湯壩防滲土料物理力學性能研究

甘 霖，胡金山

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

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湯壩防滲土料物理力學性能研究

甘 霖，胡金山

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

湯壩料場防滲土料儲量大、性能較優(yōu)，大壩心墻填筑采用了直接上壩料和偏粗、偏細土料摻配形成的摻配料上壩填筑。通過對防滲土料物理力學性質(zhì)研究表明，土料具有良好的壓實性，整體防滲效果較好。用于摻配的偏粗、偏細料相互結(jié)合性好，直接上壩料與摻配料性能接近，可混合使用。

防滲土料；摻配料；物理性質(zhì)；壓實特性；滲透特性；長河壩水電站

1 概 況

長河壩水電站工程土石壩湯壩料場位于壩區(qū)上游金湯河左岸與湯壩溝之間的坡地上，距壩址22 km。土料主要屬冰磧堆積含碎礫石土，少量為坡洪積堆積。料場分布高程2 050～2 450 m，面積約72萬m2，碎礫石土有用層一般厚10～16 m，開采條件較好。

料場土料儲量867萬m3，屬寬級配礫石土，總體上滿足工程設(shè)防要求，但天然料場土料粗、細分布在空間上存在不均一性。其中，P5含量為30%～50%的可直接上壩料儲量462萬m3，占總量比例53%，P5含量大于50%的偏粗料儲量約占總量的37%，P5小于30%的偏細料儲量約占總量的10%。為滿足240 m高土石壩的大用量(壓實方428.3萬m3)、高填筑強度(10萬～20萬m3/月)和物理力學性能要求，除P5含量為30%～50%的合格料直接上壩填筑外，需研究偏粗、偏細土料的摻配利用。

2 湯壩土料的物理性質(zhì)

湯壩料場土料天然密度平均值2.06 g/cm3，孔隙比0.45；含水率較為穩(wěn)定，天然含水率一般在6%～12%之間，最高值為27.3%，平均值為10.7%，塑性指數(shù)14.3。

天然料源粒徑大于150 mm的塊碎石含量較少；P5含量平均值為46.8%，對土料填筑密實形成骨架較為有利；粒徑小于0.075 mm細粒含量和小于0.005 mm黏粒含量適中，能夠充分填充孔隙達到防滲效果。

2.1 直接上壩料

為保證碾壓施工質(zhì)量，防滲土料剔除150 mm粒徑以上顆粒后上壩填筑，P5含量為10.0%～70.0%，平均為45.9%；<0.005 mm黏粒含量為4.0%～20.0%，平均為10.9%?？梢姡蕹?50 mm粒徑以上顆粒后，湯壩土料黏粒含量未有較大增加，P5含量變化也不大。其中，P5含量為30%～50%的土料可直接上壩使用。

2.2 摻配料

為了提高土料的利用率，保證料源質(zhì)量，需對湯壩土料場的偏粗料(P5含量為50%～65%)、偏細料(P5含量小于35%)進行摻配。偏細料主要分布在料場1區(qū)，偏粗料主要分布在料場3區(qū)和4區(qū)?，F(xiàn)場開展了系統(tǒng)的摻配試驗，摻配預(yù)設(shè)定摻配料的P5含量最優(yōu)目標值，且波動幅度控制在±7%以內(nèi)，并保證P5含量最終滿足設(shè)計標準30%～50%。

摻配料源料備存并檢測完成后，按照摻配比例范圍6∶4～7∶3進行粗、細料互層平鋪立采摻合，試驗結(jié)果見表1。摻配試驗成果表明，正鏟與反鏟均可用于該土料的摻配，摻配遍數(shù)選擇為6遍，此時摻配土料級配控制較為均勻，摻配土料P5含量平均值為42.04%，與摻配預(yù)期P5最優(yōu)目標值43.0%接近，波動幅度略超出要求，總體基本滿足上壩要求，黏粒含量能滿足防滲料的要求。對于細料局部含水率較大時，摻配易有結(jié)團現(xiàn)象，施工中應(yīng)加以注意。摻配料的指標統(tǒng)計見表。

