吉音水利樞紐混合壩料填筑應(yīng)用分析

楊樹紅 韓艷紅

(1.新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000；2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

吉音水利樞紐混合壩料填筑應(yīng)用分析

楊樹紅1韓艷紅2

(1.新疆吉音水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 和田 848000；2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

吉音水利樞紐大壩填筑因受地形地質(zhì)條件影響和壩料分布、儲量因素制約，采用混合壩料填筑方案具有安全、經(jīng)濟、合理等特點。本文從吉音水利樞紐大壩壩料分區(qū)、料場規(guī)劃、試驗檢測、控制措施等方面，分析混合壩料填筑應(yīng)用情況，意在為同類工程設(shè)計與施工提供借鑒與參考。

吉音水利樞紐；面板堆石壩；混合壩料；填筑

1 工程概況

吉音水利樞紐位于昆侖山北坡新疆于田縣境內(nèi)的克里雅河干流上，河谷呈不對稱“V”形，現(xiàn)代河床深切，兩岸為50～60m高、60°～80°的裸露基巖陡坎，深切河槽底寬20～40m、頂寬60～100m。河槽左岸頂部發(fā)育有300～500m寬的Ⅲ級階地，地表上層覆蓋有10～25m厚的風(fēng)積粉土，下層覆蓋有7～12.5m厚的第四系上更新統(tǒng)沖積砂礫石層(見圖1)。吉音水利樞紐攔河大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2513.00m，最大壩高124.5m，壩頂長489m，壩體總填筑方量430萬m3，設(shè)計填筑工期16個月[1]。

2 壩料分區(qū)

圖1 壩軸線縱剖面

根據(jù)筑壩材料的分布和儲量情況，結(jié)合經(jīng)濟、安全因素綜合分析，選定吉音水利樞紐的大壩類型為混凝土面板堆石壩。壩體從上游至下游分為墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、堆石料區(qū)三個主體層次，在周邊縫局部設(shè)有特殊墊層料區(qū)，在堆石料區(qū)內(nèi)包填有部分砂礫石料。

2.1 墊層料區(qū)

墊層料區(qū)位于面板下游，水平寬度3m，在岸坡部位向下游酌情延伸，Dmax≤80mm，小于5mm的含量為30%～50%，小于0.075mm的含量不大于8%，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s。碾壓層厚0.4m，孔隙率15%～20%。墊層料由爆破石料經(jīng)二次破碎篩分人工摻配形成。

2.2 特殊墊層料區(qū)

特殊墊層料區(qū)位于面板周邊縫下游，為寬0.5m、高0.5m的梯形小區(qū)，其作用是反濾周邊縫滲漏水流中的上游鋪蓋區(qū)土料，阻塞滲漏通道。Dmax≤20mm，以小型機械人工碾壓，孔隙率15%～20%。特殊墊層料由爆破石料二次破碎篩分人工摻配形成。

2.3 過渡料區(qū)

過渡料區(qū)位于墊層料區(qū)與堆石料區(qū)之間，水平寬度5m，Dmax≤300mm，小于5mm的含量為20%～35%，小于0.075mm的含量小于5%，孔隙率18%～22%，級配連續(xù)，由爆破石料二次破碎篩分人工摻配形成。

2.4 堆石料區(qū)

堆石料區(qū)是面板的主要支撐結(jié)構(gòu)，由爆破石料和天然砂礫石料組成。爆破石料通過控制爆破參數(shù)來滿足技術(shù)指標，Dmax≤600mm，級配連續(xù)，孔隙率n不大于22%，內(nèi)摩擦角φ大于40°，滲透系數(shù)大于0.1×10-2cm/s。

砂礫石料從天然河床直接開采所得，Dmax≤600mm，級配連續(xù)，相對密度大于0.85，滲透系數(shù)大于0.1×10-2cm/s。

3 料場規(guī)劃

根據(jù)壩體分區(qū)對壩料用量和質(zhì)量的要求，現(xiàn)場可用于筑壩的材料主要有砂礫石料和爆破石料。

3.1 砂礫石料場選擇

克里雅河支流——烏什開布隆達里亞河河床內(nèi)分布有砂礫石料，順河方向呈條帶狀分布，距壩址約3～11km，運距適中，可以滿足填筑強度要求。壩料天然含水量較高，夏季開采受洪水影響，冬季開采受積冰影響?，F(xiàn)狀河床較窄、不平坦，坡降約4.2%，寬在40～150m范圍內(nèi)，河床表層堆積少量超徑漂卵石。烏什開布隆達里亞河年徑流量較小，除5—8月有洪水外，其他季節(jié)河水較小，便于機械開采。該料場與壩區(qū)有簡易道路相連，無陡坡，重新改造后可以滿足上壩要求?？睖y儲量180萬m3左右，其中水下150萬m3，水上30萬m3，能夠滿足砂礫石料用量要求。顆分試驗數(shù)據(jù)為：粒徑不小于600mm含量1.90%；600～400mm含量16.54%；400～200mm含量15.37%；200～5mm含量51.80%；5～0.075mm含量10.60%；不大于0.075mm含量3.84%，裝運時去除超徑漂卵石后，天然級配能夠滿足設(shè)計指標要求。

