金峰水庫(kù)瀝青混凝土心墻堆石壩壩殼料流變及其濕化變形

趙躍輝

(綿陽(yáng)佳成建設(shè)有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)

金峰水庫(kù)瀝青混凝土心墻堆石壩壩殼料流變及其濕化變形

趙躍輝

(綿陽(yáng)佳成建設(shè)有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

金峰水庫(kù)擋水壩壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高為88m。壩體從上游至下游分別為上游石渣料區(qū)、上游過(guò)渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻料區(qū)、下游過(guò)渡料區(qū)、下游豎向排水帶、下游石渣料區(qū)及水平排水帶。由于壩殼料采用全斷面軟巖～極軟巖筑壩，軟巖軟化系數(shù)低，濕化和流變變形顯著，如其變形過(guò)大，可能造成防滲體系變形過(guò)大，使得防滲體產(chǎn)生裂縫，從而影響其防滲性能及工程的安全運(yùn)行。

瀝青混凝土；軟巖；流變；濕化

金峰水庫(kù)擋水建筑物采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩殼擬采用大壩左壩肩上游炮臺(tái)嘴料場(chǎng)的砂泥巖混合料填筑，將新鮮砂巖料放在上游，將風(fēng)化砂巖和砂巖與泥巖的混合料放在下游。炮臺(tái)嘴料場(chǎng)砂巖屬極軟巖—較軟巖，砂巖和泥巖互層分布。

1 工程概況

金峰水庫(kù)壩址位于鹽亭縣金安鄉(xiāng)西北1.50km西河支流鳳鳴河上源王家溝。樞紐建筑物包括大壩、左岸導(dǎo)流放空洞以及充、取水建筑物。大壩頂長(zhǎng)454.87m、寬8m，壩頂高程477.00m，最大壩高88m。水庫(kù)正常蓄水位475.00m，設(shè)計(jì)洪水位475.00m，校核洪水位475.45m,總庫(kù)容0.98億m3。金峰水庫(kù)是一座屬于西梓干渠的中型在線囤蓄水庫(kù)。

依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2000)的規(guī)定，將主要建筑物中大壩的等級(jí)提高一級(jí)，按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，但不提高洪水標(biāo)準(zhǔn)，其余建筑物級(jí)別不變。

2 壩體分區(qū)及防滲體設(shè)計(jì)

2.1 瀝青混凝土心墻防滲體

心墻防滲體位于壩體中央，心墻軸線與壩軸線重合，心墻頂部寬度為0.60m，底部寬度為1m，中間段寬度為0.80m，階梯形布置。心墻底部采用漸變式擴(kuò)大基礎(chǔ)與C25混凝土基座相接，基座厚1.50m、寬7m，基座下部為粉砂質(zhì)泥巖。

2.2 過(guò)渡帶

過(guò)渡帶位于瀝青混凝土心墻兩側(cè)，初設(shè)階段厚度均為2.50m(心墻底部)，過(guò)渡層的外側(cè)垂直布置。施工圖階段：上游調(diào)整為3m，下游調(diào)整為1.50m，同時(shí)在下游過(guò)渡帶增設(shè)2m寬的豎向排水帶。

2.3 壩殼石渣區(qū)

壩殼石渣區(qū)位于反濾料過(guò)渡帶外側(cè)，壩殼擬采用大壩左壩肩上游炮臺(tái)嘴料場(chǎng)的砂泥巖混合料填筑，將新鮮砂巖料放在上游，將風(fēng)化砂巖和砂巖與泥巖的混合料放在下游。炮臺(tái)嘴料場(chǎng)砂巖屬極軟巖—較軟巖，砂巖和泥巖互層分布。

2.4 壩坡防護(hù)

上游坡面采用0.20m厚預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，中部設(shè)排水孔，在護(hù)坡底部設(shè)0.30m厚的砂礫石墊層料。為避免預(yù)制混凝土塊滑動(dòng)，采用現(xiàn)澆混凝土框格梁進(jìn)行固定，框格梁間距為7m×7m。大壩下游壩坡采用混凝土框格加草皮護(hù)坡。

2.5 壩體排水

由于下游石渣壩殼料經(jīng)碾壓后，滲透系數(shù)很小，為了保障心墻的安全，在大壩下游側(cè)設(shè)置水平及豎向排水帶。水平排水帶厚3m，豎向排水帶厚2.50m，排水帶采用人工摻配的砂卵石料填筑，要求滲透系數(shù)大于1×10-2cm/s。水平排水帶頂高程為405.00m，與下游地面排水溝高度基本一致，水平排水帶上下面均設(shè)砂礫石反濾料。

3 濕化變形試驗(yàn)

3.1 濕化變形機(jī)理

濕化變形，是指壩料在一定的應(yīng)力狀態(tài)下浸水，由于顆粒間被水潤(rùn)滑及顆粒礦物浸水軟化等原因而使顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重新排列，從而發(fā)生變形，并使土體中的應(yīng)力重新分布的現(xiàn)象。

