利用軟巖構筑面板堆石壩應重視的幾個問題

王占軍,陳生水,2,傅中志,2

(1.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029; 2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇南京 210029)

利用軟巖構筑面板堆石壩應重視的幾個問題

王占軍1,陳生水1,2,傅中志1,2

(1.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇南京 210029; 2.水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇南京 210029)

針對利用軟巖料構筑面板堆石壩存在的特殊性問題,根據(jù)已有工程的現(xiàn)場和室內試驗結果,分析軟巖料的級配及強度變形、滲透、流變等工程力學特性,并提出利用軟巖料構筑面板堆石壩時應注意幾個問題:應以軟巖料的現(xiàn)場碾壓和滲透試驗結果作為設計依據(jù),需高度重視大壩的變形和穩(wěn)定控制,加強壩體排水設計,高度重視大壩長期強度變形特性對其安全性的影響,在澆筑混凝土面板前應留足壩體預沉降時間,并采取措施防止軟巖料進一步風化和遇水崩解。

面板堆石壩;軟巖料;級配;工程力學特性

地球表面的巖石有50%以上是軟巖[1],為保護生態(tài)環(huán)境,節(jié)省工程投資,越來越多的面板堆石壩將使用軟巖料。軟巖通常是指單軸飽和抗壓強度小于30MPa的巖石[2],代表性巖石有泥巖、頁巖、泥質砂巖和千枚巖等。與硬巖相比,軟巖具有風化強烈、含泥量高、抗壓強度低和軟化系數(shù)小等特點。利用軟巖料構筑面板堆石壩,因其特殊的工程力學特性,壩體的應力變形、滲透規(guī)律、壩體分區(qū)和壩料填筑要求等均與硬巖面板堆石壩存在明顯不同[1,3]。天生橋一級面板壩產(chǎn)生面板裂縫的原因之一是下游軟巖堆石體變形大,導致上游主堆石區(qū)向下游位移過大,從而造成面板脫空[4];大坳壩施工期和蓄水期最大沉降分別占壩高的1.01%和1.23%[5],董箐壩施工期最大沉降占壩高的1.19%[6],沉降變形均偏大。其中,大坳壩還曾因軟巖填筑壩面積水嚴重[7],被迫停工,若改換料場,不僅增加工程投資,工期也將延長一年。因此利用軟巖料作面板壩堆石料,應高度重視軟巖料工程力學特性研究和筑壩技術創(chuàng)新。

國外利用軟巖料構筑面板堆石壩起步較早,如1967年美國建成的卡賓溪壩和1968年澳大利亞建成的袋鼠溪壩[8]。我國利用軟巖料構筑面板堆石壩起步較晚,但發(fā)展很快[9-11]。迄今為止,軟巖面板堆石壩的設計和施工仍以經(jīng)驗為主,建成的數(shù)量也不多[12-13],國內外對利用軟巖料構筑面板壩的相關理論和技術研究較少,尚不適應軟巖面板堆石壩工程的快速發(fā)展。隨著高面板堆石壩的建設和對生態(tài)環(huán)境更高的要求,軟巖料的使用范圍和利用量將加大,該類壩的安全也越來越受到重視。本文基于對軟巖料的級配、強度變形、滲透、流變等工程力學特性的總結分析,對利用軟巖料構筑面板堆石壩應重視的幾個問題提出了相應的建議。

表1 軟巖面板堆石壩工程實例

1 國內外軟巖面板堆石壩的發(fā)展

本文收集了國內外17座典型的軟巖料構筑的面板堆石壩工程資料[9-11,14],見表1。從表1可看出,美國是最早(1967年)利用軟巖料構筑高面板壩的國家,澳大利亞是最早(1968年)壩主體利用軟巖料構筑面板壩的國家;我國是利用軟巖料構筑面板堆石壩最多的國家;大部分壩將軟巖料的使用范圍限定在壩軸線下游干燥區(qū),且壩高可以達到200 m級,但對于200 m級高面板堆石壩應慎重使用軟巖料[14];有5座面板壩壩主體使用軟巖料,壩主體使用軟巖料最大壩高為150 m的董箐面板壩,其采用軟硬相間的砂泥巖(泥巖占30%)筑壩,上、下游壩坡適當放緩,已良好運行了3 a。