3.2 爆破石料場選擇

現(xiàn)場勘測，P1料場巖性為灰?guī)r，距壩址10km，質(zhì)量滿足要求，但運距較遠，不經(jīng)濟。P2料場巖性為角閃片巖，距壩址2.5km，運距近，儲量、質(zhì)量滿足設(shè)計要求，選擇P2料場作為壩體的爆破石料場。

P2料場位于壩軸線下游河道右岸，有長約1400m、寬約80m的階地作為壩料的臨時堆放場地，地勢平坦，能夠同時滿足壩體堆石料、墊層料和過渡料加工生產(chǎn)和堆放布置要求?；鶐r平均厚度100m，總面積約33萬m2，有用層儲量約4200萬m3，儲量能夠滿足工程需求。料場開采區(qū)山體坡度在45°～65°，高程在2450～2800m，作業(yè)面高差較大，施工難度大，因此，需在開采區(qū)不同開挖高程規(guī)劃取料臨時道路，確保上壩填筑用量強度要求。開采區(qū)基巖節(jié)理中等發(fā)育，呈塊狀，巨厚層，干抗壓強度弱風(fēng)化為66MPa，微風(fēng)化為94MPa；飽和抗壓強度弱風(fēng)化為43MPa，微風(fēng)化為60MPa；軟化系數(shù)為0.63～0.64，質(zhì)量滿足筑壩材料要求。開挖時需根據(jù)不同區(qū)域巖性結(jié)構(gòu)情況，及時調(diào)整爆破參數(shù)，確保爆破石料級配滿足設(shè)計要求。

4 試驗檢測

4.1 爆破料試驗

根據(jù)工程區(qū)巖石的物理力學(xué)特性，初步設(shè)定吉音水利樞紐墊層料孔隙率不大于18%，過渡料、堆石料孔隙率不大于20%，級配連續(xù)。在現(xiàn)場施工試驗時，孔隙率指標達不到20%。為進一步驗證壩料的壓實率，在試驗規(guī)范的基礎(chǔ)上，采取降低鋪筑厚度、加水、增加碾壓遍數(shù)等措施，其孔隙率依然達不到20%。通過對不同碾壓遍數(shù)的沉降對比分析，當碾壓遍數(shù)達到10遍時，試驗體的沉降變形已趨于穩(wěn)定。

經(jīng)分析，造成孔隙率偏大的主要因素如下：

a. 巖體本身物理力學(xué)特性。該巖石具有高抗壓低抗剪的物理力學(xué)特性，在碾壓初期，堆石料中有大量顆粒處于受剪切狀態(tài)，在垂直外壓力作用下，處于受剪狀態(tài)的巖石塊體易沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞。隨著塊體間的剪切破壞完成，逐步向全抗壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化后，因無節(jié)理面小塊體的巖石抗壓強度非常高，塊體棱角和塊體本身都不容易被繼續(xù)壓碎，堆石料顆粒間不容易發(fā)生水平側(cè)向擠入和垂直壓縮變形，從而導(dǎo)致碾壓試驗孔隙率偏大。

b. 壩料級配變化特性。從壩料碾壓前后的級配曲線變化來看，包絡(luò)線呈現(xiàn)出兩頭尖瘦、中間寬肥的特點。這充分說明大塊巖體的破碎率高，極易按巖石節(jié)理面碎裂成小塊體，但小塊體間沒有將其繼續(xù)碎裂成細小顆料的節(jié)理面，小塊體的破碎率低，碾壓前后小于5mm的顆粒變幅很小，堆石料間的空隙沒有相應(yīng)的細料充填，造成碾壓前后級配曲線變幅較大，超出設(shè)計包絡(luò)線范圍較多，導(dǎo)致試驗孔隙率值偏大。

