黃石溝粘土心墻堆石壩軟巖壩殼料填筑碾壓試驗研究分析

柴巧玲，孟 鵬

（榆林市黃河?xùn)|線引水工程有限公司,陜西 榆林 719000）

0 引言

堆石壩最早出現(xiàn)于1850年的美國,到了20世紀60年代,隨著重型振平碾及薄層壓實技術(shù)的應(yīng)用,使堆石壩的應(yīng)用范圍更廣,壩殼料也從新鮮堅硬巖石到風化巖及軟巖慢慢過渡。但目前我國的大部分堆石壩均采用硬巖筑壩,軟巖用做壩殼填筑材料國內(nèi)也有不少成功的案例,比較有名的有小浪底、糯扎渡、雙江口等大壩,但是這幾座大壩的軟巖均采用分區(qū)布置,并沒有布置在主堆石區(qū)。

為提高堆石料的壓實效果,減少后期沉降量,一般應(yīng)適當加水,且國內(nèi)目前大部分堆石壩的壩殼料也是采取加水碾壓的方式施工的。關(guān)于堆石料填筑過程中是否加水碾壓,郭慶國[1]對小浪底水庫硬巖堆石料在是否加水及加水量值兩種情況下巖石質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特性等進行了研究分析,但至今國內(nèi)鮮有人針對軟巖堆石料是否加水及加水量值兩種情況下作出研究分析,因此本文針對此問題進行研究是非常有必要的。

1 工程概況

黃石溝沉沙調(diào)蓄水庫總庫容9870萬m3；水庫樞紐由大壩、溢洪道和放空洞組成,主要建筑物級別為2 級,次要建筑物為3級。

大壩為粘土心墻堆石壩,頂寬15.0 m,壩頂長度596.70 m,最大壩高97.5 m；大壩上游坡比1∶2.2,設(shè)一級馬道；下游坡比1∶1.8,設(shè)兩級馬道,馬道均寬3.0 m。心墻軸線在壩軸線上游3.0 m處,心墻頂寬8.0 m,底寬55.5 m,兩側(cè)坡比均為1∶0.25,心墻底部設(shè)0.5 m厚的混凝土蓋板；心墻上下游與堆石間依次設(shè)兩級反濾料及過渡料,水平寬度分別為3 m、3 m、5 m,其中下游堆石區(qū)采用部分開挖料。壩體上游采用60 cm厚的干砌石護坡,壩體下游采用12 cm厚的混凝土預(yù)制塊護坡。

本壩堆石料主要為砂巖、泥巖、泥質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖。據(jù)試驗成果,中細粒砂巖干密度2.14 g/cm3～2.34 g/cm3,平均值2.20 g/cm3；飽和抗壓強度19.00 MPa～28.35 MPa,平均值23.33 MPa；凍融質(zhì)量損失率0～0.08%,平均值0.04%,軟化系數(shù)0.15～0.52,平均值0.33。粉砂巖干密度2.18 g/cm3～2.45 g/cm3,平均值2.34 g/cm3；飽和抗壓強度20.10 MPa～45.35 MPa,平均值32.04 MPa；凍融質(zhì)量損失率小于1%,軟化系數(shù)0.31～0.52,平均值0.41。屬于軟巖筑壩。

2 堆石料加水原因

2.1 填筑加水的目的

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2020）的規(guī)定：“堆石料碾壓時宜加水,加水量宜通過碾壓試驗確定。對于軟化系數(shù)較高的硬巖堆石,應(yīng)通過碾壓試驗確定是否加水”。堆石料加水的主要作用,除在顆粒間起潤滑作用以便于壓實外,更重要的是軟化石塊接觸點,在施工期間造成石塊尖角和邊棱破壞,使堆石體更為密實,以減少壩體后期沉降量。

2.2 堆石料加水碾壓發(fā)展歷程

查閱《水利水電工程施工手冊》,書中對軟巖加水碾壓問題作以下描述：對于軟巖及風化巖石,其填筑含水量必須大于濕陷含水量,最好充分加水,但應(yīng)視其天然含水量及降水情況而定。如加水碾壓將引起泥化現(xiàn)象時,其加水量應(yīng)通過試驗確定。堆石加水量依其巖性、風化程度而異,一般約為填筑量的10%～25%。

郭慶國[1]總結(jié)了小浪底水庫硬巖堆石料在是否加水及加水量值兩種情況下巖石質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特性等進行了研究分析,認為小浪底壩上游壩殼堆石料為硅質(zhì)細砂巖,平均飽和抗壓強度為189 MPa,飽和吸水率平均值為0.185%,軟化系數(shù)0.83,為極硬巖。曾進行兩次加水與不加水的碾壓對比試驗,結(jié)果表明,堆石料在填筑中加水量50%左右,比不加水時干密度增加0.006%、0.013%,影響甚微。經(jīng)過綜合比較,采用不加水方法。

3 大壩堆石料碾壓試驗對比分析

根據(jù)設(shè)計單位提供的《大壩壩體填筑料現(xiàn)場碾壓試驗要求》,進行了一次不加水與兩次加水碾壓試驗,三次試驗選用的石料均為20 MPa～30 MPa軟巖。

依據(jù)《大壩壩體填筑料現(xiàn)場碾壓試驗要求》,填筑料質(zhì)量壓實指標見表1。

表1 填筑料設(shè)計壓實指標及技術(shù)參數(shù)