3.2 濕化變形試驗(yàn)方法

按照試驗(yàn)方法的不同，浸水變形試驗(yàn)可分為“單線法”和“雙線法”兩種。

“單線法”是將干樣先剪切到一定程度后保持不變，然后使試樣浸水飽和，測(cè)定飽和過(guò)程中的體積應(yīng)變和軸向應(yīng)變?cè)黾恿?見(jiàn)圖1)，圖中水平直線段即為浸水變形引起的應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

圖1 “單線法”示意

“雙線法”是分別對(duì)干樣和飽和樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)，在某一應(yīng)力狀態(tài)下，飽和樣和干樣之間的應(yīng)變差值即認(rèn)為是浸水變形引起的應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

圖2 “雙線法”示意

左元明、沈珠江通過(guò)對(duì)橫山壩殼砂礫料進(jìn)行浸水變形試驗(yàn)后認(rèn)為，“單線法”測(cè)定浸水后的軸向應(yīng)變和體應(yīng)變?cè)隽颗c“雙線法”干、飽和兩條曲線的差值是不同的?！皢尉€法”測(cè)定的軸向應(yīng)變?cè)隽枯^“雙線法”大，后者通常僅為前者的20%～77%；“單線法”測(cè)定的體積應(yīng)變?cè)隽枯^“雙線法”小，前者通常僅為后者的54%～100%。

鑒于“單線法”和“雙線法”測(cè)定量值差別較大，加之“雙線法”的試驗(yàn)應(yīng)力路徑和現(xiàn)場(chǎng)的濕化路徑不相符，本文研究采用“單線法”進(jìn)行浸水變形試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)成果

3.3.1 試驗(yàn)級(jí)配

設(shè)計(jì)方提供的壩殼料設(shè)計(jì)級(jí)配平均線見(jiàn)表1和圖3。

表1 初擬試驗(yàn)級(jí)配和試樣直徑

圖3 設(shè)計(jì)平均級(jí)配和初擬試驗(yàn)級(jí)配

根據(jù)設(shè)計(jì)平均級(jí)配，初擬采用大三軸進(jìn)行試驗(yàn)，其試樣尺寸為30cm×70cm，最大粒徑限制為6cm。為此，需要對(duì)原級(jí)配進(jìn)行縮制。把原級(jí)配縮制成試驗(yàn)級(jí)配最常用方法的有相似級(jí)配法和等量替代法。相似級(jí)配法保持了級(jí)配關(guān)系(不均勻系數(shù)不變)，細(xì)顆粒含量變大，但不應(yīng)影響原級(jí)配的力學(xué)性質(zhì)，一般來(lái)講，小于5mm顆粒含量不大于15%～30%；等量替代法具有保持粗顆粒的骨架作用及粗料的級(jí)配連續(xù)性和近似性等特點(diǎn)，適用超粒徑含量小于40%的堆石料。

根據(jù)上述方法，壩料的級(jí)配縮制方法(縮制后的試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)表1和圖3)簡(jiǎn)介如下。

新鮮砂巖：設(shè)計(jì)最大粒徑為500mm，超粒徑含量為58.70%，粒徑小于5mm的含量為15%，首先采用相似級(jí)配法(n=2)，然后采用等量替代法進(jìn)行縮制。

砂巖泥巖混合料：設(shè)計(jì)最大粒徑為500mm，超粒徑含量為47.70%，粒徑小于5mm的含量為20%，首先采用相似級(jí)配法(n=2)，然后采用等量替代法進(jìn)行縮制。

由于現(xiàn)場(chǎng)不具備壩料粉碎和篩分條件，運(yùn)至試驗(yàn)室的試驗(yàn)材料均為大塊巖石，由于砂巖和砂巖泥巖混合料均屬極軟巖—較軟巖，在壩料粉碎和制樣過(guò)程中，最大粒徑一般均小于2cm(見(jiàn)圖4)，故試樣直徑改為101mm，由此縮制后的級(jí)配見(jiàn)表2和圖3，試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖5。

表2 試驗(yàn)級(jí)配(最大粒徑2cm)

圖4 運(yùn)至試驗(yàn)室的壩殼料和制樣后的壩殼料

圖5 流變和濕化變形試驗(yàn)采用的中三軸儀

3.3.2 試驗(yàn)干密度

設(shè)計(jì)方提供的壩殼料設(shè)計(jì)干密度見(jiàn)表3。在試樣制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)新鮮砂巖，按該密度制備的試樣較為疏松，而對(duì)于砂巖泥巖混合料，制備樣的干密度又達(dá)不到設(shè)計(jì)干密度，室內(nèi)所能達(dá)到的最大干密度見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)干密度和室內(nèi)試樣最大干密度

本文研究針對(duì)新鮮砂巖和砂泥巖混合料分別開(kāi)展流變和濕化試驗(yàn)，流變?cè)嚇硬捎玫氖秋柡蜆?，制樣過(guò)程中可以加水；而濕化試驗(yàn)采用的是干樣，制樣過(guò)程中不能加水。因此，濕化變形試驗(yàn)制備樣的干密度較之流變?cè)嚇右?。最后采用的制樣干密度及其?duì)應(yīng)的含水量見(jiàn)表4。

