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    砂卵礫石地基上的土石壩分區(qū)材料研究

    2016-12-14 06:18:20盧俊箐
    關(guān)鍵詞:主壩料場(chǎng)土料

    林 賽,盧俊箐,楊 帆

    (1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021;2.云南省人民政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心,云南 昆明 650041)

    砂卵礫石地基上的土石壩分區(qū)材料研究

    林 賽1,盧俊箐2,楊 帆1

    (1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650021;2.云南省人民政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心,云南 昆明 650041)

    云南青山嘴水庫主壩為坐落在砂卵礫石地基上的礫石(黏)土心墻石渣壩。針對(duì)其筑壩材料的料源組成復(fù)雜、地基存在不均勻沉陷及地震液化問題等特點(diǎn),對(duì)壩基砂卵礫石層進(jìn)行強(qiáng)夯處理,防滲心墻采用礫石土料和黏土料兩種防滲土料填筑,壩體采用以砂泥巖為主的夾砂礫巖、礫巖石渣料填筑;防滲心墻反濾層按保護(hù)兩種心墻料要求設(shè)計(jì),心墻下游壩基面按滿足與壩體間的過渡關(guān)系設(shè)置水平反濾層,有效地解決了壩體和壩基的滲透破壞問題,使心墻防滲土料和壩基砂卵礫石層均得到保護(hù),保證了大壩的滲透穩(wěn)定性。工程于2009年投入運(yùn)行,實(shí)測(cè)不同庫水位情況下的主壩滲漏量變化和壩體累計(jì)沉降量均低于設(shè)計(jì)值,施工質(zhì)量良好,運(yùn)行情況穩(wěn)定。

    砂卵礫石地基;分區(qū)材料壩;壩料設(shè)計(jì);試驗(yàn)指標(biāo)

    1 研究背景

    地質(zhì)條件復(fù)雜、河床覆蓋層較厚、地震烈度較高和工程建設(shè)難度大的水庫大多采用具有對(duì)基礎(chǔ)適應(yīng)性強(qiáng)、能就地取材和充分利用建筑物開挖棄料、工程造價(jià)較低的心墻土石壩型式。在采用大型碾壓設(shè)備的條件下,防滲心墻選擇直心墻技術(shù)比斜心墻施工難度更小、更適宜壩體的沉降變形、經(jīng)濟(jì)效益更顯著。根據(jù)填筑壩料特性、壩體各部位功能的不同及壩料施工開采順序進(jìn)行分區(qū)材料設(shè)計(jì);防滲心墻采用礫石土料或在心墻土料中按比例摻配碎石,可解決天然土料黏粒含量偏大、顆粒偏細(xì)而導(dǎo)致土料力學(xué)性能較低和大壩沉降量較大的問題,保證大壩在滿足壩體滲透穩(wěn)定性和壩坡抗滑穩(wěn)定性的前提下壩體斷面最小,有效減少壩體填筑工程量、料場(chǎng)棄渣量和工程占地,有利于環(huán)境保護(hù),降低工程投資[1-4]。

    本文針對(duì)青山嘴水庫主壩地基條件差、筑壩材料料源組成復(fù)雜,壩料物理力學(xué)指標(biāo)差異較大,壩體上游需結(jié)合施工圍堰設(shè)計(jì)的特點(diǎn),進(jìn)行主壩分區(qū)與壩料設(shè)計(jì)研究、壩料試驗(yàn)指標(biāo)與滲流控制問題分析,驗(yàn)證大壩分區(qū)材料設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。

    2 工程概況

    青山嘴水庫地處云南省楚雄州境內(nèi),距楚雄市區(qū)14.5 km,位于金沙江一級(jí)支流龍川江上,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧城市工業(yè)供水的大(2)型綜合利用水利工程,總庫容1.08億m3。樞紐工程由主壩、副壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪隧洞、輸水隧洞和壩后電站組成。主壩為礫石(黏)土心墻石渣壩,壩高41.5m,壩頂寬8.0m,壩長(zhǎng)449.3m;壩體結(jié)合上游枯期施工圍堰布置,圍堰采用壩基高壓擺噴灌漿和壩體上游迎水面覆蓋復(fù)合土工膜進(jìn)行施工期防滲(見圖1)。

