混凝土面板堆石壩填筑料試驗(yàn)分析與應(yīng)用

宋春娟 劉淑晶 高 崇

（吉林市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 132013）

1 問(wèn)題的提出

楚松水庫(kù)位于西藏日喀則地區(qū)白朗縣汪丹鄉(xiāng)南 7km，年楚河二級(jí)支流嘎雄曲河上，海拔高程4190.4m，是以灌溉、供水和發(fā)電為主的公益性水利工程項(xiàng)目。水庫(kù)樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、溢洪道、輸水隧洞及電站組成。

鋼筋混凝土面板堆石壩最大壩高39.67m，壩長(zhǎng)312m，總庫(kù)容1460萬(wàn)m3。

楚松水庫(kù)在做壩體填筑料設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)各種物料的實(shí)地勘察，壩址區(qū)附近硬巖堆石料比較缺乏，儲(chǔ)量及質(zhì)量不能滿足筑壩所需。該地區(qū)符合設(shè)計(jì)要求的硬巖堆石筑壩料料場(chǎng)位置較遠(yuǎn)，故設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工程區(qū)附近料源情況，選取附近河床天然砂礫石料。通過(guò)土工試驗(yàn)，論證砂礫石填料是否能滿足主堆石區(qū)的填筑要求，通過(guò)比選，為設(shè)計(jì)提供經(jīng)濟(jì)合理的料源。

2 混凝土面板堆石壩填筑料試驗(yàn)

2.1 堆石壩填筑料來(lái)源

經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察，填筑料選用工程區(qū)附近楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)河床天然砂礫石料。兩處料場(chǎng)的砂礫石料儲(chǔ)量較多，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。共選用二十四組土樣進(jìn)行了土工試驗(yàn)。

2.2 堆石壩填筑料試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)土樣分別進(jìn)行了三組三軸剪切試驗(yàn)，三組壓縮試驗(yàn)（飽和狀態(tài)），三組垂直管涌試驗(yàn)和一組水平管涌試驗(yàn)。另外采用表面振動(dòng)法對(duì)楚松、巴金料場(chǎng)砂礫石進(jìn)行兩組相對(duì)密度試驗(yàn)。

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行操作。

2.3 填筑料試驗(yàn)控制條件

2.3.1 試驗(yàn)級(jí)配

試驗(yàn)儀器允許最大粒徑為60mm，對(duì)楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)砂礫石超徑料采用等量代替法處理。替代后可保持原級(jí)配基本特性不變。

砂礫石平均級(jí)配見(jiàn)表1。

2.3.2 試驗(yàn)控制干密度

楚松水庫(kù)混凝土面板堆石壩主堆石填筑密度控制標(biāo)準(zhǔn)為Dr=0.80。通過(guò)采用表面振動(dòng)法對(duì)楚松、巴金料場(chǎng)砂礫石料進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)，成果見(jiàn)表2。

表1 砂礫石平均級(jí)配

表2 相對(duì)密度試驗(yàn)成果

3 土工試驗(yàn)成果及分析

3.1 抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)用粗粒土大型三軸剪力儀，試樣直徑300mm，高680mm，表面振動(dòng)法分層制樣，抽氣法飽和，剪切速率為每分鐘0.3%軸向應(yīng)變量，最大壓力0.6MPa。

抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)試驗(yàn)值見(jiàn)表3。

利用庫(kù)侖定律整理得飽和狀態(tài)時(shí)的 C值和 φ值，φ大于其坡角 32°。在不考慮咬合力的情況下，按內(nèi)摩擦角和lgP之間存在近似直線關(guān)系整理成果。在低壓力的情況下，墊層料的內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于其坡角，故上、下游坡是穩(wěn)定的。

試驗(yàn)表明，楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)砂礫石偏應(yīng)力和軸向應(yīng)變關(guān)系（σ1～σ3）～ε1為應(yīng)變軟化類型，有明顯峰值，剪脹性較強(qiáng)，符合一般砂礫石抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性。兩個(gè)料場(chǎng)砂礫石的抗剪強(qiáng)度和切線模量系數(shù)有所不同，其影響因素主要是兩種砂礫石的顆粒級(jí)配。巴金料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量較多，其抗剪強(qiáng)度和切線模量系數(shù)低于楚松砂礫石。

