山西省澤城西安水電站（二期）大壩墊層料壓縮及滲透試驗(yàn)研究

賈寶萍

山西省澤城西安水電站（二期）大壩墊層料壓縮及滲透試驗(yàn)研究

賈寶萍

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

堆石壩面板底部的墊層料壓實(shí)后要求具有內(nèi)部滲透穩(wěn)定性、低壓縮性，文中先根據(jù)墊層料設(shè)計級配，采用等量代替法求出試驗(yàn)?zāi)M級配，然后壓縮試驗(yàn)采用飽和壓縮，滲透試驗(yàn)采用常水頭法進(jìn)行測定，滲透變形試驗(yàn)采用逐級加壓進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究，為工程提供了可靠設(shè)計參數(shù)，同時為其它工程起到一些借鑒作用。

墊層料；級配；壓縮；滲透

1 工程概況

山西省澤城西安水電站（二期）工程位于左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河干流上，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的水電樞紐工程，總庫容9610萬m3，樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、電站及其輸水系統(tǒng)組成?；炷撩姘宥咽瘔巫畲髩胃?1.6m，壩頂寬8m，長267m；溢洪道布置7孔，每孔凈寬為12m，總長264.24m；導(dǎo)流泄洪洞為有壓洞，洞徑8m，洞長564.42m。

2 試驗(yàn)級配

墊層料設(shè)計級配詳見表1。

表1 墊層料設(shè)計級配表

由于試驗(yàn)項(xiàng)目的儀器要求試樣最大粒徑為60mm，根據(jù)表1，墊層料的設(shè)計平均線和下包線有超粒徑存在；按照規(guī)范，對墊層料的設(shè)計平均線和下包線均采用等量代替法進(jìn)行級配模擬。

等量代替法是根據(jù)儀器允許的最大粒徑以下和粒徑大于5mm的土粒，按比例等質(zhì)量替換超粒徑。其計算公式為：

式中，Pi—替代后某粒組含量，%；Poi—原級配某粒組含量，%；P5—大于 5mm粒徑土的含量，%；Pdmax—超粒徑顆粒含量，%。

通過上述方法得到平均線和下包線的試驗(yàn)?zāi)M級配見表2。

表2 墊層料試驗(yàn)?zāi)M級配表

墊層料試驗(yàn)項(xiàng)目的平均線及下包線試料按模擬級配分級配料進(jìn)行，上包線試料按設(shè)計級配進(jìn)行試驗(yàn)。

3 相對密度試驗(yàn)

相對密度用以表示粗顆粒土的緊密狀態(tài)，是指無粘性土處于最松狀態(tài)的孔隙比與天然狀態(tài)（或給定）孔隙比之差和最松狀態(tài)孔隙比與最緊狀態(tài)孔隙比之差的比值，該指標(biāo)是粗顆粒土的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)選擇的試樣筒直徑為38cm，高度為46cm；加重物的總壓力為14kPa，振動臺頻率為40～60Hz，振幅為0～±2mm。

為了求得墊層料的最大、最小孔隙比，對墊層料的比重采用虹吸筒法進(jìn)行了測定，測定結(jié)果為2.70。

相對密度計算結(jié)果詳見表3。

表3 墊層料相對密度試驗(yàn)結(jié)果表

相對密度試驗(yàn)結(jié)果表明，墊層料上包線、平均線及下包線的最大干密度分別為 2.29g/cm3、2.34g/cm3、 2.34g/cm3， 平均值為 2.32g/cm3， 最小 干 密 度 分 別 為 1.96g/cm3、1.97g/cm3、1.96g/cm3，平均值為 1.96g/cm3；按提供的相對密度0.8計算，墊層料上包線、平均線及下包線制樣 干 密 度 分 別 為 2.21g/cm3、2.25g/cm3、2.25g/cm3，其對應(yīng)的孔隙率分別為18.0%、16.5%、16.5%。

4 壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)是測定粗粒土的變形和壓力（或孔隙比與壓力）的關(guān)系，以便計算土的壓縮系數(shù)和壓縮模量。該參數(shù)是壩體應(yīng)力應(yīng)變分析的重要參數(shù)。

本次試驗(yàn)選擇的儀器直徑為50.4cm，高度為45cm的浮環(huán)式固結(jié)儀，儀器尺寸滿足規(guī)范要求；試樣制樣控制密度依據(jù)設(shè)計要求的相對密度為0.8所對應(yīng)的干密度進(jìn)行控制，各試樣均采用擊實(shí)法進(jìn)行制樣，試樣控制高度為30cm。試驗(yàn)方法為飽和壓縮；試料的垂直壓力分別按 50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa分級施加，每級壓力下壓縮穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為0.005mm/h。整理后的試驗(yàn)結(jié)果見表4、 表5。

表4 各級壓力下試樣變形穩(wěn)定后的孔隙比

表5 各級壓力下的壓縮系數(shù)和壓縮模量

墊層料的上包線、平均線和下包線的 av1-2壓縮系數(shù)在 0.0261～0.0346MPa-1之間，平均值為0.0309MPa-1；依據(jù)規(guī)范，按av1-2的值進(jìn)行壓縮性判斷，墊層料在相對密度為0.8情況下，其上包線、平均線和下包線試樣均為低壓縮性土料。

