紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程大壩防滲土料設(shè)計(jì)研究

王明鋒

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程介紹

紅崖山水庫是我國(guó)著名的沙漠水庫，也是亞洲第一沙漠水庫，位于甘肅省河西走廊東北部的民勤縣，石羊河的中下游。該水庫的任務(wù)是以保護(hù)和改善民勤生態(tài)為主，兼顧灌溉、旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益，擔(dān)負(fù)著紅崖山灌區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，2個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)林場(chǎng)農(nóng)田及生態(tài)經(jīng)濟(jì)林草灌溉任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)著向青土湖輸送生態(tài)水量的任務(wù)。

該水庫始建于1958年，現(xiàn)狀總庫容9930萬m3，有效庫容6251萬m3，防洪庫容5703萬m3，水域面積25km2。通過加高擴(kuò)建后，水庫興利庫容為9030萬m3，總庫容1.48億m3，主要建筑物有大壩、溢洪道、泄洪閘及輸水洞等。大壩最大壩高為17.1m，大壩總長(zhǎng)7286m，其中東壩長(zhǎng)5988m，西壩長(zhǎng)1298m。

由于水庫歷經(jīng)了多次加高擴(kuò)建，現(xiàn)狀大壩體型與壩體斷面填筑材料及其分層結(jié)構(gòu)繁雜多變，壩體均一性差，密實(shí)度與透水性差異大；壩體心墻與斜墻等主要防滲體系均為一期修建，歷次加高擴(kuò)建壩體均未增設(shè)防滲體系；壩基防滲主要依靠壩前庫區(qū)多年落淤所形成的淤泥鋪蓋層。紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程需對(duì)現(xiàn)狀心(斜)墻進(jìn)行延伸加高，保證大壩完整的防滲體系。

2 大壩防滲土料選擇

水庫位于沙漠地帶，工程區(qū)周邊無防滲土料場(chǎng)，防滲土料經(jīng)過調(diào)查、篩選，最終選定在民勤縣城東側(cè)的蘇武山。該料場(chǎng)地形略有起伏，灘地與渾圓狀山包的高差10～15m，交通便利，至水庫約50km。料場(chǎng)地表為0.5～1.0m的沙土覆蓋，其下為新近系紅色粘土巖，層理清晰，近于水平狀產(chǎn)出。各項(xiàng)指標(biāo)均滿足防滲土料的質(zhì)量要求，但干縮后呈塊狀，堅(jiān)硬，施工制備難度大，成本較高。

為使所選防滲土料更符合工程實(shí)際，降低工程投資，設(shè)計(jì)對(duì)水庫清淤土料和清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為大壩防滲體填筑土料的可行性進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)研究。

2.1 水庫清淤土料作為防滲土料的試驗(yàn)研究

庫內(nèi)淤積物主要是上游河流挾帶的泥沙，其次為水庫周邊的風(fēng)沙入庫淤積。根據(jù)取樣試驗(yàn)結(jié)果，水庫淤積物主要由砂土及粉質(zhì)壤土組成。砂土中0.075～2mm粒徑的顆粒含量為55.5%～83.6%，0.005～0.075mm顆粒含量為16.2%～42.1%，不均勻系數(shù)3.1～5.1，有效粒徑在0.0169～0.0527mm。粉質(zhì)壤土比重為2.66～2.67，0.075～2mm粒徑的顆粒含量為29.5%～39.3%，0.005～0.075mm顆粒含量為25.7%～45.8%，小于0.005mm的顆粒含量13.5%～23.5%。

按照SL251- 2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》對(duì)庫區(qū)清淤土料的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，清淤土料中粘粒含量、塑性指數(shù)、擊實(shí)后的滲透系數(shù)不滿足規(guī)程要求。清淤土料試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 清淤土料試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果表