3.1 試驗內(nèi)容

三次試驗均在1#棄渣場渣頂高程1020 m平臺進行。每塊試驗場地尺寸約為40 m×40 m。碾壓設(shè)備選用26 t振動平碾,碾壓遍數(shù)為2遍靜碾+10遍振動碾,堆石料選定108 cm鋪料厚度,根據(jù)《大壩壩體填筑料現(xiàn)場碾壓試驗要求》,加水量選用5%、8%及11%三種進行對比試驗,其中第一次加水方式采用灑水車在對已鋪筑填筑料進行灑水,第二次利用“門型加水裝置”對每車石料進行均勻灑水,加至規(guī)定水量后停止。

按2 m×2 m的方格網(wǎng),測量各網(wǎng)點鋪料前、后及加水或不加水碾壓后高程,用試坑灌水法測各塊堆石壓實后密度,用篩分法測顆粒級配等資料,測試結(jié)果見表2。

表2 堆石料加水與不加水壓實變形碾壓對比試驗成果分析表

3.2 試驗成果對比分析

3.2.1 壓實變形方面比較

由表1可以看出,實測20個點,不加水試驗沉降變形值為7.9 cm。第二次試驗在壩面加水時,5%、8%、11%三種加水率情況下,沉降變形值分別為9 cm、9.8 cm、8.2 cm；第三次試驗在料車上加水時,5%、8%、11%三種加水率情況下,沉降變形值分別為8.5 cm、9 cm、9.3 cm。

試驗結(jié)果表明,加水對軟巖的壓實效果有明顯作用,更易壓實,加水后沉降變形值明顯增加,但并不是加水量越大,碾壓效果就會越好,適量的加水是可以起到積極作用,便于壓實,但是過量的加水并不能起到更好的作用。

3.2.2 設(shè)計指標方面比較

由表3 可以看出,加水后＜5 mm粒徑含量明顯增加,雖然孔隙率變化不大,但是滲透系數(shù)明顯降低,以致不滿足設(shè)計要求,因此加水后對軟巖壓實產(chǎn)生了較大影響。

表3 堆石料加水與不加水設(shè)計指標碾壓對比試驗成果分析表

從以上兩個分析表中我們可以看出：加水確實對軟巖的壓實效果起到明顯作用,更易壓實。但是在壩面上加水或者是料車上加水,級配組成、滲透系數(shù)及孔隙率變化均不大,說明軟巖對是否加水有一定敏感,但是加過量水容易造成浪費,并未起到明顯作用；當在料車上加水時,由于損耗嚴重、不易控制,且容易造成環(huán)境污染,無法準確計算出加水量值,因此參考意義不大。

4 結(jié)語

綜上所述,我們對粘土心墻堆石壩壩殼料加水碾壓上有些片面的認識,尤其要區(qū)分硬巖和軟巖。具體觀點如下：

1）針對硬巖,堆石料加水可以在顆粒間起潤滑作用,便于壓實外,能減少壩體后期沉降量。但是軟巖本身容易壓實,尤其是介于20 MPa～30 MPa的砂巖,軟化系數(shù)僅為0.15～0.52,在26 t碾壓設(shè)備2遍靜碾+10遍振動碾時,孔隙率、滲透系數(shù)、級配組成等指標值均滿足設(shè)計要求,加水后,由于軟化了接觸點,所以壓實更密,造成＜5 mm粒徑含量級配及滲透系數(shù)反而不滿足設(shè)計要求。

2）對于軟巖,在壩面加水,推平的過程中,由于部分巖石已被壓碎,水很難滲入到下層；在料車加水時,當加水量超過一定限度后,超過限度的部分水并未起作用,而是白白地滲流掉了,且滲入比較及時,但是滲漏嚴重,能軟化巖石接觸面,因此料車加水比壩面加水更易碾壓,碾壓后滲透系數(shù)更小,但漏損嚴重不經(jīng)濟,且污染環(huán)境,建議采用壩面加水會更容易控制加水量。

3）堅硬巖石的開挖料,新鮮,堅硬,強度高,透水性強,碾壓和浸水對顆粒性質(zhì)基本不變,不需加水填筑。軟弱巖石的開挖料,壓實中顆粒破碎,浸水后軟化崩解,性質(zhì)變異,需加水填筑。凡是吸水率＞2%、軟化系數(shù)＜0.7～0.8,飽和無側(cè)限抗壓強度＜30 MPa的巖石,屬軟弱巖石類,抗壓強度低,開采中及壓實后細顆粒多,透水性低,顆粒易碎,受水的影響較為敏感,故填筑中應(yīng)考慮加水,尤其是軟化系數(shù)＜0.1～0.6的軟巖,更重視加水問題,其加水量宜通過軟巖筑壩專題試驗報告確定。

鑒于此,對于軟巖筑壩的堆石壩,由于軟巖有遇水軟化、崩解、失水干裂的特性,填筑中經(jīng)機械碾壓顆粒有被壓碎的特點等,皆使顆粒由大變小,由粗變細,由強透水性變?yōu)槿跬杆?顆粒組成和物理力學(xué)性質(zhì)皆發(fā)生變化,它既沒有堅固性、穩(wěn)定性,更沒有耐久性,因此在碾壓過程中應(yīng)充分考慮加水問題,而且最好在壩面通過灑水車灑水的方式進行,加水以潤濕石料為原則,減少內(nèi)摩擦角,以達到最大壓實度,減少后期沉降量,如果通過碾壓試驗?zāi)茏屍鋰姙⑺畯姸扰c滲透強度相同,則碾壓效果最好,從而保證大壩穩(wěn)定運行。