表1 成品摻配料試驗結(jié)果 %

3 湯壩防滲土料壓實特性

對于240 m高的大壩，研究土料如何達到較高的密實度，使得防滲土料具有強度高、低壓縮性和良好的抗?jié)B透變形性能至關(guān)重要。為此研究了在不同擊實功能、不同P5含量時土料的壓實特性。

3.1 全料壓實特性

擊實試驗選取592、862、1 350、2 688 kJ/m34種擊實功能進行，隨著土單位體積擊實功能的增加，土料的最大干密度也隨之增加，最優(yōu)含水率減小。當擊實功能達到1 350 kJ/m3，擊實功能EC～最大干密度ρdmax～最優(yōu)含水率ωop關(guān)系曲線斜率減緩，繼續(xù)增大單位擊實功能，土料密度增加變得緩慢。

針對240 m級的高土石壩，確定施工填筑時的擊實標準采用2 688 kJ/m3。隨著料場開挖，由于不同位置、不同時間所取土料的級配、含水率均有差異，研究P5含量變化范圍30%～55%，擊實功能2 688 kJ/m3時，土料填筑壓實標準及填筑檢測試驗成果在一定范圍內(nèi)有波動，分析認為歷次檢測試驗成果反映了當前土料的壓實特性，并與前期勘察成果相吻合。

P5含量與壓實干密度、壓實標準關(guān)系曲線、與填筑含水率、最優(yōu)含水率關(guān)系曲線、與全料壓實度關(guān)系曲線分別見圖1、2、3。從圖1～3可以看出，隨P5含量的增加，土料的填筑密度和最大干密度均有所增加，天然含水率較最優(yōu)含水率略高，有利于土料碾壓，相應(yīng)的土料填筑壓實度隨P5含量的變化較為穩(wěn)定，各項指標均在一定范圍內(nèi)波動，除個別點外，均能滿足設(shè)計要求。

圖1 P5含量與壓實干密度、壓實標準關(guān)系曲線

圖2 P5含量與填筑含水率、最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

圖3 P5含量與全料壓實度關(guān)系曲線

3.2 細料壓實度

顆粒粒徑小于5 mm的細料壓實度由三點擊實試驗測定，P5含量與細料壓實度關(guān)系曲線見圖4。從圖4可以看出，當P5含量為30%～39%范圍時，土料中粗顆粒骨架作用尚不顯著，細顆粒包裹著粗顆粒直接承擔壓實功能的作用，細料壓實度較高，平均值為1.019；當P5含量約為38.5%～41%時，防滲料中粗顆粒開始起骨架作用，承擔了部分壓實功能，對細顆粒壓實效能降低，細料壓實度平均值由1.018下降至1.007，降低幅度約為1%；P5含量約為41%～48%的區(qū)間，土料中粗顆粒起骨架作用，相應(yīng)的細料壓實度隨P5含量的增加不再增長，同時土料受較大碾壓功能，細料填充密實，細料壓實度亦無明顯下降，細料壓實度平均值在1.006～1.007之間，剔除較大離散值后變幅不大。當P5含量達到48%～51%時，細料壓實度平均值下降較快，由1.007下降至0.993，降低幅度約為1.7%。之后細顆粒的填充效用減弱，相應(yīng)的細料壓實度隨P5含量的增加呈總體下降趨勢，至P5含量約為56%時，細料壓實度平均值降至0.988。由圖4可見，在P5含量為40%、49%附近區(qū)間時，相應(yīng)的細料壓實度降低較快，曲線呈2個臺階狀，較典型地反映了粗粒土防滲料中細顆粒填充壓實的特性。同時需說明的是當P5含量為50%時，湯壩防滲料仍具有較好的抗?jié)B透性。

圖4 P5含量與細料壓實度關(guān)系曲線

4 湯壩防滲土料抗?jié)B透特性

湯壩防滲土料具有較好的抗?jié)B透變形特性，屬微透水～極微透水性，滲透破壞形式為流土破壞。在水流流向垂直于碾壓層面的方向，破壞坡降平均值為8.14，滲透系數(shù)平均值為1.19×10-6cm/s；水流流向平行于碾壓層面的方向，破壞坡降平均值為7.62，滲透系數(shù)平均值為1.51×10-6cm/s。不同水流流向?qū)τ诜罎B土體的抗?jié)B透性影響有限，說明湯壩防滲料經(jīng)碾壓壓實后各向異性表現(xiàn)不明顯，土體粗、細顆粒間及碾壓層面間的結(jié)合好。

