西域礫巖在筑壩技術(shù)上的應(yīng)用

楊 武，余華英

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 基本情況

西域礫巖屬第四系地層，廣泛分布于新疆塔里木盆地周邊、天山南麓和昆侖山北麓山前地帶，其性質(zhì)介于巖石與土之間。國(guó)內(nèi)外對(duì)西域礫巖的研究很少且不深入。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)性能極差，抗壓強(qiáng)度低、軟化系數(shù)小、顆粒級(jí)配較細(xì)、含泥量高，一般不滿足堆石料設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，因而不得不大量廢棄，而另辟料場(chǎng)，由此造成工程造價(jià)的提高，并給生態(tài)與環(huán)境保護(hù)帶來(lái)負(fù)面影響?，F(xiàn)有的技術(shù)手段和規(guī)程、規(guī)范不完全適用于在西域礫巖地區(qū)修建的水利工程，西域礫巖成為制約工程建設(shè)和運(yùn)行安全的技術(shù)難題。

通過(guò)對(duì)各類西域礫巖開挖料的物理力學(xué)性質(zhì)，包括西域礫巖特性、分類，分析粒徑和膠結(jié)物含量、成分變化時(shí)西域礫巖的滲透規(guī)律，以及西域礫巖筑壩長(zhǎng)期“濕化”變形特征等關(guān)鍵技術(shù)和施工方法，探討礫石含量和膠結(jié)性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，抗剪、抗壓、變形等工程物理力學(xué)的強(qiáng)度指標(biāo)值及滲透性、崩解性與膨脹性的變化規(guī)律，提出一套技術(shù)成果首次作為筑壩材料大面積在新疆迪那河五一水庫(kù)工程中得到應(yīng)用。

2 迪那河五一水庫(kù)工程概況

工程區(qū)位于天山南麓的塔里木盆地北部邊緣，由剝蝕、侵蝕中低山地貌向出山口的沖洪積堆積地貌過(guò)渡，出露地層主要有第三系和第四系地層，其中第四系下更新統(tǒng)西域礫巖(Q1)，呈厚層狀構(gòu)造，礫狀結(jié)構(gòu)，泥砂質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)或半膠結(jié)，巖體較完整。五一水庫(kù)為Ⅲ等中型工程，總庫(kù)容0.968億m3，地震基本烈度為8度。樞紐工程由碾壓式瀝青心墻壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及供水管線等組成。泄洪和發(fā)電引水系統(tǒng)均布置在左岸。

碾壓式瀝青混凝土心墻壩壩高102.5m，壩頂總長(zhǎng)394.4m，壩頂寬度10m，上游壩坡1∶2.5，下游邊坡1∶2.0，下游壩坡在1315.0m、1350.0m高程處各設(shè)一條2m寬的馬道。壩體斷面以瀝青混凝土防滲體為中心，由幾種滲透系數(shù)從小到大的不同筑壩材料組成，主要包括防滲體、上下游過(guò)渡料、砂礫料區(qū)、開挖料利用區(qū)。

3 壩料分析

工程區(qū)勘查的砂礫料料場(chǎng)有C1、C2、C3、C4料場(chǎng)，巖性為第四系上更新統(tǒng)沖積砂礫石，成分為花崗巖，凝灰?guī)r、粉砂巖，距離壩址0.3～2.0km，儲(chǔ)量607.5萬(wàn)m3。C1料場(chǎng)粒徑≥200mm含量2.74%；200～60mm含量17.65%；60～20mm含量31.94%；20～5mm含量23.71%；≤5mm含量23.97%，不均勻系數(shù)為37.2～109.6，曲率系數(shù)為3.12～6.34。壩殼料填筑設(shè)計(jì)時(shí)主要采用C1砂礫料填筑。

五一水庫(kù)工程自2009年3月開工建設(shè)，截至2014年3月，工程礫巖開挖利用料堆積于壩線及壩線下游東側(cè)階地平臺(tái)L1區(qū)、L2區(qū)兩個(gè)料堆，距壩線直線距離100～600m，儲(chǔ)量約有300萬(wàn)m3左右。礫巖經(jīng)爆破均成松散砂礫石狀，其性質(zhì)與C1砂礫料料場(chǎng)相似。為了減少對(duì)環(huán)境的影響，盡可能的多采用利用料，開展了西域礫巖筑壩技術(shù)的研究。

