堆石壩墊層料滲透系數(shù)合理化論證研究

韓會生 馬棟和 王 銳

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061； 2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061)

堆石壩墊層料滲透系數(shù)合理化論證研究

韓會生1,2馬棟和1,2王 銳1,2

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061； 2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061)

針對某在建堆石壩墊層料實(shí)測滲透系數(shù)偏大的問題，通過計(jì)算及工程經(jīng)驗(yàn)比對，對該滲透系數(shù)進(jìn)行論證研究，以明確墊層料的合理滲透系數(shù)值，研究成果對于工程施工及相關(guān)壩型設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

堆石壩，墊層料，滲透系數(shù)，凍脹

0 引言

混凝土面板堆石壩經(jīng)過多年的發(fā)展，其優(yōu)勢及功能特點(diǎn)越發(fā)的突出。而墊層料滲透系數(shù)控制值的設(shè)計(jì)與選擇，對混凝土面板堆石壩的質(zhì)量有重要影響，歷來是混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)。以往混凝土面板堆石壩墊層料及堆石料的級配設(shè)計(jì)主要采用類比法，即參照已建工程級配，主要根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)來確定墊層料及堆石料的級配，還停留在經(jīng)驗(yàn)和判斷階段，無法滿足現(xiàn)代工程需要。本次研究以新疆某堆石壩為依托，通過現(xiàn)場試驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)類比提出其合理的墊層料滲透系數(shù)控制值，對于工程實(shí)踐具有重要的意義。

1 現(xiàn)場滲透系數(shù)測試

該工程在前期壩體碾壓施工過程中，采用現(xiàn)場滲透試驗(yàn)檢測墊層料的滲透性能，其檢測結(jié)果如表1所示。在現(xiàn)場檢測的2組滲透試驗(yàn)中，最大滲透系數(shù)為1.38×10-3cm/s，最小滲透系數(shù)為9.74×10-4cm/s，平均滲透系數(shù)為1.2×10-3cm/s，考慮到試驗(yàn)時(shí)水溫的動力粘滯性(20 ℃)，則在現(xiàn)場檢測的2組滲透試驗(yàn)中，其最大滲透系數(shù)為1.90×10-3cm/s，最小滲透系數(shù)為1.34×10-3cm/s，平均滲透系數(shù)為1.6×10-3cm/s，均略大于規(guī)范中所提出的適宜范圍值(1.0×10-3cm/s～1.0×10-4cm/s)。

表1 墊層料滲透試驗(yàn)檢測結(jié)果表

墊層滲透系數(shù)的增大意味著細(xì)顆粒含量的減少，而細(xì)顆粒的減少將直接影響到墊層料的防滲及排水能力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懮嫌螇纹碌姆€(wěn)定性。由此，對于該水工程壩體墊層料滲透系數(shù)檢測值偏大問題，有必要對其合理性進(jìn)行論證，以保證工程蓄水能力及壩體的穩(wěn)定性。

2 滲透流量計(jì)算

一般認(rèn)為墊層料滲透系數(shù)大于10-3cm/s，可自由排水，即墊層料以排水為主；當(dāng)滲透系數(shù)小于10-4cm/s，以防滲為主。為估計(jì)墊層的防滲能力能否滿足工程需要，根據(jù)該工程設(shè)計(jì)條件進(jìn)行如下墊層滲流量的計(jì)算。

計(jì)算假定(如圖1所示)：

1)庫水位總水頭H為正常蓄水高度129.4 m；2)墊層料的水力坡降J=1.0；3)按無面板防滲條件計(jì)算。

并根據(jù)達(dá)西滲透原理：

vw=kdJ

(1)

(2)

Q=qL

(3)

其中，vw為滲透流速,m/h；kd為墊層滲透系數(shù)；J為水力坡降；q為壩面單寬滲流量；H為最高庫水位；m為坡率；Q為壩體總滲流量；L為壩長。

計(jì)算滲透系數(shù)依次選為：設(shè)計(jì)建議最大值1.00×10-3cm/s、實(shí)測平均值1.20×10-3cm/s、實(shí)測最大值1.38×10-3cm/s；L為壩頂長度,取475 m；坡比為1∶1.7。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 滲透流量計(jì)算結(jié)果