通過對現(xiàn)場試驗結(jié)果的分析，在爆破堆石料的鋪筑厚度、碾壓次數(shù)和碾壓機械等相關(guān)工藝、方法、流程沒有問題的情況下，依據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，將爆破壩料孔隙率調(diào)整到22%、碾壓遍數(shù)確定為10遍較合理，其變形、滲透等參數(shù)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，能夠保證壩體安全[2]。

4.2 砂礫石料試驗

吉音水利樞紐砂礫石料按相對密度大于0.85控制，5mm以下含量為8%～20%，含泥量(粉、黏粒)小于8%，級配連續(xù)?，F(xiàn)場試驗結(jié)果中出現(xiàn)了相對密度大于1的情況。

經(jīng)分析，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因：一是在試驗室內(nèi)測定標準密度時，因碾壓設(shè)備有限，室內(nèi)試驗壓實度較現(xiàn)場試驗壓實度偏低，導(dǎo)致測定的標準密度值偏低。二是在室內(nèi)無法做全級配試驗，對大于60mm的礫石級配全采用替代換算法。但小粒徑的礫石比重普遍比大粒徑的比重偏小，導(dǎo)致標準密度值偏小。

為解決相對密度大于1問題，采用室外全級配大鋼桶試驗，將直徑1.4m、高1m的鋼桶埋在砂礫石料中，按相關(guān)試驗規(guī)范和技術(shù)標準進行全級配碾壓，準確測定砂礫石料填筑時的各施工控制參數(shù)。

5 控制措施

5.1 優(yōu)化壩料填筑方案

5.1.1 深切河槽段采用砂礫石料填筑

利用砂礫石料沉降變形小的特性，減小壩體在最大斷面處的沉降變形。另外，在斷面下游側(cè)填筑20m寬的爆破堆石料包住填筑的砂礫石料，主要解決砂礫石料內(nèi)摩擦角較小和不同壩料區(qū)域壩后坡坡度一致性的問題，同時兼起壩后坡角反濾功能(見圖2)。

5.1.2 優(yōu)化左岸階地覆蓋層開挖方案

由于下部為砂礫石覆蓋層，經(jīng)現(xiàn)場取樣試驗，其原狀砂礫石層的自然沉積密度略高于砂礫石料填筑碾壓后的密度，因此，只將上部粉土覆蓋層清除整平壓實后，便直接在其上面填筑爆破石料，以減少基礎(chǔ)開挖量和壩體填筑量。

5.1.3 優(yōu)化深切河槽段砂礫石料的填筑高程

由于左岸臺地砂礫石層出露高程比深切河槽左岸基巖頂高程高，為使壩體上部的爆破堆石料填筑基面條件一致，將深切河槽段的砂礫石料填筑高程抬升至階地砂礫石料的出露高程(見圖2)，以減小壩體因基面條件不一致產(chǎn)生的不均勻沉降量。

5.1.4 優(yōu)化爆破石料填筑施工方案

為減小壩體的總沉降量，在高程2456～2498m，縱斷面0-027～0+050和橫斷面0+070～0+390之間包填砂礫石料65萬m3(見圖1)，仍是利用砂礫石料沉降變形小的特性。

5.2 質(zhì)量控制

5.2.1 砂礫石料施工質(zhì)量控制

a. 含水量控制?？刂坪哟采暗[石料的含水量，提前一段時間將水下部分的砂礫石料挖出堆放于水面之上，待含水量達到標準后拉運上壩。

b. 粒徑級配控制。砂礫石料開挖時，將雜物和大于600mm的超徑漂卵石剔除，避開級配不合格的料場區(qū)域。

c. 鋪筑質(zhì)量控制。采用進占法后退卸料，大型推土機平料，保證鋪筑厚度均勻，避免壩料多次攤鋪分離；采用進退錯距法碾壓。

5.2.2 爆破石料施工質(zhì)量控制

a. 級配控制。根據(jù)不同的基巖條件，及時調(diào)整爆破方案，同時對超徑的塊石采用二次破碎，對級配不連續(xù)壩料，在料場機械摻拌合格后上壩。

b. 含水量控制。修建專用灑水站，在壩后車上直接加水，壩料碾壓前若局部含水量不夠，再采用壩面花管灑水補充。

c. 鋪筑質(zhì)量控制。采用進占法后退卸料，對超徑壩料用機械直接破碎，大型推土機平料，人工測量放線，每隔50m樹立標尺，保證鋪筑厚度均勻，避免壩料多次攤鋪分離；采用平行壩軸線進退錯距法碾壓。