    3 大壩基本條件及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

    3.1 工程地形、地質(zhì)條件 水庫壩址區(qū)為寬闊的“U”型河谷,河谷寬度330~350 m,河寬30~40 m,兩岸地形坡度為30~60°。壩址區(qū)發(fā)育分布于兩岸的構(gòu)造剝蝕侵蝕岸坡和平坦侵蝕堆積河谷階地地貌,河道兩岸為不對(duì)稱的Ⅰ級(jí)階地,階地高出河床4~5 m,河床右岸階地一帶發(fā)育有最大埋深為13.5m的古河床。

    主壩壩段河谷廣布第四系沖洪積層(Qapl),兩岸基巖大多裸露,為白堊系下統(tǒng)高豐寺組(K1g)含長(zhǎng)石石英砂巖夾含礫粗砂巖、砂礫巖、粉砂質(zhì)泥巖。河床及Ⅰ級(jí)階地第四系沖洪積層為二元結(jié)構(gòu),上部為厚度2.5~5.0m的粉土、粉細(xì)砂層,結(jié)構(gòu)松散、壓縮性高以及強(qiáng)度低,相對(duì)密度Dr=0.27~0.45,壓縮系數(shù)a0.1~0.2>0.5 MPa-1;下部為埋深8.2~10.6m的砂卵礫石、漂石層夾孤石、粉細(xì)砂與黏土透鏡體,巖性成分不均勻,局部有架空現(xiàn)象,高~中壓縮性,相對(duì)密度Dr=0.42~0.68,允許承載力[R]=0.30~0.38MPa,平均滲透系數(shù)K20=2.68×10-2cm/s。河床沖洪積層存在不均勻沉陷及地震液化問題,下伏強(qiáng)~弱風(fēng)化巖體強(qiáng)度較高,強(qiáng)風(fēng)化巖體屬低壓縮性。兩岸坡上覆第四系殘坡積層(Qedl)砂質(zhì)黏土、壤土、砂壤土夾碎石,結(jié)構(gòu)較松散、高~中壓縮性,強(qiáng)度較低,下伏全~強(qiáng)風(fēng)化巖體屬中~低壓縮性。

    3.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn) 由于主壩位于平緩開闊的“U”型河谷地段,壩軸線較長(zhǎng)為449.3 m,修建在厚度為4.5~13.5m、存在不均勻沉陷及地震液化問題的第四系沖洪積層(Qapl)夾粉土、粉細(xì)砂的砂卵礫石層地基上,所選定的壩型筑壩材料料源構(gòu)成復(fù)雜、物理力學(xué)指標(biāo)差異較大,壩體上游需結(jié)合施工枯期圍堰設(shè)計(jì),壩基處理面積達(dá)6.51萬m2,壩基及壩體滲透穩(wěn)定、沉降問題突出。因此如何通過經(jīng)濟(jì)合理的筑壩材料選擇和設(shè)計(jì),解決壩體和壩基的滲流控制問題是本工程大壩設(shè)計(jì)研究的的重要課題及技術(shù)難題之一。

    4 大壩壩料設(shè)計(jì)研究

    4.1 壩體分區(qū) 結(jié)合主壩地基條件,以充分利用當(dāng)?shù)靥烊唤ㄖ牧?、減少料場(chǎng)棄渣量與工程占地為原則,按筑壩材料儲(chǔ)量、物理力學(xué)指標(biāo)以及料場(chǎng)施工開采順序,選擇大壩壩型,進(jìn)行大壩剖面及分區(qū)材料設(shè)計(jì)。主壩采用礫石(黏)土心墻石渣壩壩型,壩體劃分為:上游壩殼填料區(qū)(含上游施工圍堰)、上游反濾層、防滲心墻、下游豎向反濾層及水平反濾層、下游壩殼填料區(qū)、下游排水堆石棱體等6個(gè)區(qū)(見圖1)。