通過上述計(jì)算分析可知，實(shí)際最大滲透系數(shù)產(chǎn)生的額外滲流量為4.32萬m3/d，僅占正常蓄水庫容的0.023%，可滿足正常蓄水要求。

3 抗凍脹性能分析

關(guān)于凍脹作用問題有人認(rèn)為“目前多數(shù)面板壩建在中低緯度地區(qū)，適當(dāng)強(qiáng)調(diào)墊層區(qū)的防滲作用是有利的，但對于北方高寒地區(qū)，如新疆、東北等地，若墊層料的滲透系數(shù)過小，則易因凍脹引起面板破壞”。就土顆粒粒徑的大小而言，國內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為土顆粒力場對薄膜水分遷移機(jī)制有明顯影響的最大粒徑為0.1 mm。粒徑大于0.1 mm的土不易產(chǎn)生凍脹，粒徑為0.05 mm～0.005 mm的土最容易產(chǎn)生凍脹。

也正因?yàn)榛谶@一觀點(diǎn)，遼寧關(guān)門山水庫采取以排水為主的思路，最大粒徑為150 mm，小于0.1 mm的顆粒含量不大于5%。黑龍江蓮花面板壩也是采取以排水為主的思路，最大粒徑為80 mm～100 mm，小于0.1 mm的細(xì)顆粒含量小于5%。

分析該工程壩體墊層料的現(xiàn)場檢測級配曲線可知，其小于0.1 mm的顆粒含量不大于6%，與上述高寒地區(qū)水利工程壩體墊層料的設(shè)計(jì)級配相接近，能夠?qū)Ψ乐箟误w的凍脹起到積極的作用。

4 結(jié)語

1)針對具體的堆石壩，其墊層料的合理滲透系數(shù)選取不應(yīng)一概而論，應(yīng)結(jié)合其壩型特征、地理位置等進(jìn)行具體分析。

2)研究所選堆石壩墊層料滲透系數(shù)實(shí)測平均值為1.6×10-3cm/s，假定最不利情況下(即面板防滲失去效果)實(shí)際最大滲透系數(shù)產(chǎn)生的額外滲流量為4.32萬m3/d，僅占正常蓄水庫容的0.023%，可滿足正常蓄水要求。

3)該工程壩體墊層料級配中小于0.1 mm的顆粒含量不大于6%，與相關(guān)高寒地區(qū)水利工程壩體墊層料的設(shè)計(jì)級配相接近，能夠?qū)Ψ乐箟误w的凍脹起到積極的作用。

[1] 袁宏川,胡嘉琪,李慧民.混凝土面板堆石壩墊層料級配優(yōu)化研究[J].人民長江,2007,38(4):93-96.

[2] 保華富,張永全,謝正明.堆石壩墊層料有關(guān)工程特性研究[J].云南水力發(fā)電,2005,21(1):31-33.

[3] 張 偉,定培中.水布埡面板堆石壩墊層料和過渡料滲透穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[A].第二屆全國巖土與工程學(xué)術(shù)大會論文集[C].2006:252-255.

Studyonrationalizationofpermeabilitycoefficientofcushionmaterialinrockfilldam

HanHuisheng1,2MaDonghe1,2WangRui1,2

(1.ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun130061,China; 2.ColdAreaEngineeringTechnologyResearchCenterofMinistryofWaterResources,Changchun130061,China)

Aiming at the problem that the permeability coefficient of a rockfill dam is too large, the rationality of the permeability coefficient is studied by calculation and engineering experience, so as to clarify the reasonable permeability coefficient of the cushion material. Which is of great significance for engineering construction and related dam design.

rockfill dam, cushion material, permeability coefficient, frost heave

1009-6825(2017)28-0222-02

2017-07-27

韓會生(1969- )，男，高級工程師; 馬棟和(1986- )，男，高級工程師; 王 銳(1962- )，男，工程師

TV641.4

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