湯壩防滲土料的P5含量從30%變化到53%，滲透系數(shù)試驗值的范圍為1.54×10-7～8.80×10-6cm/s，兩者關(guān)系曲線見圖5。由圖5可知，與細料填充壓實相關(guān)，P5含量小于40%時，滲透系數(shù)無明顯變化，P5含量在40%～50%之間，細顆粒尚能填充粗顆粒骨架空隙，相應(yīng)滲透系數(shù)有所增加。隨著P5含量大于50%后，細料壓實度下降，孔隙率增加，使得滲透系數(shù)增加較快，但在上壩填筑中仍小于 1×10-5cm/s的規(guī)范要求。

圖5 P5含量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

隨著P5含量從30%變化到55%，壓縮模量變化范圍為12.9～40.2 MPa。土的壓縮性表現(xiàn)為低壓縮性土，比較飽和與非飽和狀態(tài)成果，飽和狀態(tài)比非飽和狀態(tài)的壓縮模量總體偏低，土料中P5含量的增加有助于壓縮模量的提高。結(jié)合直剪、三軸試驗成果表明，湯壩防滲土料具有較優(yōu)的力學性能。

5 湯壩防滲土料的填筑

湯壩料場開挖土料級配、含水率的物理力學性指標與勘察階段相吻合。大壩防滲土料控制P5含量為30%～50%，鋪料厚度30 cm，使用25.4 t振動凸塊碾，碾壓遍數(shù)為2遍靜碾+12遍振碾。填筑檢測心墻礫石土料壓實度離散程度低，P5含量、含水率等控制較好，黏粒含量均能滿足設(shè)計要求，滲透系數(shù)范圍為i×10-7～i×10-6cm/s，具有較好的抗?jié)B透變形性能、抗壓縮性和抗剪強度。

6 結(jié) 語

湯壩防滲土料具有P5含量適宜的粗顆粒骨架，又有足夠的黏粒、細粒填充，整體防滲效果良好。受P5含量的影響，P5含量～細料壓實度關(guān)系曲線呈2個臺階狀，相應(yīng)區(qū)間的細料壓實度降低較快，較典型地反映了粗粒土防滲料中細顆粒填充壓實的特性。用于摻配的偏粗、偏細料相互結(jié)合性好，直接上壩料與摻配料性能接近，可混合使用。在今后類似防滲土料的工程應(yīng)用中，尚可研究適當放寬P5含量，以提高高土石壩的變形協(xié)調(diào)性和土料的使用效益。

[1]殷宗澤. 土工原理[M]. 北京： 中國水利水電出版社，2007．

[2]郭慶國. 粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州： 黃河水利出版社，1998．

[3]日本土質(zhì)工學會. 粗粒料的現(xiàn)場壓實[M]. 郭熙靈，文丹，譯. 北京： 中國水利水電出版社，1999．

(責任編輯 焦雪梅)

Research on Physical and Mechanical Properties of Impervious Soil Material in Tangba Soil Yard

GAN Lin, HU Jinshan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Because the reserve of impervious soil material in Tangba soil yard is abundant and the performance of soil is better, the soil material in Tangba soil yard is selected as the impervious soil to construction the earth-rock dam of Changheba Hydropower Station. The earth-rock dam is constructed by natural soil material and artificial mixture of coarser and finer soil material. The physical and mechanical properties of soil materials are studied. The results show that the compaction property and impervious property of soil materials are better, the coarser and finer soil materials in artificial mixture have a good binding, and the properties of natural soil material and artificial mixture are basically consistent to each other which can be mixed together to construct dam．

impervious soil material; mixed soil material; physical property; compaction characteristics; permeability; Changheba Hydropower Station

2016- 06- 15

甘霖(1962—)，男，北京人，教授級高工，主要從事巖土試驗、工程質(zhì)量檢測工作．

TV443(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0046- 03