礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用

礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用余挺中國(guó)水電顧問集團(tuán)公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院yuting800@摘要：高土質(zhì)心墻堆石壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢(shì)，通過對(duì)近年來(lái)中國(guó)四川省境內(nèi)的一些高礫質(zhì)土心墻堆石壩工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提出了關(guān)于礫質(zhì)土的質(zhì)量改進(jìn)措施、礫質(zhì)土防滲料的反濾設(shè)計(jì)和礫質(zhì)土試驗(yàn)中的擊實(shí)功能等問題的一些認(rèn)識(shí)觀點(diǎn)。關(guān)鍵詞：礫質(zhì)土；高土石壩；剔除粗顆粒；反濾設(shè)計(jì)；擊實(shí)功能前言近幾十年來(lái)，土質(zhì)心墻堆石壩已逐步成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一，據(jù)90年代初統(tǒng)計(jì)，世界上已建和在建的230m以上的高壩中，土質(zhì)心墻堆石壩約占55.5%。中國(guó)自90年代以來(lái)，高土質(zhì)心墻堆石壩的發(fā)展速度有所加快。最近幾年，在中國(guó)四川省境內(nèi)規(guī)劃的一些大、中型河流的“龍頭”水庫(kù)工程普遍具有壩高（大于100m，有的甚至達(dá)300m量級(jí)）、河床覆蓋層深厚和工程區(qū)附近可獲得天然防滲土料等特點(diǎn)，因此土質(zhì)心墻堆石壩是這些工程主要研究壩型之一。在土質(zhì)心墻堆石壩的設(shè)計(jì)中，防滲土料的選擇與設(shè)計(jì)致關(guān)重要，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，高壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢(shì)，世界上已建和在建的200m以上的高土質(zhì)心墻堆石壩中，基本上是以礫質(zhì)土作為心墻防滲料；中國(guó)近年來(lái)已開工和設(shè)計(jì)中的高土質(zhì)心墻堆石壩也大多如此，僅在四川省境內(nèi)就有施工中的瀑布溝、磽磧、水牛家和設(shè)計(jì)中的獅子坪等，本文將就礫質(zhì)土在這些工程中的應(yīng)用情況與研究成果進(jìn)行介紹。2．礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用一般而言，與純粘性土料比較，礫質(zhì)土除能滿足防滲要求外，還有如下特點(diǎn)：（1）變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼料變形較為協(xié)調(diào)，可避免或減輕因拱效應(yīng)而引起的心墻開裂和水力劈裂等問題；（2）萬(wàn)一心墻出現(xiàn)裂縫，縫壁粗顆粒將限制裂縫的沖刷和擴(kuò)大，有利于裂縫的自愈；（3）對(duì)填筑含水量較不敏感，便于施工；（4）有較高的承載能力，便于重型施工機(jī)具的運(yùn)作。通過對(duì)表1所列的幾個(gè)高礫質(zhì)土心墻堆石壩的研究，對(duì)礫質(zhì)土的工程特性、其用作高土石壩防滲土料的適應(yīng)性以及土料設(shè)計(jì)等方面有了更深入的認(rèn)識(shí)。2．1礫質(zhì)土的質(zhì)量改進(jìn)措施根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，礫質(zhì)土中粒徑小于5mm顆粒含量在50%左右、小于0.1mm顆粒含量在20%左右較為合適，但有的天然級(jí)配礫質(zhì)土存在細(xì)粒含量偏少、防滲與抗?jié)B性能不能完全滿足要求的缺點(diǎn)，而有的天然級(jí)配礫質(zhì)土又存在細(xì)粒含量偏多、強(qiáng)度不能滿足高壩要求的問題，對(duì)這些礫質(zhì)土都必須采取工程措施進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)。本文擇重對(duì)前一種礫質(zhì)土的質(zhì)量改進(jìn)措施進(jìn)行介紹。