2010年4月設(shè)計(jì)單位赴工地現(xiàn)場(chǎng)在開挖利用料堆積區(qū)取樣13組、導(dǎo)流洞出口取開挖料2組進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明。開挖料粒徑≥60mm含量16.72%；60～20mm含量32.42%；20～5mm含量25.83%；≤5mm含量25.95%，不均勻系數(shù)為49.0～122.7，曲率系數(shù)為3.01～8.64。滲透系數(shù)8.6×10-2～9.1×10-3cm/s，含泥量4.1～8.7%。

2014年1月進(jìn)一步在兩個(gè)利用料的堆放區(qū)L1區(qū)、L2區(qū)各取具有代表性14組料，在已填筑圍堰上取4組料，分別進(jìn)行了顆粒級(jí)配組成、含泥量、滲透系數(shù)、化學(xué)成分、膠結(jié)成分、大型壓縮、碾壓前后顆粒級(jí)配變化等試驗(yàn)，并委托大連理工大學(xué)進(jìn)行壩體計(jì)算分析。

(1)通過(guò)以上利用料試驗(yàn)表明：工程西域礫巖開挖利用料與C1砂礫石料場(chǎng)的母巖成分相似，顆粒級(jí)配、含泥量、滲透系數(shù)、物理力學(xué)性質(zhì)均相差不大，碾壓前后的顆粒級(jí)配、物理力學(xué)性質(zhì)也變化不大，兩個(gè)料場(chǎng)均能滿足壩殼填筑砂礫料的質(zhì)量技術(shù)要求。

(2)從大連理工大學(xué)進(jìn)行的壩料靜力試驗(yàn)結(jié)果表明：

①考慮了上游堆石體的濕化變形效應(yīng)，滿蓄期壩體沉降最大為37.0cm，最大值位于壩體上游區(qū)域。大壩順河向向上游變形的最大值為7.3cm，向下游變形的最大值為4.6cm。由于大壩河谷非常狹窄，兩岸的約束作用明顯，滿蓄后大壩最大沉降僅為壩高的0.36%。

滿蓄期壩體主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩底中軸線附近，壩體大、小主應(yīng)力最大值分別為1.28MPa和0.69MPa。計(jì)算結(jié)果合乎堆石壩的應(yīng)力變形規(guī)律。

②滿蓄期，考慮水壓力、浮托力和濕化變形的聯(lián)合作用，心墻的順河向位移為6.0cm(向上游變形)，豎向沉降為32.0cm。心墻大主應(yīng)力最大值為1.05MPa；小主應(yīng)力最大值為0.75MPa。

滿蓄期，心墻大部分區(qū)域應(yīng)力水平小于0.40，僅河床底部以及與兩岸山體連接部分的應(yīng)力水平達(dá)到0.5左右。說(shuō)明心墻應(yīng)力水平不高，心墻不會(huì)發(fā)生破壞。

③正常運(yùn)行遭遇地震的工況下，上、下游壩坡整體穩(wěn)定性具有一定的安全裕度。

綜合以上研究成果，五一水庫(kù)西域礫巖開挖利用料與C1砂礫石料場(chǎng)物理力學(xué)性能指標(biāo)、碾壓前后的顆粒級(jí)配組成相差不大，濕化變形不大，滿足壩體填筑的要求，采用西域礫巖填壩是可行的。

4 西域礫巖筑壩施工要求

(1)西域礫巖巖石開挖料，按棄碴料和可利用料分別堆放，可利用的西域礫巖開挖料要求將表層坡積土、覆蓋層剝離至可用層為止，嚴(yán)禁在可利用料內(nèi)混雜廢渣料。西域礫巖開挖料中，泥質(zhì)膠結(jié)含量較高的巖石開挖料不宜填壩，混雜坡積土的利用料不允許填筑壩體。

