游龍溪水庫風(fēng)化泥巖筑壩防滲料性能研究

劉明菊,錢 斌

(1.遵義市水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563002；2.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川 成都 610207)

1 工程概況

游龍溪水庫位于赤水河右岸二級支流、小司河左岸一級支流游龍溪上游河段，屬于長江流域赤水河水系，地處習(xí)水縣杉王街道羊九村。水庫工程任務(wù)為村鎮(zhèn)供水，主要解決民化集鎮(zhèn)、隆興集鎮(zhèn)綜合生活用水問題和輸水管沿線的農(nóng)村人畜用水問題，水庫總庫容115萬m3，最大壩高43.0m，為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等。大壩為泥巖心墻土石壩，其中泥巖心墻防滲體約4.9萬m3，壩殼土石填筑量約29.6萬m3。心墻防滲體作為將滲流控制在允許范圍內(nèi)的核心結(jié)構(gòu)，防滲料性能的試驗分析是大壩結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容[1-2]。結(jié)合游龍溪水庫壩址區(qū)附近筑壩材料特性，通過室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，對風(fēng)化泥巖心墻的碾壓填筑施工技術(shù)指標(biāo)進行試驗研究，確保防滲心墻具有良好的抗?jié)B性能和力學(xué)性能[3-4]。

2 壩型適宜性分析

游龍溪水庫壩址區(qū)左岸基巖以巖屑石英砂巖(T3xj)為主，偶夾砂質(zhì)泥巖，為較硬巖；河床基巖為泥質(zhì)粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層(J1-2zl1)，為較軟巖與軟巖互層；右岸基巖以泥巖(J1-2zl2)為主，夾鈣、砂質(zhì)泥巖，為軟巖。壩址左岸至右岸依次為較硬巖、較軟巖、軟巖，其抗壓強度和變形模量都有顯著的差異，抗滑抗變形能力較差。壩基承載力、抗滑穩(wěn)定及變形穩(wěn)定等均很難滿足重力壩、拱壩等剛性壩指標(biāo)要求，不宜建剛性壩，宜建柔性壩[5-6]。

水庫工程中柔性壩主要包括：粘土心墻土石壩、均質(zhì)土壩、瀝青混凝土心墻土石壩、泥巖均質(zhì)壩、混凝土面板堆石壩及泥巖心墻土石壩等。游龍溪水庫項目區(qū)范圍內(nèi)天然建筑材料受地域地層分布影響較大，工程區(qū)出露基巖多為泥巖，僅局部夾有灰?guī)r；樞紐區(qū)附近土料貧乏，不宜選擇粘土料防滲，即不適宜修建粘土心墻土石壩和均質(zhì)土壩；瀝青混凝土壩施工需要專用機械和專業(yè)隊伍，且配合比、溫度、加荷速率等對瀝青混凝土的性能影響較大，故瀝青混凝土心墻土石壩也不能作為比選壩型；泥巖均質(zhì)壩相比泥巖心墻土石壩，具有筑壩材料單一、施工干擾少、施工工序簡單、便于機械化施工等優(yōu)點，但整個壩體的滲透系數(shù)需要達到10-4cm/s以上，相應(yīng)壩體的填筑、碾壓、養(yǎng)護、檢測等防滲技術(shù)指標(biāo)要求高、填筑質(zhì)量控制難度大，且滿足防滲要求的泥巖量需求量也較多；泥巖心墻土石壩壩型，壩基開挖產(chǎn)生的土石渣可作為上下游壩體填筑材料[7]，雖防滲心墻防滲指標(biāo)較高，其滲透系數(shù)不得大于10-5cm/s，但通過試驗和類似工程建設(shè)經(jīng)驗，當(dāng)?shù)啬鄮r風(fēng)化料經(jīng)嚴(yán)格控制灑水、晾曬及填筑質(zhì)量控制后，其滲透系數(shù)能滿足大壩填筑施工要求，且泥巖心墻土石壩所需的泥巖料遠小于泥巖均質(zhì)壩，施工填筑質(zhì)量更易于控制。另外，相比面板堆石壩，泥巖心墻土石壩存在以下優(yōu)勢：①壩址區(qū)的覆蓋層較厚、強風(fēng)化深。為滿足建基面要求，混凝土面板堆石壩的開挖量要比泥巖心墻土石壩大。②混凝土面板堆石壩的面板不均勻沉降較為敏感，面板澆筑前堆石壩體需要經(jīng)過較長沉降期，待堆石體結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定后方能進行面板施工，同時面板澆筑完成后至蓄水前還須經(jīng)過較長養(yǎng)護期，工期較長且面板易產(chǎn)生裂縫；泥巖心墻土石壩直接碾壓施工，施工工期相對較短[8]。③在壩區(qū)附近就有滿足泥巖心墻土石壩要求的土石料場，而能滿足混凝土面板堆石壩筑壩要求的石料場距壩址較遠，運輸距離較長，成本較高。④泥巖心墻土石壩蓄水后的適應(yīng)性較好，且對滲漏易處理；而混凝土面板堆石壩面板則易出現(xiàn)裂縫且維修養(yǎng)護難度較大。

