面板堆石壩軟質(zhì)砂巖主堆料滲透性能研究

馬棟和，楊 偉，王和鑫，張芳軍

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春130061；2.自貢小井溝水利工程有限責(zé)任公司，四川 自貢643000；3.中國水利水電第五工程局有限公司科研咨詢公司，四川 成都610225）

1 工程概況

研究壩體取自四川省某水利樞紐工程，該工程是一項以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用的大型水利工程，工程控制流域面積587km2（占流域面積22%），多年平均徑流量2.7億m3。水庫正常蓄水位429m，總庫容1.66億m3，興利庫容1.11億m3。工程主要由水庫樞紐、輸水工程和灌區(qū)渠系工程組成，主壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩高87.6m、壩長255m。工程地處低山區(qū)和丘陵地帶，區(qū)內(nèi)地層主要為三疊系須家河組砂泥頁巖互層，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于30MPa。綜合考慮工程建設(shè)工期與經(jīng)濟(jì)因素，擬采用區(qū)內(nèi)富有的軟質(zhì)砂巖作為主堆料進(jìn)行壩體填筑。

2 主堆料現(xiàn)場碾壓后滲透特性

現(xiàn)場按80cm厚度鋪設(shè)軟質(zhì)砂巖料進(jìn)行碾壓試驗，碾壓結(jié)束后測得主堆區(qū)豎向滲透系數(shù)為8.3×10-4cm/s，滲透系數(shù)偏小，不能較好的滿足排水要求(滲透系數(shù)一般宜大于10-2cm/s)?，F(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，由于軟質(zhì)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度低，分層加水碾壓后表層易形成板結(jié)。當(dāng)挖去板結(jié)層之后，可見主堆區(qū)橫向孔隙率增加，因此初步判定水平方向滲透系數(shù)明顯大于豎直方向。

3 主堆料室內(nèi)滲透試驗

現(xiàn)行土工試驗規(guī)程（SL237-1999），為了簡化起見，將“粗粒土擾動試樣從下向上滲透變形試驗”、“粗粒土擾動試樣水平管涌試驗”進(jìn)行了合并，試驗均采用同一儀器——垂直滲透變形儀。該設(shè)備多適用于各向同性粗粒土，且一般筑壩所用粗粒土選用硬質(zhì)巖石，經(jīng)碾壓之后基本滿足各向同性。但由于該水利樞紐工程大壩主堆料的特殊性，在碾壓之后各分層表面產(chǎn)生板結(jié)；另外壩體內(nèi)滲流多為傾斜向下游滲流，如僅采用垂直滲透儀測定其滲透系數(shù)具有一定的片面性，需分別對水平、垂直滲透性能進(jìn)行測定。

結(jié)合現(xiàn)場條件與相關(guān)土工試驗規(guī)程要求，自行研制了粗粒土水平滲透儀。水平滲透試驗結(jié)果如圖1所示，主堆石水平滲透系數(shù)為3.8×10-1cm/s，遠(yuǎn)大于其豎直方向滲透系數(shù)，水平方向滿足自由排水的要求。

4 主堆區(qū)滲流特性模擬

基于上述試驗成果，為研究壩體內(nèi)部存在板結(jié)層時滲流特征，采用GeostudioSEEP/W建立有限元數(shù)值模型［1］，如圖2所示。壩體上游面水位為正常蓄水位，下游面定義為自由滲出邊界。模擬結(jié)果如圖3所示，由圖可見，由于板結(jié)層的存在，阻滯了滲流向下發(fā)展，水體在每兩個板結(jié)層之間水平流動。壩體內(nèi)浸潤線較高，使得軟質(zhì)砂巖料長期浸于飽和水體中，不利于壩體長期穩(wěn)定。此外，(SL228—2013)《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》中對軟巖筑壩做出規(guī)定［2］：軟質(zhì)巖堆石料作為中低壩上游堆石區(qū)，其滲透性能不滿足排水要求時，應(yīng)在壩內(nèi)上游設(shè)置豎向排水區(qū)，沿底部設(shè)置水平排水區(qū)，排水區(qū)的排水能力應(yīng)滿足自由排水要求［3-4］。

圖1 主堆料i～v關(guān)系曲線(水平)

由此，設(shè)計如圖4所示“L形”壩體排水帶，排水帶采用硬質(zhì)灰?guī)r料，碾壓后滲透系數(shù)大于A×10-1cm/s。設(shè)置排水帶后壩體內(nèi)部滲流特征如圖5所示，由于排水帶滲透系數(shù)較大，壩內(nèi)滲流沿排水帶向下游流動，浸潤線明顯降低，壩體揚(yáng)壓力減小，更有利于壩內(nèi)排水及大壩穩(wěn)定。

圖2 壩體數(shù)值計算模型

圖3 存在板結(jié)層時壩體內(nèi)滲流場

圖4 設(shè)置排水帶時壩體計算模型

圖5 設(shè)置排水帶時壩體內(nèi)滲流場

5 結(jié) 論

1）區(qū)內(nèi)軟質(zhì)砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于30 MPa，選用此類巖石作為面板堆石壩主堆料時，由于軟質(zhì)砂巖飽和抗壓強(qiáng)度低，分層加水碾壓后表層易形成板結(jié)，致使主堆區(qū)豎向滲透系數(shù)偏小為8.3×10-4cm/s，不能較好的滿足排水要求。

2）主堆料分層碾壓后，板結(jié)層下部堆石區(qū)滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于豎直方向滲透系數(shù)。通過自行研制的粗粒土水平滲透儀對其滲透性能進(jìn)行檢測，水平向滲透系數(shù)為3.8×10-1cm/s。

3）數(shù)值計算成果表明：當(dāng)軟巖堆石壩各碾壓層表面形成板結(jié)時，阻滯了滲流向下發(fā)展，壩體內(nèi)浸潤線較高；壩體內(nèi)設(shè)置“L”形排水帶后，由于排水帶滲透系數(shù)較大，壩內(nèi)滲流沿排水帶向下游流動，浸潤線明顯降低，壩體揚(yáng)壓力減小，更有利于壩內(nèi)排水及大壩穩(wěn)定，排水帶設(shè)置滿足工程要求。

［1］鮑呈蒼.基于SEEP/W分析土石壩滲流穩(wěn)定［J］.中國水運(yùn)，2011（6）：147~149.

［2］SL228-2013，混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］徐澤平，邵宇，梁建輝.軟巖筑面板壩堆石壩的壩體斷面分區(qū)研究［J］.水力學(xué)報，2004（1）：62-65.

［4］彭成，郭德發(fā)，王慶.面板堆石壩軟巖料的應(yīng)用分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（5）：612~615.