2 軟巖料的級配特性

軟巖料壓實前后的級配相差很大,碾壓后顆粒破碎明顯,如水布埡兩種級配的風化砂頁巖料擊實后細顆粒(粒徑小于5 mm)質量分數(shù)分別由11.7%和2%增加到34.9%和23.1%[15],貝雷壩軟巖料最大粒徑由開挖時的813 mm變?yōu)槟雺汉蟮?29 mm,細顆粒(粒徑小于5 mm)質量分數(shù)增加約45%[16]。大坳和魚跳兩座面板堆石壩軟巖料的干濕循環(huán)試驗結果表明,巖塊崩解程度、細顆粒含量與干濕循環(huán)次數(shù)成正比[15]。董箐壩的泥巖料在自然條件下干濕循環(huán)(露天陽光和雨水交替作用)后巖體也發(fā)生崩解,崩解后呈顆粒狀,級配變化明顯[17]。由于現(xiàn)代面板堆石壩的軟巖料均先灑水后用重型碾壓機械壓實,顆粒破碎細化現(xiàn)象相當明顯,且軟巖料的級配對其強度和變形特性具有重要影響,因此建議筑壩前對軟巖料進行現(xiàn)場碾壓試驗,并以壓實后軟巖料的實測級配曲線以及該級配下軟巖料的試驗結果為準,由試驗成果及相關工程經(jīng)驗取用合適的設計和計算指標。

3 軟巖料的強度變形特性

軟巖料的壓實密度受含水率影響[1,15,17],存在最優(yōu)含水率和最大干密度。雖然軟巖壓實后具有較大的干密度,但軟巖料的強度低于硬巖料,大坳、魚跳和盤石頭等壩的試驗結果表明,軟巖料的抗剪強度指標內摩擦角值較硬巖低8°以上[15]。因此,利用軟巖筑壩時宜適當放緩壩坡。如董箐壩[10]上游壩坡1∶1.4,下游壩坡設3層壩后公路,綜合壩坡1∶1.5。此外,軟巖的強度受環(huán)境變化影響明顯,經(jīng)日曬雨淋后,強度衰減很快,故開采后應盡快上壩碾壓,盡可能做到邊開挖邊上壩及早封閉,以保持巖塊新鮮,確保軟巖料物理力學性質改變較小。

表2中列出了幾座軟巖面板堆石壩的壓實參數(shù)和壓縮模量[1,10,15,17]。從表2可以看出,絕大多數(shù)軟巖料具有低壓縮性,少數(shù)軟巖料表現(xiàn)為中等壓縮性。室內壓縮試驗結果[15,17]表明,軟巖的壓縮模量受含水量的影響明顯,如盤石頭壩風化頁巖干料的壓縮模量為41.7～142.1MPa,而飽和后壓縮模量降低為13.8～40.1MPa,僅為干料的1/3左右,飽和狀態(tài)軟巖料的壓縮性高于非飽和狀態(tài)。表3列出了若干座軟巖與硬巖面板堆石壩的實測沉降量[5,9-10,18-20]。從表3中可以看出,軟巖面板堆石壩的實測沉降率(沉降與壩高之比)都在1%以上,明顯高于硬巖面板堆石壩的沉降率,這顯然是軟巖料具有高壓縮性的必然結果。因此,利用軟巖料筑壩時應適當提高壓實標準,如減小鋪層厚度、提高碾壓機械噸位和碾壓遍數(shù)等。如董箐壩的主堆石碾壓層厚80 cm,采用25 t振動碾碾壓10遍,實測孔隙率達到19.41%,對減少后期壩體流變、確保三期面板工期起了很好的作用,壩體已良好運行了3 a;盤石頭面板壩頁巖次堆石料鋪層厚度60 cm,18 t拖式振動碾壓實,實測孔隙率為18.2%。

表2 軟巖料壓實參數(shù)和壓縮模量

表3 軟巖和硬巖面板堆石壩實測最大沉降比較

4 軟巖料的滲透特性

軟巖料碾壓過程中顆粒破碎明顯,壓實后滲透系數(shù)較小[1,15]。如魚跳壩軟巖料壓實后滲透系數(shù)為10-5cm/s量級,袋鼠溪壩軟巖料壓實后滲透系數(shù)更小,為10-7cm/s量級,屬相對不透水。此外,分層碾壓的軟巖料滲透系數(shù)呈現(xiàn)明顯的各向異性,垂直滲透系數(shù)遠小于水平滲透系數(shù)[15](表4),這是因為各碾壓層上部軟巖料的顆粒破碎嚴重,細粒含量增加較為明顯,細粒充填粗顆粒間的孔隙,形成板結層。大坳、魚跳和茄子山3個大壩現(xiàn)場碾壓施工時都曾出現(xiàn)壩面積水現(xiàn)象[9]。從表4還可看出,軟巖料現(xiàn)場試驗測得的滲透系數(shù)小于室內試驗值,特別是垂直方向滲透系數(shù),兩者差異更為顯著,達到兩個數(shù)量級。因此,對于軟巖料的滲透系數(shù)值,建議由現(xiàn)場碾壓試驗確定,并以此作為設計依據(jù)。

