膠結(jié)碎石土在黏土心墻壩中的應(yīng)用

劉占濤

(新賓滿族自治縣水務(wù)局南雜木水利站，遼寧 撫順 113217)

天然碎石土是由巖石風(fēng)化產(chǎn)生的一種砂石材料，它由巖石不同風(fēng)化程度的產(chǎn)物混合而成，母巖風(fēng)化后形成較小的巖塊，巖塊繼續(xù)風(fēng)化形成大的碎石，大碎石再經(jīng)過一定的物理化學(xué)變化之后形成了細(xì)礫、砂和細(xì)粒，這就是碎石土。受風(fēng)化程度的影響，碎石土物理力學(xué)性質(zhì)也有很大的差異，由碎石土的成因可以知，其常見于山丘地區(qū)[1- 4]。碎石土物理力學(xué)性能不夠穩(wěn)定，對于碎石土的一般處理辦法是對其進(jìn)行膠結(jié)，最常見的是利用水泥對碎石土進(jìn)行膠結(jié)，試驗表明，膠結(jié)后的碎石土物理力學(xué)性能有很大程度的提升[5- 7]。

伴隨著水電行業(yè)的發(fā)展，對于黏土心墻壩的施工技術(shù)研究逐漸受到大家的重視，特別是對于不良地質(zhì)條件黏土心墻壩的設(shè)計和施工開展了許多研究[8- 10]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，本著安全經(jīng)濟(jì)的原則，對于一些不良的地質(zhì)情況，應(yīng)該多探討施工方法和工藝，以期提高大壩的安全穩(wěn)定性能并盡可能地節(jié)約投資。

本文以某壩基為碎石土的黏土心墻壩為工程背景，通過對水泥膠結(jié)的碎石土進(jìn)行一系列的室內(nèi)土工試驗獲取計算參數(shù)，利用Geo- studio有限元分析軟件模擬大壩的沉降量和通過壩基的滲透量，探討膠結(jié)碎石土在黏土心墻壩中的應(yīng)用，以期為相似的工程提供一定的參考借鑒作用。

1 試驗材料與試驗方法

某擬建黏土心墻壩經(jīng)過前期勘察發(fā)現(xiàn)在基巖上覆蓋有平均10m深的碎石土層，如果采用開挖換填的壩基處理技術(shù)，開挖量、回填量巨大，不利于投資，因此擬對壩基碎石土層進(jìn)行膠結(jié)。試驗所用碎石土取自設(shè)計壩基建基面以下1m深處的原狀樣，主要由礫粒、砂粒以及細(xì)粒構(gòu)成，表1為其顆粒成分組成表。膠結(jié)碎石土試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O32.5。

表1 碎石土顆粒成分組成表

研究表明：在對碎石土進(jìn)行膠結(jié)改良時，水泥摻量為10%左右基本能夠滿足工程需要，本文膠結(jié)碎石土試驗水泥摻量定為10%。通過對碎石土以及水泥膠結(jié)后的碎石土分別進(jìn)行密度、含水率、滲透、側(cè)限壓縮、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗，以獲得碎石土及膠結(jié)后的試驗參數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

通過一系列試驗可得碎石土容重為18.3kN/m3，滲透系數(shù)為7.8×10-4cm/s，變形模量為25MPa，泊松比為0.18?？紤]到水泥齡期的關(guān)系，試驗時間過早會導(dǎo)致水泥水化作用不充分，試驗數(shù)據(jù)不合理，因此膠結(jié)碎石土統(tǒng)一在7d后開展相應(yīng)的試驗研究，膠結(jié)碎石土容重為20.2kN/m3，滲透系數(shù)為2.3×10-5cm/s，變形模量為72MPa，泊松比為0.15。由膠結(jié)前后的試驗結(jié)果對比可知，通過水泥的膠結(jié)作用，碎石土的容重增加，滲透性系數(shù)降低了近5倍，變形模量提高了3倍，各方面性能均得到改善。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

由前期勘察資料可知，基巖上部覆蓋平均厚度為10m的碎石土層，大壩壩高40m，黏土心墻厚度為3～9m，迎水面壩坡比為1∶1.5，背水面壩坡比為1∶1.75，正常蓄水位38m，設(shè)計洪水位39m，校核洪水位39.5m，正常蓄水位對應(yīng)的庫容為4.78×106m3，筑壩所用黏土心墻及上下游壩料均用當(dāng)?shù)夭牧稀Ｈ鐖D1為利用Geo- studio有限元軟件建立的本次數(shù)值模擬的黏土心墻壩模型，采用四邊形單元，網(wǎng)格剖分一共劃分了2709個單元和2798個節(jié)點。

