呈碎塊狀,結(jié)構(gòu)連結(jié)大部分喪失,土體抗剪強(qiáng)度隨著時(shí)間下降,從而導(dǎo)致邊坡發(fā)生開裂變形、失穩(wěn)滑動(dòng)。國(guó)內(nèi)有高速公路路堤采用膨脹土填筑的工程實(shí)例,路堤建成后出現(xiàn)了沉陷變形、開裂擴(kuò)張、滑坡、溜塌等病害。

如果采用膨脹土作為填筑斜墻土料,須對(duì)膨脹土斜墻進(jìn)行蓋重或外包非膨脹土處理,盡量減少膨脹土內(nèi)部的含水率變化。①蓋重方式:根據(jù)有荷膨脹力、膨脹率的測(cè)試情況,在膨脹土上部設(shè)置蓋重層,使其在荷載作用下,不產(chǎn)生膨脹變形破壞,根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn),蓋重厚度一般不小于2m為宜,膨脹土等級(jí)愈強(qiáng),包蓋厚度應(yīng)愈大。②外包非膨脹土方式:根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃?,確定外包厚度,國(guó)內(nèi)有外包2.0~2.5m厚的工程實(shí)例。

本工程區(qū)地處低緯度亞熱帶南盤江河谷地區(qū),年降雨量為850~950mm,按GB 50112—2013計(jì)算得到[14]:工程區(qū)膨脹土的濕度影響系數(shù)Ψw為0.56,查表確定大氣影響深度>5m,大氣影響急劇層深度>2.25m。按DBJ 53/T—83—2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》查表得到[15]:工程區(qū)膨脹土大氣影響深度5.0m,大氣影響急劇層深度2.4m。

勘探心墻壩頂以下0~5m鉆孔注水試驗(yàn)所獲的滲透系數(shù)較大,標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)土體強(qiáng)度較低的情況也證實(shí)了膨脹土大氣影響深度在5m以上。心墻壩頂以下0~5m注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為4.4×10-5~5.6×10-3cm/s,大值均值為1.9×10-3cm/s,說明膨脹土大氣影響帶內(nèi)土體透水性中等,不滿足防滲要求;心墻壩頂以下0~5m土體標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊N為10.5~16.5,小值均值N=11.1,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu=150kPa,承載力fk=130kPa,抗剪強(qiáng)度Φ=18.9°、C=35kPa,說明大氣影響帶內(nèi)膨脹土體力學(xué)強(qiáng)度較低。因此,膨脹土斜墻的蓋重或外包非膨脹土厚度應(yīng)超過大氣影響急劇深度,建議設(shè)置為2.5m。

8.3 填筑斜墻土料的確定

利用膨脹土作為斜墻防滲體土料,國(guó)內(nèi)有工程實(shí)例,只要工程措施得當(dāng),膨脹土就可以加以利用。但使用膨脹土填筑斜墻,須設(shè)置厚度2.5m以上的蓋重或外包非膨脹土,將增加施工工序及工程投資,且膨脹土存在長(zhǎng)期隱藏的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn),對(duì)工程結(jié)構(gòu)具有潛在的破壞作用。

本工程擴(kuò)建加壩所需斜墻防滲土料用量約為2.35×104m3,斜墻土料用量較少,經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、概算等專業(yè)綜合分析,采用運(yùn)距10km的非膨脹土與采用壩址區(qū)附近運(yùn)距1.0km膨脹土作為斜墻防滲土料的投資概算區(qū)別不是很大。為了避免工程建設(shè)、運(yùn)行中潛在的膨脹土危害,最終確定選用運(yùn)距約10km的非膨脹土作為擴(kuò)建加壩斜墻防滲土料。

9 結(jié)語(yǔ)

膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、強(qiáng)度變動(dòng)性,在工程界被認(rèn)為具有隱藏的地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)工程結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的破壞作用,往往存在長(zhǎng)期潛在的危險(xiǎn)。現(xiàn)行工程標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為膨脹土不宜作為壩的防滲體填筑料,必須采用時(shí),應(yīng)進(jìn)行專門論證,根據(jù)其特性采取相應(yīng)的措施。

(1)對(duì)可能有膨脹土的地區(qū),加大勘察工作,選定料場(chǎng)不同土層應(yīng)取土樣,除一般土料要求的試驗(yàn)外,還應(yīng)進(jìn)行化學(xué)成分、礦物成分、自由膨脹率、膨脹力、體縮率、縮限等試驗(yàn),綜合判別土料是否具有膨脹性。

(2)膨脹土作為壩料,除失水會(huì)形成堅(jiān)硬土塊,開挖和施工均不方便外,對(duì)筑壩的影響主要表現(xiàn)在遇水膨脹,強(qiáng)度降低;失水產(chǎn)生裂隙,增大滲透系數(shù),降低允許水力比降,因此膨脹土不是理想的防滲料,工程中對(duì)具有膨脹性的土料盡量不用,采用非膨脹土。

(3)工程區(qū)附近沒有非膨脹土的料源,采用膨脹土作為土石壩防滲心(斜)墻時(shí),質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)應(yīng)做專門研究論證。采用膨脹土筑壩,應(yīng)根據(jù)膨脹土特點(diǎn),采取主要措施:①通過摻碎(礫)石對(duì)膨脹土改性,抑制膨脹性;②表層加蓋重或換成非膨脹土,抑制膨脹性;③控制施工填筑含水率與最優(yōu)含水率基本一致,便于壓實(shí);④控制心(斜)墻運(yùn)行期的含水率變化,抑制膨脹性。

本工程原壩體建設(shè)時(shí)未鑒別心墻防滲土料為膨脹土,擴(kuò)建加壩勘察發(fā)現(xiàn)心墻防滲土體具有膨脹性,為此,對(duì)膨脹土壩進(jìn)行了專門性研究。擴(kuò)建加壩采用斜墻壩型方案,為避免膨脹土長(zhǎng)期潛在的危害性,選用運(yùn)距較遠(yuǎn)的非膨脹土作為斜墻防滲土料。

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