5.3 現(xiàn)場檢測

壩料級配檢測采用篩分法。測定壩料碾壓后的級配曲線是否在設(shè)計包絡(luò)線以內(nèi)，并分析級配曲線的變化情況及規(guī)律。從樣坑中挖出的石料，大于60mm的顆粒直接用鋼卷尺測量，小于60mm的顆粒用大篩(孔徑60mm、40mm、20mm、10mm、5mm)篩分至5mm，小于5mm的顆粒以四分法取樣進行室內(nèi)篩分，最終計算全試樣級配，繪制各試驗單元的填筑堆石料碾壓前后的級配曲線[3]。

壩料相對密度和孔隙率檢測采用挖坑灌砂法。灌砂時需將薄綢子鋪在樣坑周圍，防止標準砂進入側(cè)面孔隙。樣坑直徑為取料最大粒徑的3倍，深度為鋪料層厚。灌砂速度應(yīng)與標準砂率定時的灌砂速度一致，用直尺刮平砂面，使之與坑上邊緣齊平。為提高不同頻次檢測結(jié)果的精度，盡量固定人員操作，挖樣坑時應(yīng)由中心向邊緣擴挖，根據(jù)粒徑確定樣坑大小，收料時將坑內(nèi)壁上的松散壩料用毛刷清理干凈，全部回收計量[3]。

含水量測定采用烘干法，使烘箱溫度保持在105～110℃，將試樣烘干到恒重，烘干時間不少于6h，然后將試樣放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫時稱量[3]。

6 檢測結(jié)果分析

6.1 級配變化分析

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明：級配曲線變化規(guī)律與施工前試驗參數(shù)變化規(guī)律一致，碾壓前后爆破石料粒徑有變細的趨勢，但級配曲線仍在設(shè)計包絡(luò)線以內(nèi)。主要原因是爆破棱角突出的石料及爆破預(yù)存的裂紋在振動碾壓的作用下發(fā)生二次破碎擠壓。同時，通過對碾壓前后5mm以下含量的測定分析，當5mm以下含量在13%～20%時，碾壓后的孔隙率最小，壓實效果最好。

6.2 沉降變形分析

施工期壩體沉降量大，沉降速度較快，后期沉降量小，且速度明顯變緩，蓄水后已基本趨于穩(wěn)定。最大沉降量對比見下表。

吉音水利樞紐較國內(nèi)外同類壩型的沉降值偏低，充分說明混合壩料填筑在應(yīng)對沉降變形中發(fā)揮了積極作用。

6.3 滲透系數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗滲透系數(shù)統(tǒng)計分析，堆石料滲透系數(shù)碾壓8遍平均值為5.1×10-2cm/s；碾壓10遍平均值為5.4×10-2cm/s，均高于設(shè)計指標0.1×10-2cm/s，有利于壩體排水和滲透穩(wěn)定。

7 結(jié) 語

土石壩規(guī)劃設(shè)計應(yīng)充分利用砂礫石料變形模量較小的特點，以減小變形較大區(qū)域的沉降值，這樣比較經(jīng)濟、合理，安全可靠性也較高。利用爆破石料內(nèi)摩擦角較大的特性，在砂礫石料上下游兩側(cè)填筑爆破石料，在保證壩體穩(wěn)定安全的前提下，可有效縮小壩體斷面尺寸，減小填筑工程量，節(jié)省工程投資。因此，混合壩料填筑方案在土石壩設(shè)計施工中具有推廣應(yīng)用前景。

[1] 陳雯龍，等.新疆吉音水利樞紐工程初步設(shè)計報告[R].烏魯木齊：水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，2012：160.

[2] 楊樹紅. 堅硬爆破壩料碾壓試驗孔隙率偏大原因分析[J].水利建設(shè)與管理，2015 (10)： 29-33.

[3] SL237—1999土工試驗規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，1999.

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.007

Analysis on Application of Mixed Dam Material Filling in Jiyin Hydro-junction

YANG Shuhong1, HAN Yanhong2

(1.XinjiangJilinWaterConservancyHubEngineeringConstructionManagementBureau,Hetian848000,China; 2.XinjiangWaterConservancy&WaterandPowerSurveyingandDesigningInstitute,Urumchi830000,China)

Constrained by topographical geological conditions, distribution of dam materials and reserve, Jiyin Water Conservancy Dam deploys mixed dam materials as its construction scheme. It features safe, economical and reasonable characteristics. This article analyzes application condition of mixed dam material building from such aspects from division of dam materials, planning of stock ground, test detection, control measures in an attempt to provide reference to design and construction of similar projects.

Jiyin hydro-junction; concrete faced rock-fill dam; mixed dam materials; filling

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.006

TV641.8

A

1673-8241(2017)04- 0017- 05