圖1 膠結(jié)碎石土黏土心墻壩模型

由地質(zhì)勘查資料結(jié)合本文的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以得到本次數(shù)值模擬的參數(shù)取值，表2為本次數(shù)值模擬的參數(shù)匯總表。利用Geo- studio應(yīng)力變形模塊以及滲透模塊，模擬碎石土層壩基在膠結(jié)前后的水平方向以及豎直方向的沉降量，以及通過壩基的滲漏量。

表2 膠結(jié)碎石土黏土心墻壩數(shù)值模擬參數(shù)匯總表

3.2 沉降量數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖2為碎石土層膠結(jié)前后黏土心墻壩水平方向位移，由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，以壩軸線為分界，上游壩坡會發(fā)生向上游的位移，下游壩坡會發(fā)生向下游的位移。如果直接在碎石土層上修建黏土心墻壩時，上游壩坡最大的水平位移為20cm，下游壩坡最大的水平位移為15cm；而將碎石土層膠結(jié)之后，利用膠結(jié)的碎石土層作為壩基，上游壩坡的最大水平位移為10cm，下游壩坡的最大水平位移為5cm。通過碎石層膠結(jié)前后上下游壩坡的位移結(jié)果對比分析可知，碎石土層膠結(jié)后，大壩的水平位移顯著減少，上游壩坡的水平位移降低了50%，下游壩坡的水平位移降低了67%，原因在于碎石土層膠結(jié)后變形模量得到了顯著的提高，因此變形量會減少。

圖2 碎石土層膠結(jié)前后黏土心墻壩水平方向位移

圖3為碎石土層膠結(jié)前后黏土心墻壩豎直方向位移，由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，大壩在豎直方向上會發(fā)生比較大的沉降。如果直接在碎石土層上修建黏土心墻壩，由于自重的作用，不僅黏土心墻和壩料會發(fā)生沉降，碎石土層也會由于上覆土的自重而產(chǎn)生沉降。在碎石土層的最大豎直方向的位移達(dá)到100cm，而大壩的最大豎直方向的位移能夠達(dá)到200cm，如此大的沉降量在工程上是不允許的，沉降量過大會導(dǎo)致防滲心墻與壩料之間的接觸變差，進(jìn)而影響大壩的防滲效果。將碎石土層膠結(jié)后，利用膠結(jié)的碎石土層作為壩基，從圖3中可以看出，在上覆土重的作用下，膠結(jié)碎石土層基本不發(fā)生變形，且大壩最大的豎直方向上的沉降量也降為120cm。通過碎石層膠結(jié)前后大壩豎直方向的沉降量結(jié)果對比分析可知，碎石土層膠結(jié)后，大壩的豎直方向上的沉降量顯著減少，相比于未膠結(jié)前，膠結(jié)后的大壩豎直方向的沉降量減少了40%，這是由于碎石土層膠結(jié)后其變形模量得到了顯著的提高，在上覆土層的自重荷載作用下膠結(jié)碎石土層的沉降量很小，因此大壩的整體沉降量顯著降低。沉降量的降低有助于大壩的快速施工和大壩在施工期的安全穩(wěn)定性能。

圖3 碎石土層膠結(jié)前后黏土心墻壩豎向沉降量

3.3 滲漏量數(shù)值模擬結(jié)果與分析

圖4為利用Geo- studio軟件中的Seep模塊，模擬碎石土層膠結(jié)前后通過黏土心墻壩壩基的滲漏量。由圖4膠結(jié)前后的對比結(jié)可知，在膠結(jié)前通過壩基的單寬滲漏量為2.63×10-5m3/s，而對碎石土層膠結(jié)后，通過大壩壩基的單寬滲漏量為2.48×10-6m3/s。從結(jié)果可知，對碎石土層膠結(jié)后通過大壩壩基的單寬滲漏量降低了接近10倍，這說明膠結(jié)后的碎石土層對大壩的滲漏量的控制作用是很明顯的，這是由于水泥的水化作用，將碎石土層中顆粒膠結(jié)了起來，減少了水流的滲透通道，提高了碎石土層的滲透性能。

圖4 碎石土層膠結(jié)前后通過壩基的單寬滲漏量

4 結(jié)論

本文通過對碎石土進(jìn)行一系列的室內(nèi)土工試驗，并利用Geo- studio有限元軟件對壩基為碎石土層的黏土心墻壩進(jìn)行豎直模擬，結(jié)論如下。

(1)碎石土層在膠結(jié)后，各項物理力學(xué)性能指標(biāo)均得到了很大的提升。

(2)碎石土層膠結(jié)后，其黏土心墻壩的水平方向和豎直方向的位移均明顯減少。

(3)碎石土層膠結(jié)后，通過黏土心墻壩壩基的單寬滲漏量顯著降低。

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