粘土有反濾保護層的滲透變形試驗研究

段 飛 翦 波

摘 要:溧陽抽水蓄能電站可研階段選定上水庫庫底采用粘土加土工膜防滲方案,根據(jù)可研審查意見取消土工膜的可行性,粘土的滲透性和粘土有反濾保護層的滲透變形特性在設(shè)計要求中占有重要的位置,對粘土料進一步開展的系列滲透變形試驗。粘土有保護層時水流方向從上向下取得滲透系數(shù)、臨界坡降、破壞坡降均大于水流方向從下向上試驗值的趨勢,水流方向從上向下更接近實際筑壩情況及其中的水流流態(tài)。

關(guān)鍵詞:粘土;滲透變形;試驗

中圖分類號:TU411.4 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0047-02

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,最大壩高165.0 m(壩軸線處);2座副壩分處水庫南北埡口處,均為鋼筋混凝土面板堆石壩,最大壩高分別為25.00 m和33.0 m;上水庫采用大壩和庫岸鋼筋混凝土面板防滲、庫底采用石渣回填后粘土加土工膜復(fù)合防滲。

1反濾料及粘土的基本性質(zhì)

粘土土工膜組合方案見圖1。反濾料必須滿足四個基本標準:①滯留準則:濾層中的最大孔隙應(yīng)小于土的較大顆粒,以使土得以保持,防止土顆粒大量移動;亦即發(fā)生管涌;②滲透性標準:應(yīng)保持充分的水流通過濾層,在其設(shè)計年限不得有明顯的水流阻滯;③抗淤堵標準:濾層中的大多數(shù)孔洞應(yīng)大到足以讓較小的顆粒通過濾層,以免濾層“淤堵”;④耐久性標準:濾層必須堅強耐用,足以在使用期限內(nèi)受得住裝配作業(yè)和情況變化。綜合以上基本標準,第一層反濾料的平均顆粒級配見表1,密度控制為2.15 g/cm3;粘土料的物理性質(zhì)成果見表2。

2粘土滲透變形及有反濾料對粘土滲透穩(wěn)定的影響

文章主要介紹室內(nèi)粘土的滲透變形及粘土與反濾料的聯(lián)合抗?jié)B坡降試驗研究成果。

2.1試驗儀器及方法

粘土試樣厚度為15.0 cm,分3層逐級裝樣(控制密度為擊實狀態(tài)下的最大干密度),反濾層試樣厚度為20.0 cm,分2層逐級裝樣(控制密度為2.15 g/cm3)。

水流方向自上而下:試樣直徑為φ22.5 cm,高度為50.0 cm,裝樣時反濾層在下,其上裝粘土料;

水流方向自下而上:試樣直徑為φ29.5 cm,高度為74.0 cm,裝樣時粘土料在下,其上裝反濾層。

試樣飽和程度對滲透試驗成果有直接影響。裝好試樣后,采用充分曝氣后的水供水,調(diào)整供水箱水位略高于試樣底面位置,再緩慢提升水箱至一定高度,待試樣中水位與水箱水位相等,并穩(wěn)定一段時間后,再提升水箱水位。隨著水箱水位上升,水由儀器底部向上滲入,使試樣緩慢飽和,以完全排除試樣中的空氣。

試樣充分飽和后開始試驗,提升供水箱,使供水箱的水面高出滲透儀的溢水口,保持常水頭差,形成初始滲透坡降,并按試驗規(guī)程要求逐步提高滲透比降,密切觀察水流渾濁程度和出水室中有無試樣顆粒沉淀,在每一級水頭壓力下,當連續(xù)3次測得的滲水量和測壓管數(shù)值穩(wěn)定,在觀察無異常的情況下進行下一級水頭。試驗過程中,當試樣中的細粒在滲透力作用下由靜態(tài)轉(zhuǎn)為運動時,說明土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,試樣滲透流速會相應(yīng)發(fā)生突變,分析該比降下的異常情況,綜合評價以確定臨界比降;當出現(xiàn)極渾濁水流、下游面崩塌或者隆起時,表明顆粒大量流失,且土體結(jié)構(gòu)徹底破壞,該試驗比降即為破壞比降。

2.2試驗成果分析

粘土料無反濾層保護與有反濾層保護作用下的抗?jié)B坡降試驗成果見表3。

注:試樣TK2-1-1反濾層上未施壓垂直荷載,試驗破壞時整個試樣浮起,考慮實際工程情況粘土在反濾層之下,水流方向從上而下,故試樣TK5-1反濾層上施壓15.3kg垂直荷載,試驗破壞時整個試樣仍然浮起,為防止試驗破壞時試樣浮起,對試樣TK2-1-2和TK4-2反濾層上控制了垂直位移。

在雙對數(shù)坐標下畫出試驗中測定的水流流速和試驗比降關(guān)系圖,稱為JV曲線圖。粘土無反濾層保護情況下的滲透坡降與滲透流速關(guān)系曲線見圖2;粘土有反濾層保護情況下的滲透坡降與滲透流速關(guān)系曲線見圖3。

可見滲透變形發(fā)生前,JV曲線為一條直線,將該直線延伸至與J=1的水平線相交,交點對應(yīng)的流速V就是滲透變形發(fā)生前的滲透系數(shù)值。當曲線開始向右偏轉(zhuǎn)時,滲透系數(shù)增大,說明試樣發(fā)生了滲透變形。當然,滲透變形臨界比降還要密切結(jié)合試驗過程中觀察到得試驗現(xiàn)象進行判定。當觀察到試樣中部表面抬升時,伴隨有細顆粒的帶出,判斷此時的試樣已經(jīng)產(chǎn)生了滲透破壞。

試驗成果表明,粘土料無反濾層保護的情況下臨界坡降在2.5～9.4之間,破壞坡降在9.0～18.2之間;而有反濾層保護的情況下臨界坡降可達到10.36～17.65之間,破壞坡降可達到18.15～64.70之間;有無反濾層對粘土的滲透系數(shù)影響不大,破壞形式不變。

3結(jié) 語

通過室內(nèi)的粘土滲透變形試驗及粘土與反濾料的聯(lián)合抗?jié)B坡降試驗得出如下初步結(jié)論:粘土在有反濾層保護的作用下,無論水流方向從上而下,還是從下而上,粘土的抗?jié)B坡降均有提高,滲透系數(shù)基本不變或呈很小的變化,破壞形式試驗觀測不變。若有反濾層保護,抗?jié)B強度至少可提高2倍以上,這充分地體現(xiàn)了反濾在滲流控制中的重要地位。

參考文獻:

[1] 張家發(fā),楊啟貴,熊澤斌,等.水布埡面板堆石壩滲流場分析和分區(qū)材料允許比降設(shè)計指標研究[J].長江科學院院報,2008,(6):71-76.

[2] 朱家啟,劉路平,涂傳林,等.湖北清水江水布埡水電站混凝土面板堆石壩筑壩材料工程特性研究[R].武漢:電力工業(yè)部中南勘測設(shè)計研究院,1998.

[3] SL-237-1999,土工試驗規(guī)程[S].