3.2 壓縮性

試驗(yàn)采用粗粒土大型浮環(huán)式壓縮儀，試樣直徑505mm、高250mm，振動(dòng)法分層制樣，浸水法飽和，自控液壓施加垂直壓力，壓力分級(jí)為：0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 和 1.2MPa。

對(duì)楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)成果繪制e～P關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1、2。

表3 堆石料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

圖1 楚松料場(chǎng)e ～P關(guān)系曲線

圖2 巴金1#料場(chǎng)e ～P關(guān)系曲線

由 e～P關(guān)系曲線可以看出：楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石在低壓力下的壓縮變形量較大，較高壓力下e～P曲線趨緩，符合砂礫石一般壓縮特性。但也表明砂礫石的初始緊密度略小。從砂礫石顆粒組成與壓縮變形關(guān)系來(lái)看，細(xì)料含量較多的巴金砂礫石壓縮性大于楚松砂礫石。

總的來(lái)看，楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石屬低壓縮性填筑料，其平均壓縮模量為42.2～81.07MPa，其中楚松料場(chǎng)砂礫石的壓縮特性較優(yōu)于巴金砂礫石。施工期碾壓密實(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 滲透特性

試驗(yàn)用粗粒土大型管涌?jī)x，試樣直徑 300mm、高 450mm，振動(dòng)法分層制樣，逐級(jí)提高上游水位排氣飽和，滲流方向向上。水平管涌用水平管涌?jī)x，試樣面積300×400mm，長(zhǎng)600mm。

試驗(yàn)結(jié)果：楚松料場(chǎng)垂直滲透系數(shù)為 2.18×10-1，臨界坡降為0.21，破壞坡降為1.18；水平滲透系數(shù)為3.67×10-1，臨界坡降為0.17，破壞坡降為0.86。巴金料場(chǎng)垂直滲透系數(shù)為2.32×10-2，臨界坡降為0.31，破壞坡降為2.3。

圖3 楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石i～v關(guān)系曲線

從顆粒組成分析，砂礫石級(jí)配曲線連續(xù)，不均勻系數(shù)大于50，可以初步判定其透水性較強(qiáng)，滲透變形為管涌類型。

由實(shí)測(cè) i～v曲線看，楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石滲透變形為管涌型。當(dāng)試樣產(chǎn)生滲透變形后，一些細(xì)小顆粒開(kāi)始移動(dòng)或流失，稍粗顆粒的移動(dòng)堵塞了部分孔隙通道，使過(guò)水?dāng)嗝娣e減小。

由 i～v曲線反映其坡降增高，流速減小，隨著試樣變形的發(fā)展，最終出現(xiàn)坡降減小，流速增大，發(fā)生管涌破壞。

楚松料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量比巴金料場(chǎng)少約10%，其滲透系數(shù)約增大10倍，臨界坡降減小約40%。楚松料場(chǎng)砂礫石垂直和水平滲透特性相近，水平滲透系數(shù)略大，臨界坡降和破壞坡降均略小。

4 土工試驗(yàn)結(jié)論及建議

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)分析，可得如下結(jié)論。

（1）楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石天然級(jí)配較好，細(xì)料以砂為主，含泥量少，片狀礫石顆粒含量較多，抗剪強(qiáng)度較高，壓縮性較小，透水性較強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石是一種較好的天然筑壩料，滿足混凝土面板堆石壩主堆石填筑設(shè)計(jì)要求，可以作為壩體主堆石區(qū)填筑料，通過(guò)采取一定的技術(shù)措施及施工控制，使填筑指標(biāo)滿足混凝土面板堆石壩填筑標(biāo)準(zhǔn)。

（2）楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石顆粒組成有一定差別，巴金料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量略多，其抗剪強(qiáng)度和透水性略低于楚松砂礫石，壓縮性比楚松砂礫石略大。使用時(shí)可以優(yōu)先考慮楚松料場(chǎng)，或進(jìn)行混合開(kāi)采分區(qū)使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)土工試驗(yàn)，兩處料場(chǎng)河床砂卵石料各項(xiàng)指標(biāo)可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)兩處料場(chǎng)作為筑壩料及符合設(shè)計(jì)要求的硬巖堆石筑壩料分別進(jìn)行了工程投資估算。

結(jié)果采用楚松和巴金料場(chǎng)作為填筑料可節(jié)省工程投資289萬(wàn)元。故推薦采用楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石料，這樣可以充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，?jié)省三材，經(jīng)濟(jì)合理。