需要指出的是,軟巖料壓實后具有較小的滲透系數(shù),特別是其明顯的各向異性對大壩運行期的安全將產(chǎn)生不利的影響。因此,對于軟巖面板堆石壩必須高度重視壩體內部排水設計,建議在壩體內設置“L”型排水(壩體底部鋪設透水性較好的堆石料與過渡層相聯(lián)接),以保證大壩一旦漏水后能迅速降低壩體內浸潤面,確保大壩安全。

表4 軟巖料室內與現(xiàn)場滲透試驗結果

5 軟巖料的流變特性

軟巖料易受干濕循環(huán)、溫度循環(huán)等環(huán)境因素的影響,流變特性十分明顯。大坳壩在蓄水期(2000年4月至2001年3月)水庫水位下降約16 m情況下,壩體沉降仍增大約 5 cm,水平位移增大約10 cm[5]。持續(xù)增加的壩體流變變形易造成面板頂部脫空,應力狀態(tài)惡化,使周邊縫剪切位移和沉陷增加,影響大壩的長期安全性。天生橋壩面板脫空及產(chǎn)生大量裂縫的一個很重要原因就是壩料的流變[4]。因此,利用軟巖構筑面板壩有兩點需特別注意:①應控制好預沉降時間,董菁壩竣工期沉降率達到1.19%,但每一期面板施工前都預留了數(shù)月的預沉降時間,大壩運行后面板未出現(xiàn)拉壓破損;②應防止軟巖料進一步風化崩解,如只在下游水位以上部位使用軟巖,或對下游水位以下使用的軟巖及時封閉以保持其相對新鮮狀態(tài),下游壩坡設置一定厚度的硬巖保護層并加強壩坡排水等。

6 結 論

a.軟巖料壓實后易破碎,遇水崩解,級配變化明顯。因此,利用軟巖料筑壩前,應進行現(xiàn)場碾壓試驗,并以壓實后軟巖料的實測級配曲線以及該級配下軟巖料的試驗結果作為設計和計算分析依據(jù)。

b.軟巖料經(jīng)碾壓后壓實度可以滿足筑壩要求,但與硬巖料相比,其抗剪強度低,壓縮模量小,壩體變形大,需高度重視大壩的變形和穩(wěn)定控制。對于軟巖面板堆石壩,建議盡可能提高碾壓標準并適當放緩壩坡。

c.軟巖料壓實后顆粒破碎明顯,滲透系數(shù)較小,特別是鋪層上部顆粒破碎更為明顯,易形成板結層,垂直滲透系數(shù)遠小于水平滲透系數(shù),不利于大壩運行期安全。建議加強壩體排水設計,避免大壩發(fā)生滲透破壞。

d.軟巖料具有明顯的流變性,導致壩體竣工后持續(xù)產(chǎn)生后期變形,對壩體和防滲系統(tǒng)長期應力變形特性將產(chǎn)生不利的影響。利用軟巖料構筑面板堆石壩,建議在澆筑混凝土面板前,應留足壩體預沉降時間,并采取措施防止軟巖料進一步風化和遇水崩解。

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Some important aspects of construction of concrete-faced rock-fill dam with soft rocks//

WANG Zhanjun1,CHEN Shenshui1,2,FU Zhongzhi1,2
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.Key Laboratory of Earth-Rock Dam Failure Mechanism and Safety Control Techniques,Ministry of Water Resources,Nanjing 210029,China)

Concrete-faced rock-fill dams(CFRDs)compared with hard rocks the CFRDs with soft rocks have the particularity because of its engineering mechanics properties.According to the field and laboratory experiments of several projects,the particle gradation and the engineering mechanics properties of strength and deformation,the permeability and the creep for soft rock materials were analyzed.Several problems of construction CFRDs with soft rocks were pointed out such as:the dam design should be based on field compaction and permeability experimentation of soft rock materials; special attention should be given to the dam deformation and stabilization control;the drainage of dam body should be reinforced;special attention needs paying to the effect of long-term strength and deformation on dam safety;the appropriate time of dam pre-settlement should be left before constructing concrete face slab;and required controls should also be conducted to prevent the further weathering and water-destruction of soft rocks.

CFRD;soft rock materials;particle gradation;engineering mechanics properties

TV641.1

:A

:1006-7647(2014)04-0066-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.014

2013-0527 編輯:周紅梅)

國家自然科學基金(51379130,51209141,91215301)

王占軍(1986—),男,河南許昌人,博士研究生,主要從事土石壩工程研究。E-mail:nhriwzj@126.com