    圖1 主壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

    4.2 主壩防滲系統(tǒng)及壩基處理

    (1)防滲系統(tǒng)。根據(jù)主壩水文地質(zhì)及下游壩基砂卵礫石層出逸比降情況,對(duì)壩基及兩岸進(jìn)行垂直防滲處理,壩體采用心墻防滲,河床段心墻墻體截?cái)鄩位奥训[石層至強(qiáng)弱風(fēng)化巖層,兩岸坡心墻基礎(chǔ)挖除第四系殘坡積層至全強(qiáng)風(fēng)化巖層;透水率為5~100 Lu的壩基巖體采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理(防滲標(biāo)準(zhǔn)為q≤5Lu),并與防滲心墻結(jié)合形成整體防滲系統(tǒng)。

    (2)壩基強(qiáng)夯處理。對(duì)于主壩河床段第四系沖洪積層(Qapl)地基,采用清除表層粉土、粉細(xì)砂層后,對(duì)下部砂卵礫石層進(jìn)行強(qiáng)夯處理,可減少開挖工程量巨大的壩基開挖量,其處理標(biāo)準(zhǔn):相對(duì)密度Dr≥0.75,干密度≥18.0 kN/m3,處理深度至河床第四系底界,最大深度9.4m[5-6]。

    4.3 壩料設(shè)計(jì)

    4.3.1 心墻防滲土料 可供填筑主壩防滲心墻的土料來自沙邑村土料場(chǎng)和副壩土料場(chǎng)兩個(gè)土料場(chǎng)。

    沙邑村土料場(chǎng)距主壩2.5 km,出露地層為白堊系下統(tǒng)普昌河組(K1p),屬湖相沉積,巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉細(xì)砂巖為主夾粉細(xì)砂巖,巖石風(fēng)化程度和層厚不均,全風(fēng)化層厚0.5~4.3 m,強(qiáng)風(fēng)化層厚0.5~8.3m;上覆第四系殘坡積層(Qedl)零星分布,巖性為壤土、粉質(zhì)壤土、砂壤土夾砂土,厚度0.5~4.4m。沙邑村料場(chǎng)有用層為Qedl殘坡積層與K1p全強(qiáng)風(fēng)化層混合料,屬礫石土,平均開采深度4.3m。副壩土料場(chǎng)距主壩0.4 km,上覆第四系殘坡積層(Qedl)壤土、粉質(zhì)壤土與黏土,局部夾砂壤土,厚度1.5~5.0m,為料場(chǎng)有用層,平均開采深度4.0m;下伏地層為白堊系下統(tǒng)普昌河組(K1p),巖性與沙邑村土料場(chǎng)相同。

    由于主壩心墻防滲土料以沙邑村礫石土料為主,用于防滲心墻的上部填筑(厚度29m),而土料中含有一定數(shù)量的礫石,改善了土料力學(xué)性能,減小了心墻的沉降量。儲(chǔ)量較小的副壩黏土料因黏粒含量偏高而用于水頭較高、與基礎(chǔ)灌漿蓋板結(jié)合部的心墻下部填筑(厚度12m),降低了該部位心墻的滲透性。土料物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)見表1。

    表1 沙邑村土料場(chǎng)、副壩土料場(chǎng)物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

