肯尼亞高液限紅粘土用于填筑均質(zhì)壩的可行性研究

張 凱

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）第六設(shè)計(jì)院有限公司，上海230031）

0 引言

肯尼亞位于非洲東部，赤道橫貫中部，東非大裂谷縱貫?zāi)媳?。東鄰索馬里，南接坦桑尼亞，西連烏干達(dá)，北與埃塞俄比亞、南蘇丹交界，東南瀕臨印度洋。某水庫(kù)項(xiàng)目壩址位于肯尼亞中部地區(qū)、Gatundu行政區(qū)，最大壩高58 m，總庫(kù)容約2600萬(wàn)m3。工程區(qū)主要出露地層有第三系（A）火成巖及新生界第四系（Q）松散覆蓋層。第三系的古老地層主要廣泛出露于高原溝谷兩岸和深切河谷的底部。第四系松散地層主要分布于河谷中及各階地之上，其巖性以河流洪沖積形成的紅粘土為主。壩址附近混凝土粗、細(xì)骨料缺乏，而高液限紅黏土儲(chǔ)量豐富，擬就地取用高液限黏土作為均質(zhì)土壩材料。

紅粘土符合筑壩材料的特殊土類(lèi)，用于筑壩，需對(duì)其滲透性、土力學(xué)特性進(jìn)行研究分析，并對(duì)壩體的滲透、穩(wěn)定和變形分析計(jì)算，提出應(yīng)采取的工程措施，解決施工期孔隙水壓力消散問(wèn)題。

1 紅粘土的特性

1.1 紅粘土物理性質(zhì)

庫(kù)區(qū)紅粘土天然含水率39.5～65.4%，平均值48.2%，塑性指數(shù)31.8～49.7，平均值39.3，粘粒含量27.3%～67.3%，平均值46.7%，干密度為0.85 g/cm3～1.12 g/cm3，平均值為1.00 g/cm3。對(duì)土料場(chǎng)中土層取擾動(dòng)樣，采用輕型擊實(shí)，得其最優(yōu)含水率為44.4%～55.1%，平均值為48.5%，最大干密度為1.04 g/cm3～1.20 g/cm3，平均值為1.13 g/cm3。

1.2 紅粘土力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)規(guī)范［1］，按照0.96的壓實(shí)度配樣對(duì)所配土樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，不固結(jié)不排水（UU）條件下其凝聚力c平均值為37.0 kPa，內(nèi)摩擦角φ平均值為6.4°；固結(jié)排水（CU）條件下其凝聚力c平均值為39.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ平均值為13.7°，有效凝聚力c"平均值為33.4 kPa，有效內(nèi)摩擦角φ"平均值為27.9°。

1.3 紅粘土水力性質(zhì)及破壞準(zhǔn)則

根據(jù)紅粘土的顆分、孔隙率等指標(biāo)及滲透性能，按照經(jīng)驗(yàn)公式［2］，可知地基土破壞形式為流土破壞，允許值可為0.65～0.73。其滲透性能在2e-5 cm/s～2e-6 cm/s。其自由膨脹率為15%～39%，不具膨脹性。對(duì)所配土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，得出土料在配樣壓實(shí)后作為均質(zhì)壩土料與防滲土料，其滲透性均能滿足規(guī)范要求。

1.4 紅粘土變形特性

紅黏土的液限高達(dá)91.4，因此變形是筑壩主要控制指標(biāo)。

2 紅粘土筑壩可行性分析

2.1 材料特性

從紅黏土滲透特性可知，其防滲性能滿足均質(zhì)土壩滲透性小于1e-4 cm/s的要求，也滿足作為心墻料的不大于1e-5 cm/s的要求，可以作為筑壩防滲土料；從紅黏土土力學(xué)特性可知，該土料摩擦角一般大于15°，可滿足筑壩穩(wěn)定性。

2.2 紅粘土的壓實(shí)特性

（1）室外現(xiàn)場(chǎng)碾壓實(shí)驗(yàn)

為了確定紅粘土的壓實(shí)性能以及土料壓實(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度時(shí)，土料的含水率和干密度變化范圍。做了碾壓試驗(yàn)［3］，分別試驗(yàn)鋪土厚度30 cm、35 cm和40 cm的三種，并試驗(yàn)不同壓實(shí)度的工況。結(jié)果表明，碾壓試驗(yàn)可行，含水率控制在ω0-5%～ω0范圍，滲透系數(shù)＜1×10-5cm/s；土的松鋪厚度宜控制在25 cm～35 cm，碾壓遍數(shù)為6～10；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最優(yōu)干密度為1.10，壓實(shí)度滿足0.96的要求，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 不同碾壓遍數(shù)不同碾壓厚度，干密度與含水率的關(guān)系曲線

圖2 不同碾壓遍數(shù)不同碾壓厚度，干密度與含水率的關(guān)系曲線

（2）室內(nèi)試驗(yàn)

進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)比較（圖3），最優(yōu)含水量46%，最優(yōu)干密度1.24。試驗(yàn)土樣取自深層，下部相對(duì)干燥。

圖3 土料場(chǎng)擊實(shí)試驗(yàn)成果

2.3 紅粘土均質(zhì)壩的滲透、穩(wěn)定分析

1）壩體斷面及防滲設(shè)計(jì)