從6種柔性壩壩型技術(shù)特性分析可知，泥巖心墻土石壩在地質(zhì)適宜性、壩體填筑工程量、當(dāng)?shù)仫L(fēng)化泥巖及開挖土石渣合理利用、防滲性能、施工條件等方面較其它5種柔性壩優(yōu)。因此，優(yōu)選技術(shù)性能更可行、經(jīng)濟更優(yōu)且安全可靠的泥巖心墻土石壩壩型。

3 心墻防滲料性能試驗

3.1 大壩填筑分區(qū)

游龍溪水庫大壩壩型為泥巖心墻土石壩，壩軸線長194.0m，壩頂寬6.0m，最大壩高43.0m，最大壩底厚175.1m。上游壩坡坡比1∶2.3，采用10cm厚C20混凝土預(yù)制塊護坡；下游壩坡1∶2.3，坡面采用C20混凝土網(wǎng)格植草護坡，下游壩坡設(shè)有2.0m寬的馬道，壩腳設(shè)干砌塊石排水棱體。壩體從上游至下游分別為上游壩殼土石料區(qū)、上游反濾過渡料區(qū)，泥巖心墻區(qū)、下游反濾過渡料區(qū)、下游壩殼土石料區(qū)、下游水平排水區(qū)及排水棱體區(qū)，分區(qū)示意如圖1所示。

圖1 壩體分區(qū)示意

3.2 土料來源

對泥巖心墻土石壩而言，料源質(zhì)量是水庫能否成功蓄水的關(guān)鍵。游龍溪水庫大壩填筑所需天然建筑材料主要有泥巖心墻防滲料、壩殼土石料及塊石、碎石、砂石等石料。對工程區(qū)進行現(xiàn)場勘察、鉆探及巖礦鑒定后，選擇Ⅰ號料場的泥巖料、Ⅴ號料場的土料作為泥巖心墻的填筑料，同時Ⅰ號料場兼作大壩壩殼料的料場。Ⅰ號料場位于游龍溪溝右岸青杠林附近，距大壩近，平均運距約0.9km，總儲量為228.7萬m3，其儲量、質(zhì)量均能滿足心墻防滲料及大壩壩殼料的要求。料場地表多被第四系殘坡積含碎石粘土覆蓋，厚0.5～2.5m，出露地層巖性為侏羅系中下統(tǒng)自流井群第4層(J1-2zl4)瘤狀鐵染粉砂質(zhì)粘土巖，第3層(J1-2zl3)灰?guī)r、第2層(J1-2zl2)泥巖，自然岸坡穩(wěn)定性較好。另外，根據(jù)巖礦鑒定報告知自流井群第4層(J1-2zl4)為瘤狀鐵染粉砂質(zhì)粘土巖，其中粘土礦物占70%，陸源碎屑占28%，鐵質(zhì)礦物占2%。Ⅴ號土料場位于壩址區(qū)青杠林附近近河床緩坡地帶，場區(qū)地形較平緩，為第四系殘坡積粘土、含少量碎石及砂卵礫石，土體滲透系數(shù)1×10-4～1×10-5cm/s，總儲量約3.97萬m3，有用層儲量2.7萬m3，開采率65%～70%。