表1部分工程礫質(zhì)土防滲料特性表工程名稱特性錦屏一級(jí)瀑布溝獅子坪磽磧水牛家設(shè)計(jì)階段壩型比較施工可行性研究施工施工壩高（m）295186136123110土料場(chǎng)名稱洼里Ⅵ區(qū)黑馬Ⅰ區(qū)長(zhǎng)河壩咔日村水牛家B區(qū)土料成因坡積洪積冰磧冰緣凍融坡殘積顆分主要指標(biāo)（%）<5mm54.3048.1933.6246.6868.09<0.1mm36.1019.0015.6419.6248.11<0.005mm12.704.405.3610.649.99主要力學(xué)指標(biāo)ρd（g/cm3）1.942.02C(MPa)0.020.020.050.030.05Φ(o)20.1832.9036.0024.5023.60k203.56×10-74.40×10-54.83×10-63.68×10-72.78×10-7ik6.960.961.754.597.56if12.564.044.759.8613.42土料質(zhì)量改進(jìn)措施和結(jié)果措施/剔除>80mm顆粒剔除>60mm顆粒//<5mm49.7642.33<0.1mm21.7719.69<0.005mm5.506.74k207×10-62.8×10-7ik2.6～3.14.75if8.3～11.512.832．1．1瀑布溝工程瀑布溝工程在初步設(shè)計(jì)階段，通過大量的室內(nèi)外試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定了對(duì)于黑馬Ⅰ區(qū)洪積亞區(qū)土料的質(zhì)量改進(jìn)措施，即采用格柵篩除法剔除土料中大于80mm的粗料，土料剔除前后的主要試驗(yàn)成果見表1。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土料剔除效果好，級(jí)配得以改善，符合工程界對(duì)防滲料級(jí)配分布的一般要求，土料分類由剔除前的GP變?yōu)樘蕹蟮腉C，其性質(zhì)由石質(zhì)材料向土質(zhì)材料轉(zhuǎn)化，力學(xué)指標(biāo)能滿足高壩防滲材料的要求。工程開工后，為擴(kuò)大防滲土料的料源，對(duì)黑馬0區(qū)土料又進(jìn)行了剔除法質(zhì)量改進(jìn)措施的研究，由于黑馬0區(qū)土料較Ⅰ區(qū)粗粒含量更高，因此分別研究了剔除80mm和60mm以上粗顆粒的方案，土料剔除前后的主要試驗(yàn)成果見表2。試驗(yàn)成果表明，剔除60mm后的土料無(wú)論是顆粒級(jí)配還是滲透指標(biāo)均優(yōu)于剔除80mm后的土料，同時(shí)也易于施工質(zhì)量控制，因此最終確定采用剔除60mm方案。表2瀑布溝工程黑馬0區(qū)土料剔除粗顆粒試驗(yàn)成果表土料狀況特性天然級(jí)配料剔除80mm后剔除60mm后顆分主要指標(biāo)（%）<5mm37.1145.3249.94<0.075mm12.8515.7317.29<0.005mm2.332.883.15主要力學(xué)指標(biāo)ρd（g/cm3）2.342.352.35C(MPa)0.0250.050.06Φ(o)38.2235.0038.65k201.2×10-44.18×10-61.3×10-6ik0.88if3.994.195.302．1．2獅子坪工程獅子坪工程長(zhǎng)河壩料場(chǎng)土料天然級(jí)配顆粒偏粗，按一般工程經(jīng)驗(yàn)不能直接用作高壩防滲土料，但通過大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其擊實(shí)后的滲透系數(shù)都在10-6量級(jí)，分析其原因，可能與土料粗細(xì)顆粒搭配合適，土料中粘粒含量并不算低，在<5mm顆粒中含量達(dá)到了16%等因素有關(guān)。此外，該料場(chǎng)土料分布較為均一，顆粒級(jí)配的上、下包絡(luò)線之間變幅較?。ㄒ妶D1）。為進(jìn)一步了解土料特性，通過試驗(yàn)繪制了土料ρdmax～P5～ωop關(guān)系曲線，如圖2所示。當(dāng)P5大于40％時(shí),小于5mm粒徑的細(xì)料壓實(shí)干密度開始降低，說明粗粒含量第一特征點(diǎn)為P5Ⅰ=40％；當(dāng)P5=70％時(shí)，全料干密度達(dá)到最大值，但粗粒含量在P5=50％～P5=70％的增加過程中，全料干密度增幅減緩；當(dāng)P5=60％時(shí)，細(xì)料壓實(shí)干密度比P5=0％的壓實(shí)干密度降低10％；土體中細(xì)顆粒料不能充分填充粗料骨架孔隙出現(xiàn)架空，說明粗粒含量第二特征點(diǎn)為P5Ⅱ=60％。