表4 制樣干密度及對(duì)應(yīng)的含水量

4 流變變形試驗(yàn)

4.1 流變變形機(jī)理

黏性土和粗集料的粒徑、接觸形式和顆粒組成不同。其根本原因是土壤的土在主固結(jié)完成后，仍有較小的孔隙水壓力，通過(guò)粒子間的水流驅(qū)動(dòng)，水的流速很小，超孔隙水壓力小，無(wú)法衡量，因此容積率變化率和從毛孔流出土壤孔隙水，與土壤的厚度無(wú)關(guān)。因此，土壤蠕變速率可由室內(nèi)土壤樣品的測(cè)試估計(jì)。與粗粒土的自由排水相比，它沒(méi)有固結(jié)現(xiàn)象。它通常被稱為變形的變化，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生負(fù)載被稱為流變學(xué)，即粗顆粒料的流變是荷載作用上去后就發(fā)生的。

在荷載作用下粗粒料的破碎對(duì)流變過(guò)程的影響很大，在流變的初期階段這種影響尤其明顯，盡管這種影響是很難通過(guò)微觀分析進(jìn)行定量研究，但并不妨礙在宏觀上控制粗骨料流動(dòng)。粗集料的流變可以體現(xiàn)在宏觀層面：高接觸力和循環(huán)過(guò)程中破碎顆粒重新排列-應(yīng)力釋放、調(diào)整和轉(zhuǎn)移，在重復(fù)增量下體積變化逐漸降低，最后趨于相對(duì)靜止，其總的趨勢(shì)是非常明顯的，因此這個(gè)過(guò)程需要很長(zhǎng)的時(shí)間完成，直到不再破碎；在這個(gè)過(guò)程中，粗集料應(yīng)力基本上在顆粒重排過(guò)程中，慢慢靠近高密度、低孔隙率，因此這個(gè)階段的變形量較小而且比較平穩(wěn)，所需時(shí)間較長(zhǎng)。

粗晶材料流變?cè)囼?yàn)，因?yàn)闃颖敬笮『筒牧献畲蟪叽缦拗?，高接觸應(yīng)力循環(huán)力破碎顆粒重新排列-應(yīng)力釋放、快結(jié)束的調(diào)整和轉(zhuǎn)移，并為純顆粒重新排列的過(guò)程，也因?yàn)闃颖玖坑邢?，這種對(duì)變形過(guò)程純顆粒排列造成的難以衡量。因此，試驗(yàn)室中粗集料的流變特性具有快速穩(wěn)定的變形特征。

4.2 流變變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

流變穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：相鄰兩次(24h)讀數(shù)差/總流變量≤5%。

4.3 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

體積流變?chǔ)舦f與圍壓的關(guān)系見(jiàn)圖6，剪切流變?chǔ)胒與應(yīng)力水平的關(guān)系見(jiàn)圖7。表5給出了2種材料流變變形的最終軸向流變量εaf、體積流變量εvf及剪切流變量γf。

5 結(jié) 語(yǔ)

壩料濕化變形和流變除與其本身的物理力學(xué)特性有關(guān)外，還與應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。濕化與流變引起的廣義剪應(yīng)變主要與應(yīng)力水平有關(guān)，與圍壓的關(guān)系相對(duì)較小。流變引起的體積應(yīng)變與圍壓和應(yīng)力水平都有關(guān)，

圖6 砂巖泥巖混合料流變體積應(yīng)變與濕化剪切應(yīng)變

圖7 新鮮砂巖流變體積應(yīng)變與濕化剪切應(yīng)變

表5 流變變形試驗(yàn)結(jié)果

濕化引起的體積應(yīng)變則主要與圍壓有關(guān)，這主要是由于壩料濕化引起的收縮變形較大從而削弱了其剪脹性。

壩殼料體積流變較小，流變變形主要表現(xiàn)為剪切流變。由于在試樣制備過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生了顯著的顆粒破碎，在試樣剪切過(guò)程中顆粒破碎相對(duì)較小，故整體上壩殼料流變變形較小。

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Dam Shell Material Rheology and Wetting Deformation in Asphalt Concrete Core-Wall Rockfill Dam of Jinfeng Reservoir

ZHAO Yuehui

(MianyangJiachengConstructionCo.,Ltd.,Mianyang621000,China)

Jinfeng Reservoir retaining dam type belongs to an asphalt concrete core-wall rockfill dam. The maximum dam height is 88m. The dam is divided into an upstream ballast material zone, upstream transition material zone, asphalt concrete core-wall material zone, downstream transition material zone, downstream vertical drainage belt, downstream ballast material zone and horizontal drainage belt respectively from upstream area to downstream area. Since whole-section soft rock ～ very soft rock is adopted as the dam shell material, soft rock softening coefficient is low, wetting and rheological deformation are significant, if the deformation is too big, it maybe possibly causing too large deformation of the impervious system. Cracks are produced in the impervious system, thereby affecting the anti-seepage performance and safe operation of the project.

asphalt concrete; soft rock; rheology; wetting

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.011

TV641.4+1

A

1673-8241(2017)06- 0044- 06