3.3 室內(nèi)試驗

為確定防滲心墻風(fēng)化防滲料具有較好的抗?jié)B性能和力學(xué)性能，從料場采集新鮮砂質(zhì)泥巖進行室內(nèi)試驗，并與天然建筑材料技術(shù)要求進行對比，見表1。

從表1現(xiàn)場取樣作室內(nèi)試驗成果可知，料場泥巖料除含水率指標(biāo)不滿足最優(yōu)含水率要求外，其余指標(biāo)均能滿足天然建筑材料防滲質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求，而泥巖料的含水率可通過灑水翻曬后達到最優(yōu)含水率，故料場質(zhì)量能夠滿足大壩填筑施工技術(shù)指標(biāo)要求。

表1 料場粉砂質(zhì)泥巖試驗成果

根據(jù)室內(nèi)試驗成果及SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[9]要求，游龍溪水庫大壩壩殼料及泥巖心墻的設(shè)計控制技術(shù)指標(biāo)，見表2。

表2 壩殼土石料及泥巖心墻防滲體填筑技術(shù)指標(biāo)

3.4 現(xiàn)場碾壓試驗

3.4.1碾壓試驗成果

壩殼土石料和泥巖心墻防滲體的設(shè)計壓實度分別為96.0%、97%。在控制好上壩料級配后，分別采用26t振動碾、22t凸塊碾進行碾壓，碾速2.0km/h。先后進行了2次現(xiàn)場碾壓試驗，第1次壩殼土石料鋪料厚度為850mm(泥巖心墻料為450mm)，第2次鋪料厚度為950mm(泥巖心墻料為550mm)，碾壓遍數(shù)分別為6、8和10次。經(jīng)碾壓試驗得壩殼土石料和泥巖心墻料碾壓試驗成果，見表3—4。

表3 壩殼土石料碾壓試驗成果

3.4.2碾壓參數(shù)確定

根據(jù)表2防滲體填筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合表3和表4試驗成果，確定游龍溪水庫大壩的壩殼土石料區(qū)及泥巖心墻料區(qū)的碾壓參數(shù)，見表5。

表4 泥巖心墻料碾壓試驗成果表

表5 碾壓參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

游龍溪水庫受地形地質(zhì)條件、天然建筑材料和氣候等限制，優(yōu)先考慮采用當(dāng)?shù)仫L(fēng)化泥巖料作為壩殼土石料和泥巖心墻料。為確保風(fēng)化泥巖料防滲體具有良好抗?jié)B性能和力學(xué)性能，經(jīng)過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗主要得到以下結(jié)論：

(1)由室內(nèi)試驗可知，Ⅰ號料場的泥巖料，除含水率(強風(fēng)化1.15、弱風(fēng)化1.28)不滿足外，其余指標(biāo)均滿足天然料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，具有良好的壓實性能。通過灑水翻曬后達到最優(yōu)含水率，風(fēng)化泥巖能滿足大壩填筑施工需求。

(2)壩殼料現(xiàn)場碾壓試驗最大干密度2.09g/cm3，最優(yōu)含水率12.2%，滲透系數(shù)為2.2×10-3cm/s；泥巖心墻料的室內(nèi)擊實試驗最大干密度2.07g/cm3，最優(yōu)含水率8.9%，滲透系數(shù)為6.49×10-6cm/s，滿足規(guī)范對壩殼料和心墻料防滲性能要求。

(3)研究成果表明游龍溪水庫采用當(dāng)?shù)仫L(fēng)化泥巖作為防滲料是合理可行的，技術(shù)經(jīng)濟效益好，可為類似工程的設(shè)計優(yōu)化和施工組織提供一定借鑒參考。