5 滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)是為了測定材料的滲透系數(shù)，為壩體滲流計算及滲流分析提供基本參數(shù)。

本次試驗(yàn)儀器選用Φ=30cm的管涌儀。樣品制備按級配進(jìn)行配料，墊層料按相對密度0.8對應(yīng)的密度進(jìn)行制樣密度控制，試樣采用分層擊實(shí)法分3層制樣，試樣總高度為30cm；試樣飽和采用水頭法進(jìn)行，試驗(yàn)用常水頭法進(jìn)行測定，經(jīng)測定，墊層料各包線的滲透系數(shù)值見表6。

從表6可以看到：墊層料上包線的滲透系數(shù)為5.544×10-4cm/s， 平均線為9.642×10-5cm/s， 下包線為2.753×10-3cm/s；從測定值來看，平均線滲透系數(shù)比上包線小，這是由于平均試料密度比上包線大，其5mm以下的含量占總量的42.5%，故其滲透系數(shù)較上包線??；墊層料各包線的平均滲透系數(shù)為1.135×10-3cm/s。

6 滲透變形試驗(yàn)

粗粒土自身的滲透變形試驗(yàn)也就是管涌試驗(yàn)。其目的是測定反濾料在無保護(hù)條件下，自身的臨界坡降及破壞坡降，是判定滲流場中材料本身是否產(chǎn)生滲透破壞的依據(jù)。

本次管涌試驗(yàn)儀器同樣選用選用Φ=30cm的管涌儀。樣品制備按級配進(jìn)行配料，墊層料按相對密度0.8對應(yīng)的密度進(jìn)行制樣密度控制，試樣采用分層擊實(shí)法分2層制樣，試樣總高度為20cm；試樣采用水頭飽和法進(jìn)行飽和，試驗(yàn)用逐級加壓進(jìn)行試驗(yàn)，水流方向自下而上。在每級壓力穩(wěn)定后測記三次流量，計算該級壓力下滲透流速和滲透坡降，該級測記完成后加下級壓力，重復(fù)上述過程，直至試樣破壞。根據(jù)不同壓力下的滲透坡降i與滲透流速v試驗(yàn)結(jié)果，繪制i～v關(guān)系曲線，取開始出現(xiàn)管涌時的坡降與開始出現(xiàn)管涌前一級坡降的平均值為臨界坡降，取其破壞時的坡降與破壞點(diǎn)前一級坡降的平均值為破壞坡降。試驗(yàn)結(jié)果見表6，i～v曲線見圖1。

表6 墊層料滲透系數(shù)及坡降

從試驗(yàn)結(jié)果看，墊層料上包線、平均線及下包線的臨界坡降分別為0.64、0.49和0.25，臨界坡降平均值為0.46，破壞坡降分別為1.53、1.43和1.36，破壞坡降平均值為1.44。

圖1 墊層料管涌試驗(yàn)Ⅰ～Ⅴ曲線

從試驗(yàn)現(xiàn)象上來看，墊層料各包線的破壞形式均為管涌破壞。

7 結(jié)語

墊層料試驗(yàn)在相對密度為0.8情況下，平均孔隙率為16.5%，滿足規(guī)范要求的孔隙率15%～20%；壓縮系數(shù)av1-2平均值為0.0309MPa-1，av1-2＜0.1MPa-1為低壓縮性土，滿足規(guī)范要求的墊層料應(yīng)具有低壓縮性；滲透系數(shù)平均值為1.135×10-3cm/s，滿足規(guī)范要求。從滲透變形試驗(yàn)分析，設(shè)計采用的破壞坡降應(yīng)為臨界坡降，試驗(yàn)結(jié)果的臨界坡降平均值為0.46，考慮安全系數(shù)后，允許滲透坡降為0.23，滿足墊層料應(yīng)具有內(nèi)部滲流穩(wěn)定性的要求。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，墊層料的設(shè)計填筑相對密度可由0.85調(diào)整為0.8。

［1］郭慶國，蔡長治.土石壩建設(shè)實(shí)用技術(shù)研究及應(yīng)用［M］.鄭州：黃河水利出版社，2004.

［2］GB50287-2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］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.

［4］ SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］GB/T50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］侍倩.土工試驗(yàn)與測試技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［7］錢家歡.土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1990.

［8］張強(qiáng)勇.巖土工程強(qiáng)度與穩(wěn)定計算及工程應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［9］馬明功.澗峪水庫擠壓邊墻混凝土滲透試驗(yàn)方法概述［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2004（07）.

［10］楊得勇，雍莉.混凝土面板砂礫石壩墊層料過渡料滲流及滲透穩(wěn)定性試驗(yàn)研究［J］.西北水電，2001（03）.

［11］張家發(fā)，定培中，張偉，等.水布埡面板堆石壩墊層料滲透與滲透變形特性試驗(yàn)研究.巖土力學(xué)，2009（10）.

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1008-1305（2017）05-0011-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.004

2017-04-01

賈寶萍（1965年—），女，高級工程師。