(2)根據(jù)壩體功能及分區(qū)，開挖利用料要求設(shè)計(jì)相對(duì)密度Dr≥0.85，小于0.075mm含量不宜大于8%。滲透系數(shù)大于1×10-3cm/s，壓實(shí)后的容重大于2.0g/cm3。

(3)西域礫巖開挖堆積料，因人工拉運(yùn)、傾倒、推碾，造成礫石在垂直方向上具有一定的分選性：靠上部礫石粒徑一般2～5cm，靠中部礫石粒徑相對(duì)較大，一般3～6cm，靠下部尤其是自坡腳向上2.5m左右，礫石粒徑5～8cm含量明顯增大，由于礫巖開挖堆積料是分期分段逐步堆積推壓而成，造成礫巖開挖堆積料在水平方向上也具有一定的不均一性。

(4)根據(jù)要求的級(jí)配，進(jìn)行相應(yīng)的級(jí)配試驗(yàn)，嚴(yán)格控制利用料的料質(zhì)和顆粒級(jí)配，進(jìn)行鋪料方式、鋪料厚度、振動(dòng)碾的類型及重量、碾壓遍數(shù)、鋪料過(guò)程中的加水量、壓實(shí)層的相對(duì)密度和干容重等試驗(yàn)。為了減少壩料分離，宜采用立面開采取料，或采取其他措施保持利用料的均一性和連續(xù)級(jí)配，卸料和鋪料后，檢查顆粒分離狀況及級(jí)配曲線，如發(fā)現(xiàn)顆粒分離情況，應(yīng)分析原因，提出改善措施，保證利用料的均勻性。

(5)優(yōu)先使用質(zhì)量性質(zhì)較好的利用料片區(qū)，剔除含泥量較大、開挖堆積料分離嚴(yán)重的片區(qū)。開采過(guò)程中遇有比較集中的軟弱顆粒，應(yīng)按棄料處理。

(6)應(yīng)采取措施防止顆粒分離，卸料高度應(yīng)加以限制，不允許從高坡向下卸料。

5 西域礫巖筑壩在各工程中的應(yīng)用

通過(guò)以上試驗(yàn)研究和計(jì)算，表明西域礫巖開挖料可大量用于壩體填筑，五一水庫(kù)工程壩體砂礫料填筑量為120萬(wàn)m3，利用西域礫巖筑壩的方量為60.8萬(wàn)m3，占?jí)误w填筑量的50.7%。目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大壩性狀良好。

小石峽水電站位于新疆阿克蘇地區(qū)庫(kù)瑪拉克河上，基巖巖性為第四系下更新統(tǒng)泥鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖夾少量砂巖。根據(jù)五一水庫(kù)的研究成果，盡量利用工程區(qū)的礫巖開挖料。壩體砂礫料填筑量為145萬(wàn)m3，利用礫巖筑壩的方量約為50萬(wàn)m3。

奴爾水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)策勒縣奴爾河中下游河段，基巖為第四系下更新統(tǒng)西域礫巖，建筑物開挖的西域礫巖大部分用于了壩體填筑，西域礫巖開挖料的用量達(dá)38萬(wàn)m3。

另外，西域礫巖開挖料筑壩還在新疆恰木薩水電站、莫莫克水庫(kù)等得到廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

西域礫巖廣泛分布于新疆塔里木盆地周邊、天山南麓和昆侖山北麓山前地帶，其性質(zhì)介于巖石與土之間。通過(guò)對(duì)西域礫巖的研究，工程區(qū)西域礫巖開挖料均可作為壩殼料。利用開挖料，具有就地、就近取材，減少棄料，少占或不占農(nóng)田等優(yōu)點(diǎn)，按壓實(shí)后的級(jí)配確定材料的物理力學(xué)指標(biāo)，并應(yīng)考慮浸水后抗剪強(qiáng)度的降低、壓縮性增加等不利情況，對(duì)軟化系數(shù)低的宜填筑在下游壩殼干燥區(qū)，水下部位和上游壩殼水位變動(dòng)區(qū)應(yīng)采用性能好的西域礫巖填筑。

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