2.2 清淤土料摻配紅粘土作為防滲土料的試驗(yàn)研究

由于清淤土料不滿足防滲土料質(zhì)量要求的相關(guān)指標(biāo)，采用摻配蘇武山紅粘土的方法改良土料的質(zhì)量，使其各項(xiàng)指標(biāo)滿足防滲土料質(zhì)量要求。按照摻配蘇武山紅粘土質(zhì)量百分比為8%、10%、15%、20%，分別進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 清淤土料摻配蘇武山紅粘土試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同的摻配比例時(shí)對(duì)塑性指數(shù)的提高不顯著，當(dāng)摻配比例為20%時(shí)，除塑性指數(shù)9.8勉強(qiáng)達(dá)到規(guī)程要求的10～20的下限，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足防滲土料質(zhì)量要求。

3 大壩防滲土料設(shè)計(jì)

根據(jù)水庫清淤土料和清淤土料摻配蘇武山紅粘土試驗(yàn)結(jié)果，最終選定水庫清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為大壩防滲體填筑土料。依據(jù)SL274- 2001《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第2版》(土石壩)等規(guī)程規(guī)范資料，以及參考相關(guān)工程實(shí)例確定防滲土料各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。摻配料中摻配紅粘土料不低于20%，滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s，塑性指數(shù)為8.5～20，粒徑大于5mm的顆粒含量不超過50%，最大粒徑不大于150mm或鋪土厚度的2/3，0.075mm以下的顆粒含量不應(yīng)小于15%，易溶鹽含量(按質(zhì)量計(jì))不大于3%，有機(jī)質(zhì)含量(按質(zhì)量計(jì))不大于2%。由于庫區(qū)清淤土料的不均一性，摻配時(shí)磨細(xì)清淤土料、紅粘土料，充分?jǐn)嚢杈鶆?，?yán)禁有團(tuán)塊狀、塊狀的壤土、粘土、砂塊進(jìn)入防滲體。按照最大干密度1.90g/cm3、最優(yōu)含水量13.4%控制施工質(zhì)量。

4 大壩防滲土料制備

大壩最終采用水庫清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為壩體防滲體的填筑料。蘇武山紅粘土開挖后，拉運(yùn)至加工區(qū)指定的堆料場(chǎng)攤鋪堆放，翻曬使其失水干縮后由破碎機(jī)破碎，利用推土機(jī)集料，裝載機(jī)上料，用精細(xì)機(jī)械篩分級(jí)篩分，剔除無用晶體及難以破碎的堅(jiān)硬巖體后做為成品料集中堆放。對(duì)于摻配用的水庫清淤料，需進(jìn)行棄渣翻曬，利用裝載機(jī)上料，精細(xì)機(jī)械篩分級(jí)剔除腐殖雜質(zhì)及大粒徑不合格料后集中堆放。堆放料采取必要的防護(hù)措施，使其免受風(fēng)吹雨淋。制備合格后的粘土料與清淤土料在拌合站按2∶8(粘土料：清淤土料，質(zhì)量比)比例進(jìn)行攪拌，攪拌中加水，使其滿足填筑料設(shè)計(jì)含水率。加水量通過各壩體填筑區(qū)距離試驗(yàn)確定，攪拌均勻后利用1m3挖掘機(jī)挖裝，10t自卸汽車運(yùn)輸至壩體填筑區(qū)。

因大壩壩體較長(zhǎng)，填筑施工標(biāo)段較多，各標(biāo)段自行制備防滲土料難度大、費(fèi)用高，且施工中無法保證防滲土料質(zhì)量。為此，將各標(biāo)段所用防滲土料采用統(tǒng)一制備，按設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)制備成品料，根據(jù)運(yùn)距及施工方法等調(diào)整合適的含水率，各標(biāo)段直接拉運(yùn)成品防滲土料上壩填筑。根據(jù)實(shí)際施工情況，此方案能較好的控制防滲土料質(zhì)量，方便施工，保證壩體填筑質(zhì)量，節(jié)約工程投資。