    沙邑村土料場(chǎng)為料源組成復(fù)雜的礫石土料,其母巖以全強(qiáng)風(fēng)化軟巖為主,物理力學(xué)指標(biāo)差異較大,強(qiáng)度較低。在碾壓過程中崩解速度快、崩解徹底,碾壓后礫石破碎率較高,細(xì)粒含量增多,顆粒級(jí)配不穩(wěn)定,因此礫石及其細(xì)粒含量是影響心墻滲透性能的主要因素。從顆粒級(jí)配包絡(luò)線上看,礫石土料條帶較寬,黏粒、膠粒含量變化較大,若保護(hù)不好則容易發(fā)生滲透破壞(見圖2)。施工當(dāng)中為保證心墻礫石土料填筑后的防滲效果,根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果,對(duì)上壩料提出具體要求:①、以強(qiáng)風(fēng)化底界為準(zhǔn)控制開采深度,進(jìn)行立面開采;②、控制砂巖含量<25%,避免集中開采;③、粒徑>5mm的礫石含量不超過50%,粒徑<0.075的黏粒含量不小于15%;④、由于土料干密度變化較大,施工采用壓實(shí)度≥0.98進(jìn)行施工控制[7]。

    4.3.2 壩殼料分區(qū) 主壩壩殼料的設(shè)計(jì)研究應(yīng)與料源的材料性質(zhì)和分區(qū)設(shè)計(jì)相結(jié)合,使所選用的材料與不同分區(qū)壩體的功能相適應(yīng),達(dá)到合理利用各種質(zhì)量壩殼料的目的,同時(shí)在水庫蓄水運(yùn)行后的壩料性質(zhì)不致發(fā)生明顯變化。

    圖2 心墻料、壩基砂卵礫石及反濾料顆粒級(jí)配包絡(luò)線圖

    (1)龍?bào)涫蠄?chǎng)。龍?bào)涫蠄?chǎng)距主壩4.2 km,出露地層為白堊系上統(tǒng)馬頭山組(K2m1)長(zhǎng)石石英粉細(xì)砂巖與巖屑砂巖互層夾20%~50%的砂礫巖、礫巖、粉砂質(zhì)泥巖軟弱夾層,以及(K2m2)粉砂質(zhì)泥巖為主夾砂巖、長(zhǎng)石石英粉細(xì)砂巖,巖石呈強(qiáng)~微風(fēng)化。料場(chǎng)強(qiáng)、弱風(fēng)化料可作為填筑主壩的壩殼料,弱~微風(fēng)化長(zhǎng)石石英砂巖用于加工反濾料、粗細(xì)骨料和塊石料。強(qiáng)風(fēng)化料存在抗崩解能力差、最大干密度偏低和滲透系數(shù)偏小的問題,質(zhì)量較差;強(qiáng)弱風(fēng)化料和弱風(fēng)化料除最大干密度偏低外,其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,質(zhì)量較好,其物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)見表2。

    表2 龍?bào)涫蠄?chǎng)壩殼料物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

    圖3 壩殼料顆粒大小分配曲線圖

    (2)壩殼料分區(qū)。根據(jù)壩體不同部位要求進(jìn)行壩殼分區(qū),將好料用于關(guān)鍵部位,滿足壩坡安全穩(wěn)定要求,上、下游壩體均分為兩個(gè)區(qū)。

    ①上游壩殼填料分區(qū):死水位以上水位變幅區(qū)的壩殼填料區(qū)應(yīng)具有足夠的透水性能,以便在庫水位降落期壩體水分能及時(shí)排出,保證上游壩坡的穩(wěn)定性,因此將料場(chǎng)上層指標(biāo)較差、滲透系數(shù)較小的強(qiáng)風(fēng)化料填筑在壩體下部(C區(qū)),可增加上游壩體施工圍堰部分的抗?jié)B性能,而透水性相對(duì)較好的料場(chǎng)下層強(qiáng)弱風(fēng)化石渣料則填筑在死水位以上的B區(qū)。

    ②下游壩殼填料分區(qū):高程1 795.0m以下壩體部分(E區(qū),校核洪水下游水位1 794.6m)選擇強(qiáng)度指標(biāo)較高的弱風(fēng)化堆石料進(jìn)行填筑,以增強(qiáng)下游壩體的排水功能及壩坡穩(wěn)定性,上部壩體干燥區(qū)(D區(qū))則采用強(qiáng)弱風(fēng)化石渣料填筑。