由于天然級(jí)配土料P5=66.38％，結(jié)合土料抗?jié)B指標(biāo)偏低的問題，決定對(duì)土料進(jìn)行剔除60mm以上粗顆粒的處理，剔除后土料P5=57.67％，防滲和抗?jié)B指標(biāo)有了明顯地提高（見表1）。為進(jìn)一步驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)成果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性篩分試驗(yàn)，采用SZ2振動(dòng)篩剔除土料中大于60mm的粗料。試驗(yàn)表明篩分效果良好，剔除料中附帶的粉、粘粒僅占大于60mm顆粒的極少部分，消除了試驗(yàn)前對(duì)此問題的擔(dān)心，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)礫質(zhì)土過篩含水量對(duì)篩分效果影響不大，說明采用剔除法調(diào)整礫質(zhì)土級(jí)配、改善其性能是行之有效的措施。2．2礫質(zhì)土防滲料的反濾設(shè)計(jì)礫質(zhì)土的不均勻系數(shù)一般較大，反濾設(shè)計(jì)應(yīng)以保護(hù)土料中的細(xì)顆粒為主要對(duì)象，一般為2mm以下顆粒。反濾料可采用天然砂礫石、人工砂石料或二者的混合料，從表3所列工程的試驗(yàn)成果可見，對(duì)于礫質(zhì)土防滲料的反濾料設(shè)計(jì)，除應(yīng)滿足規(guī)范的規(guī)定外，反濾料的最大粒徑宜控制在40mm以下，同時(shí)平均粒徑宜在1～3mm左右。通過合理的反濾設(shè)計(jì)，礫質(zhì)土在反濾料保護(hù)下的抗?jié)B比降可較無(wú)反濾時(shí)提高十倍左右。表3部分工程礫質(zhì)土防滲料反濾設(shè)計(jì)情況表工程名稱特性瀑布溝獅子坪磽磧水牛家反濾料來(lái)源人工砂石料人工砂石料混合料天然砂礫石反濾料控制粒徑(mm)Dmax204040D50321D150.70.470.22反濾保護(hù)效果ik16.4422.5055.727.73if100>139>157>100.292．3礫質(zhì)土防滲料試驗(yàn)中的擊實(shí)功能由表4可見，加大土料的擊實(shí)功能可提高其壓實(shí)密度，其力學(xué)指標(biāo)也相應(yīng)提高。對(duì)于礫質(zhì)土而言，其特點(diǎn)是強(qiáng)度較高而防滲與抗?jié)B性能不理想甚至不滿足要求，因此通過加大擊實(shí)功能提高其防滲與抗?jié)B性能很有必要。而另一方面，為提高大壩的填筑強(qiáng)度以縮短其工期，近年來(lái)一些新型大功率的碾壓設(shè)備不斷地投入施工，一些高土石壩工程經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)功能（Ec＝604kJ/m3）試驗(yàn)確定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，往往導(dǎo)致施工時(shí)壓實(shí)系數(shù)大于100%，，因此在高礫質(zhì)土心墻堆石壩的設(shè)計(jì)中，采用修正普氏擊實(shí)功能（Ec＝2740kJ/m3）研究土料的特性并確定其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)往往是必要的。表4不同擊實(shí)功能對(duì)礫質(zhì)土特性的影響情況表工程名稱特性錦屏一級(jí)（洼里Ⅴ區(qū)）獅子坪（長(zhǎng)河壩）水牛家（水牛家B區(qū)）擊實(shí)功能（kJ/m3）604274060427406042740ρd（g/cm3）2.041.862.02C(MPa)0.0350.040.040.080.050.05Φ(o)25.430.028.033.020.623.6k201.5×10-63.3×10-71.5×10-62.8×10-72.8×10-7ik3.004.757.56if12.4>13.357.0012.8313.423．結(jié)語(yǔ)（1）工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，土質(zhì)心墻堆石壩已逐步成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一，而高土質(zhì)心墻堆石壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢(shì)，