結(jié)合Thika壩［2］的施工經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范［1］，擬定大壩的體型、分區(qū)結(jié)構(gòu)等基本參數(shù)。上游壩坡分為三級(jí)，壩坡坡比自上而下為1∶3.5、1∶4.5、1∶4.5，在高程1847 m、1831 m各設(shè)一臺(tái)馬道，馬道寬分別為3.0 m、5.0 m。下游壩坡分為四級(jí)，壩坡坡比自上而下為1∶2.5、1∶3、1∶3、1∶2，在高程1846 m、1831 m、1818 m各設(shè)一臺(tái)馬道，馬道寬均為3 m。下游壩體內(nèi)設(shè)置豎式排水體，排水體頂高程為1853.0 m，厚度為2.0 m，其底部布置水平排水體，排水體厚度為2.6 m，與下游排水棱體相連。排水棱體壩內(nèi)邊坡為1∶1.5，向壩外邊坡為1∶2，排水棱體最大高度為14.0 m。為加速施工期填筑料排水，降低施工期孔隙水壓力，在上游布設(shè)6層水平排水層，下游壩體布設(shè)7層水平排水層，相距3.0 m。排水層采用厚0.3 m的中砂、碎石混合層，縱坡1%。河床段挖除上部覆蓋層，開(kāi)挖深度約4 m；兩岸清基深度平均約2 m。壩基進(jìn)行帷幕灌漿處理，順壩軸線布置，深度按伸入10 Lu線以下3 m控制。河床段截水槽底部設(shè)混凝土蓋板，并進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度為5 m。兩岸覆蓋層采用高壓旋噴防滲墻防滲，見(jiàn)圖4。

圖4 大壩設(shè)計(jì)斷面

2）滲流計(jì)算

根據(jù)規(guī)范［1］分別采用穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流方法，進(jìn)行平面有限元滲流計(jì)算。

（a）計(jì)算參數(shù)

滲流計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

（b）計(jì)算成果

該大壩年滲透量約24.55萬(wàn)m3，滲漏損失小于總水庫(kù)的5%，滲漏損失滿足規(guī)范要求。不同工況壩基和壩體不會(huì)發(fā)生滲透變形破壞，滲透穩(wěn)定滿足要求，見(jiàn)表2。

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表

表2 滲透比降計(jì)算成果表

3）穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)規(guī)范［1］，進(jìn)行平面有限元穩(wěn)定計(jì)算。

（a）計(jì)算參數(shù)

根據(jù)擊實(shí)后的e-p曲線，對(duì)應(yīng)含水量48%，總應(yīng)力800 kPa時(shí)，計(jì)算孔隙水壓力系數(shù)為0.11，孔隙水壓力系數(shù)取0.20，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算參數(shù)

（b）計(jì)算成果

上游壩坡控制工況為“正常蓄水位驟降至死水位時(shí)，下游無(wú)水”，計(jì)算值1.22大于規(guī)范規(guī)定值1.2；下游壩坡控制工況為“正常蓄水位1855 m驟降至死水位1835.0 m時(shí)，下游無(wú)水”，計(jì)算值1.209大于規(guī)范規(guī)定值1.20，滿足穩(wěn)定要求。

2.4 紅粘土均質(zhì)壩的沉降分析

大壩沉降量包括施工期沉陷量和竣工后沉降量。沉降計(jì)算方法根據(jù)規(guī)范［1］采用分層總和法計(jì)算。沉降計(jì)算公式如下：

式中：ei為第i層分層厚度二分之一處的自重應(yīng)力Pi作用下的孔隙比；eit為第i層分層厚度二分之一處至壩頂?shù)淖灾貞?yīng)力Pit作用下的孔隙比；n為分層數(shù)目；hi為第i層土層厚度。

經(jīng)計(jì)算，大壩最大斷面最終沉降量為1.564 m。對(duì)于3級(jí)及3級(jí)以下土石壩，竣工期的沉陷量可按最終沉降量的80%估算，為1.25 m。根據(jù)已有國(guó)外一些土石壩的觀測(cè)成果［4］，竣工后達(dá)到最終沉降時(shí)，沉降壓縮率都不大，變化范圍從0.04%～1%之間，而主要集中在0.2%附近。最大壩高58.0 m，小于70 m壩高，按1.0%預(yù)留大壩沉降值。

2.5 施工期孔隙水壓力的分析

利用Geo-Studio中的SEEP模塊和SIGMA模塊，壩體分三期填筑，填筑速度為1.0 m/day，將填筑過(guò)程中的SIGMA計(jì)算得到的應(yīng)力分布層引入SEEP模塊中來(lái)計(jì)算孔隙水壓力的變化，一期填筑、二期填筑時(shí)間、三期填筑時(shí)間間隔均為5 d。

通過(guò)分析，施工期大壩內(nèi)部孔隙水壓力較高，在采用水平排水之后，壩體內(nèi)孔隙水壓力有一定的降低，可保證大壩施工期的安全穩(wěn)定。

3 結(jié)論

從紅黏土滲透特性可知，防滲性能滿足均質(zhì)土壩滲透性小于1e-4 cm/s的要求，也滿足作為心墻料的不大于1e-5 cm/s的要求，可作為筑壩防滲土料；從紅黏土土力學(xué)特性可知，該土料摩擦角一般大于15°，滿足筑壩穩(wěn)定性。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)以及計(jì)算，高液限紅粘土均質(zhì)壩，其滲流、穩(wěn)定、沉降均滿足規(guī)范要求，并且具備可施工性；但施工期需要采取措施，主要控制該土的最優(yōu)含水量指標(biāo)；控制填筑速度，最大限度滿足空壓消散，減少沉降變形，確保施工期壩坡安全。