    4.3.3 反濾設(shè)計(jì) 根據(jù)主壩滲流計(jì)算結(jié)果,防滲心墻及下游壩基砂卵礫石層最大滲透出逸比降均大于其允許滲透比降。為滿足防滲心墻和壩基兩個(gè)部位反濾層的不同功能需求,控制和封閉通過防滲體的集中滲漏,確保證大壩不致發(fā)生滲透破壞,進(jìn)行反濾時(shí)考慮了兩種心墻填筑土料的不均勻性、崩解性和滲透破壞類型,在心墻上下游兩側(cè)以及下游砂卵礫石建基面上均設(shè)置反濾保護(hù)措施,滿足壩料過渡需要。

    (1)心墻反濾設(shè)計(jì)。心墻反濾按滿足保護(hù)兩種心墻料要求設(shè)計(jì)。沙邑村礫石土料按小于5mm的顆粒級(jí)配設(shè)計(jì),副壩區(qū)黏土料按全料級(jí)配設(shè)計(jì),心墻料滲透破壞型式為過渡~流土型,反濾類型為Ⅱ型,心墻上、下游側(cè)均需設(shè)置兩層反濾層,協(xié)調(diào)心墻與壩殼料的變形。上游兩層反濾層厚度均為1.0 m、下游兩層反濾層厚度均為1.5 m,兩層反濾料的級(jí)配滿足層間關(guān)系,Ⅰ反粒徑范圍0.12~10 mm、Ⅱ反粒徑范圍4.5~80mm。心墻料、反濾料顆粒級(jí)配包絡(luò)線見圖2。

    (2)下游壩基反濾設(shè)計(jì)。壩基強(qiáng)夯后的砂卵礫石層按5 mm以下的顆分曲線進(jìn)行反濾設(shè)計(jì)。砂卵礫石層滲透破壞以管涌型為主,反濾類型為Ⅱ型,經(jīng)計(jì)算只需設(shè)置Ⅱ反層,但從砂卵礫石層全料級(jí)配包絡(luò)線圖(圖4)可看出缺少0.05 mm以下顆粒。為保護(hù)砂卵礫石層中的粉土和粉細(xì)砂、滿足壩體與壩基層間過渡關(guān)系,沿下游砂卵礫石層建基面分別布置厚度為0.5m的兩層反濾層,并與下游壩腳排水堆石棱體連接,增強(qiáng)下游壩體排水功能、降低浸潤(rùn)線高度。

    為方便施工,壩基砂卵礫石層與心墻的反濾料均由龍?bào)涫蠄?chǎng)弱~微風(fēng)化砂巖料加工配制,且為同級(jí)配的反濾料。

    圖4 壩基砂卵礫石全料顆粒級(jí)配包絡(luò)線圖

    5 施工期質(zhì)量檢測(cè)復(fù)核試驗(yàn)及施工效果

    為控制主壩填筑體的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量,對(duì)各種填筑料及壩基強(qiáng)夯層進(jìn)行跟蹤檢測(cè),同時(shí)由第三方在現(xiàn)場(chǎng)不同高程取樣進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。心墻防滲土料、壩殼石渣料和反濾料復(fù)核試驗(yàn)分別取樣8組、10組和17組,壩基砂卵礫石層強(qiáng)夯處理后現(xiàn)場(chǎng)共取樣46組進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。

    5.1 心墻防滲土料復(fù)核試驗(yàn) 復(fù)核試驗(yàn)檢測(cè)值表明,防滲土料壓實(shí)度均大于98%,心墻防滲體處于密實(shí)狀態(tài),滿足滲透系數(shù)<1×10-5cm/s的規(guī)范要求。

    5.2 壩殼料復(fù)核試驗(yàn) 各分區(qū)壩殼料碾壓質(zhì)量較好,復(fù)核試驗(yàn)各項(xiàng)檢測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)要求,其顆粒級(jí)配曲線均在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)。