5 大壩防滲土料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

為保證大壩防滲體填筑質(zhì)量，在防滲體上壩填筑前，對(duì)制備的摻配土料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。碾壓試驗(yàn)應(yīng)選擇能達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)且經(jīng)濟(jì)合理的壓實(shí)設(shè)備，碾壓試驗(yàn)參數(shù)主要為鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、行車速度、含水率控制標(biāo)準(zhǔn)以及土料的加水量等。根據(jù)DL/T5129- 2013《碾壓土石壩施工規(guī)范》要求和工程實(shí)際情況，結(jié)合已有施工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)所選用的碾壓設(shè)備為22t自行式凸塊碾，振動(dòng)碾激振力(強(qiáng)振)為35t，振幅1.45mm，振動(dòng)頻率35Hz，行駛速度2km/h。鋪土厚度以35cm、40cm和45cm分別進(jìn)行碾壓試驗(yàn)；碾壓遍數(shù)初步擬定三種，即6遍(靜2動(dòng)4)、8遍(靜2動(dòng)6)和10遍(靜2動(dòng)8)；土料含水率以設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)在防滲土料含水率基本不變的條件下，實(shí)測(cè)碾壓后干密度，根據(jù)干密度變化情況，最終確定防滲體填筑鋪土厚度及碾壓遍數(shù)。碾壓試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 防滲土料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果表

根據(jù)碾壓試驗(yàn)結(jié)果，紅崖山水庫大壩防滲體填筑施工鋪土厚度確定為40cm，碾壓設(shè)備選用22t自行式凸塊碾，碾壓遍數(shù)為8遍，先靜壓2遍，再動(dòng)壓6遍。根據(jù)后期施工抽檢試驗(yàn)，各抽檢樣組指標(biāo)參數(shù)變化較小，防滲體填筑質(zhì)量較好，滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

紅崖山水庫位于沙漠區(qū)，水庫東、西大壩總長(zhǎng)7300m，大壩防滲體填筑直接影響工程安全、投資和效益，合理選擇大壩防滲體填筑材料至關(guān)重要。

紅崖山水庫利用清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為壩體防滲體填料，將粘土巖晾曬粉碎后得到粘土料，通過對(duì)清淤土料按一定比例摻配粘土料改良防滲土料的方法，使摻配土料滿足防滲土料的各項(xiàng)指標(biāo)要求，解決工程區(qū)缺少防滲土料的困難。此設(shè)計(jì)方案能有效利用水庫清淤棄渣，減少清淤棄渣占地，既能滿足工程建設(shè)需要，保證工程運(yùn)行安全可靠，又節(jié)約工程投資，使得工程發(fā)揮更好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] SL 251- 2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[S].

[2] SL 274- 2001《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[3] DL/T 5129- 2013《碾壓土石壩施工規(guī)范》[S].

[4] 關(guān)志誠(chéng), 林昭, 曹克明, 等. 水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第2版(土石壩)[Z]. 中國(guó)水利電力出版社, 2014.

[5] 林昭, 碾壓土石壩設(shè)計(jì)[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2003.

[6] 張啟岳, 土石壩加固技術(shù)[Z]. 中國(guó)水利電力出版社, 1999.

[7] 阿不力米提, 曲苓. 恰甫其海粘土心墻壩的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2008(04): 56- 58.

[8] 王學(xué)萍, 桑守蓮, 李慧芳, 等. 烏拉泊土石壩材料動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2009(01): 56- 57.

[9] 黃長(zhǎng)寬. 摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料在土石壩中的應(yīng)用研究[J]. 人民長(zhǎng)江, 2016(S2): 79 - 82.

[10] 李小泉, 魯濤, 楊玉娟. 川西地區(qū)心墻堆石壩防滲土料的工程應(yīng)用與思考[J]. 水利水電技術(shù), 2016(12): 28- 30.