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    面板堆石壩軟質(zhì)砂巖主堆料滲透性能研究

    2015-11-11 09:15:30馬棟和王和鑫張芳軍
    東北水利水電 2015年8期
    關(guān)鍵詞:軟質(zhì)板結(jié)堆石壩

    馬棟和,楊 偉,王和鑫,張芳軍

    (1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林 長春130061;2.自貢小井溝水利工程有限責(zé)任公司,四川 自貢643000;3.中國水利水電第五工程局有限公司科研咨詢公司,四川 成都610225)

    1 工程概況

    研究壩體取自四川省某水利樞紐工程,該工程是一項以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的大型水利工程,工程控制流域面積587km2(占流域面積22%),多年平均徑流量2.7億m3。水庫正常蓄水位429m,總庫容1.66億m3,興利庫容1.11億m3。工程主要由水庫樞紐、輸水工程和灌區(qū)渠系工程組成,主壩壩型為混凝土面板堆石壩,壩高87.6m、壩長255m。工程地處低山區(qū)和丘陵地帶,區(qū)內(nèi)地層主要為三疊系須家河組砂泥頁巖互層,巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于30MPa。綜合考慮工程建設(shè)工期與經(jīng)濟(jì)因素,擬采用區(qū)內(nèi)富有的軟質(zhì)砂巖作為主堆料進(jìn)行壩體填筑。

    2 主堆料現(xiàn)場碾壓后滲透特性

    現(xiàn)場按80cm厚度鋪設(shè)軟質(zhì)砂巖料進(jìn)行碾壓試驗,碾壓結(jié)束后測得主堆區(qū)豎向滲透系數(shù)為8.3×10-4cm/s,滲透系數(shù)偏小,不能較好的滿足排水要求(滲透系數(shù)一般宜大于10-2cm/s)?,F(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn),由于軟質(zhì)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度低,分層加水碾壓后表層易形成板結(jié)。當(dāng)挖去板結(jié)層之后,可見主堆區(qū)橫向孔隙率增加,因此初步判定水平方向滲透系數(shù)明顯大于豎直方向。

    3 主堆料室內(nèi)滲透試驗

    現(xiàn)行土工試驗規(guī)程(SL237-1999),為了簡化起見,將“粗粒土擾動試樣從下向上滲透變形試驗”、“粗粒土擾動試樣水平管涌試驗”進(jìn)行了合并,試驗均采用同一儀器——垂直滲透變形儀。該設(shè)備多適用于各向同性粗粒土,且一般筑壩所用粗粒土選用硬質(zhì)巖石,經(jīng)碾壓之后基本滿足各向同性。但由于該水利樞紐工程大壩主堆料的特殊性,在碾壓之后各分層表面產(chǎn)生板結(jié);另外壩體內(nèi)滲流多為傾斜向下游滲流,如僅采用垂直滲透儀測定其滲透系數(shù)具有一定的片面性,需分別對水平、垂直滲透性能進(jìn)行測定。

    結(jié)合現(xiàn)場條件與相關(guān)土工試驗規(guī)程要求,自行研制了粗粒土水平滲透儀。水平滲透試驗結(jié)果如圖1所示,主堆石水平滲透系數(shù)為3.8×10-1cm/s,遠(yuǎn)大于其豎直方向滲透系數(shù),水平方向滿足自由排水的要求。

    4 主堆區(qū)滲流特性模擬

    基于上述試驗成果,為研究壩體內(nèi)部存在板結(jié)層時滲流特征,采用GeostudioSEEP/W建立有限元數(shù)值模型[1],如圖2所示。壩體上游面水位為正常蓄水位,下游面定義為自由滲出邊界。模擬結(jié)果如圖3所示,由圖可見,由于板結(jié)層的存在,阻滯了滲流向下發(fā)展,水體在每兩個板結(jié)層之間水平流動。壩體內(nèi)浸潤線較高,使得軟質(zhì)砂巖料長期浸于飽和水體中,不利于壩體長期穩(wěn)定。此外,(SL228—2013)《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》中對軟巖筑壩做出規(guī)定[2]:軟質(zhì)巖堆石料作為中低壩上游堆石區(qū),其滲透性能不滿足排水要求時,應(yīng)在壩內(nèi)上游設(shè)置豎向排水區(qū),沿底部設(shè)置水平排水區(qū),排水區(qū)的排水能力應(yīng)滿足自由排水要求[3-4]。

    圖1 主堆料i~v關(guān)系曲線(水平)

    由此,設(shè)計如圖4所示“L形”壩體排水帶,排水帶采用硬質(zhì)灰?guī)r料,碾壓后滲透系數(shù)大于A×10-1cm/s。設(shè)置排水帶后壩體內(nèi)部滲流特征如圖5所示,由于排水帶滲透系數(shù)較大,壩內(nèi)滲流沿排水帶向下游流動,浸潤線明顯降低,壩體揚(yáng)壓力減小,更有利于壩內(nèi)排水及大壩穩(wěn)定。

    圖2 壩體數(shù)值計算模型

    圖3 存在板結(jié)層時壩體內(nèi)滲流場

    圖4 設(shè)置排水帶時壩體計算模型

    圖5 設(shè)置排水帶時壩體內(nèi)滲流場

    5 結(jié) 論

    1)區(qū)內(nèi)軟質(zhì)砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于30 MPa,選用此類巖石作為面板堆石壩主堆料時,由于軟質(zhì)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度低,分層加水碾壓后表層易形成板結(jié),致使主堆區(qū)豎向滲透系數(shù)偏小為8.3×10-4cm/s,不能較好的滿足排水要求。

    2)主堆料分層碾壓后,板結(jié)層下部堆石區(qū)滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于豎直方向滲透系數(shù)。通過自行研制的粗粒土水平滲透儀對其滲透性能進(jìn)行檢測,水平向滲透系數(shù)為3.8×10-1cm/s。

    3)數(shù)值計算成果表明:當(dāng)軟巖堆石壩各碾壓層表面形成板結(jié)時,阻滯了滲流向下發(fā)展,壩體內(nèi)浸潤線較高;壩體內(nèi)設(shè)置“L”形排水帶后,由于排水帶滲透系數(shù)較大,壩內(nèi)滲流沿排水帶向下游流動,浸潤線明顯降低,壩體揚(yáng)壓力減小,更有利于壩內(nèi)排水及大壩穩(wěn)定,排水帶設(shè)置滿足工程要求。

    [1]鮑呈蒼.基于SEEP/W分析土石壩滲流穩(wěn)定[J].中國水運(yùn),2011(6):147~149.

    [2]SL228-2013,混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范[S].

    [3]徐澤平,邵宇,梁建輝.軟巖筑面板壩堆石壩的壩體斷面分區(qū)研究[J].水力學(xué)報,2004(1):62-65.

    [4]彭成,郭德發(fā),王慶.面板堆石壩軟巖料的應(yīng)用分析[J].石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008(5):612~615.

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