    表3 防滲土料復(fù)核質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)表

    表4 壩殼料復(fù)核質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)表

    5.3 反濾料及壩基砂卵礫石層復(fù)核試驗(yàn) 反濾料顆粒級(jí)配曲線在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)、滲透系數(shù)≥1× 10-3cm/s,反濾料、強(qiáng)夯處理后的壩基砂卵礫石層檢測(cè)指標(biāo)均滿足相對(duì)密度Dr≥0.75設(shè)計(jì)要求;壩基壓縮模量及承載力提高、孔隙率及滲透系數(shù)減小,消除了壩基地震液化隱患,強(qiáng)夯處理效果良好。

    6 結(jié)語

    根據(jù)青山嘴水庫壩址砂卵礫石層地基條件和各種不同填筑材料性能,進(jìn)行主壩分區(qū)材料設(shè)計(jì),提高了各種壩料的利用率。通過對(duì)主壩填筑料和壩基砂卵礫石層強(qiáng)夯試驗(yàn)指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn),在按保護(hù)心墻礫石土料和黏土料兩種防滲土料要求設(shè)置防滲心墻反濾層、滿足壩體與壩基層間過渡關(guān)系要求設(shè)置心墻下游建基面的水平反濾層,并嚴(yán)格控制反濾料級(jí)配后,心墻防滲土料和壩基砂卵礫石層均得到很好地保護(hù),具有很高的抗?jié)B穩(wěn)定性,驗(yàn)證了大壩分區(qū)材料設(shè)計(jì)的合理性。因此進(jìn)行復(fù)雜地基上土石壩壩料選擇、合理分區(qū)以及相應(yīng)的壩基處理,來解決壩體和壩基的滲流穩(wěn)定、沉降問題是大壩設(shè)計(jì)研究的重要方面,也是保證工程安全,控制工程質(zhì)量、投資和施工進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),可供類似工程大壩設(shè)計(jì)研究參考借鑒。

    表5 反濾料、壩基砂卵礫石層試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

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    The study on partition material of Embankment dam on ground of sand and gravel foundation

    LIN Sai1,LU Junjing2,YANG Fan1
    (1.Yunnan Water conservancy and Hydroelectric Survey,Design and Research Institute,Kunming 650021,China;2.Yunnan Provincial People’s Government Investment Project Evaluation Center,Kunming 650021,China)

    The main dam of Yunnan Qingshanzui Reservoir is gravel slag dam with gravel and clay core wall,which is located on the sand and gravel foundation.By considering the complexity of dam material soruces,uneven settlement of foundation and its liquefaction due to earthquake,the corresponding measures are carried out,including dynam ic compaction treatment of the sand gravel layer of dam foundation,use of two kinds of anti-seepage materials,gravel and clay,for the core wall,use of sandy gravel comprising mainly sandy mudstone and gravel slag for dam filling materials,design of filter layer for anti-seepage core wall in terms of the requirements of protection of two sorts of core wall materials.In addition,the horizontal filter layer on the foundation at the dowenstream of core wall is set by meeting the need on ist transitional relationship with the above dam body,which effectively solves the problem of possible seepage failures and protects the anti-seepage materials of core wall and the sand gravel layer of dam foundation,resulting in the guarantee of the dam seepage stability.The projcet was put int operation in 2009.Both the measured seepage and settlement of the main dam under different water levels are lower than the designed values.The project has good constrction quality and stable performance.

    sand and gravel foundation;partition material dam;dam material design;experiment indicators

    TV641

    A

    10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.007

    1672-3031(2016)02-0122-07

    (責(zé)任編輯:李福田)

    2015-7-16

    林賽(1962-),女,廣東陽江人,高級(jí)工程師,主要從事水利水電工程建筑設(shè)計(jì)工作。E-mail:799428706@qq.com

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