基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩水庫建設(shè)研究

何 明

(新疆昌源水務(wù)準(zhǔn)東供水有限公司,烏魯木齊 831700)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源的需求不斷增加,而可用于供水的天然水資源有限[1-2]。因此,水資源的合理利用和管理變得越來越重要[3-4]。水庫作為一種重要的水資源管理設(shè)施,能夠調(diào)節(jié)和儲存水資源,提高供水的可靠性和安全性[5]。在諸多類型的水庫中,黏土斜心墻壩是一種常見的壩型,因其具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于水庫建設(shè)中[6-7]。填筑技術(shù)是水庫工程建設(shè)中常見的一項(xiàng)施工技術(shù),用于水庫地基處理、填平地表或筑壩等,通過運(yùn)輸,將地表或地基的高低差填平[8-9]。在黏土斜心墻壩水庫的建設(shè)中,填筑技術(shù)的作用尤為重要[10]。但填筑技術(shù)的實(shí)施受到多種因素的影響,如填筑材料的質(zhì)量、施工工藝、氣候條件等[11]。此外,填筑過程中還可能產(chǎn)生沉降和變形等物理變化,對水庫的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[12]。

因此,本文基于填筑技術(shù)的視角,對黏土斜心墻壩水庫建設(shè)進(jìn)行深入研究,揭示黏土斜心墻壩水庫建設(shè)中填筑技術(shù)的影響機(jī)制,研究結(jié)果可為優(yōu)化施工工藝和提高水庫建設(shè)質(zhì)量提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 工程概況

本次研究以某水庫工程為實(shí)例,水庫總?cè)萘?×108m3,考慮到水庫的容量、年降雨量、蒸發(fā)量、流域面積、灌溉面積、供水需求等因素,年供水量約1 825×104m3。該水庫主要功能以防洪和農(nóng)業(yè)灌溉為主,同時為區(qū)域性生態(tài)環(huán)境及市政供水。水庫大壩采用黏土斜心墻壩結(jié)構(gòu),壩頂高程2 830m,設(shè)計洪水位2 823m,正常蓄水位2 820m,死水位2 790m,壩基位2 750m,巖基位2 710m,壩基防滲墻頂高程2 760m。黏土斜心墻壩剖面圖見圖1。

圖1 黏土斜心墻壩剖面圖

根據(jù)設(shè)計水位和下游水位,計算壩體的容積和穩(wěn)定性,以滿足防洪和蓄水需求。壩體容積V的計算公式如下:

V=A×H

(1)

式中:A為壩頂面積;H為壩高。

根據(jù)防滲要求、地基條件和施工工藝等,確定黏土心墻的厚度和高度,以滿足防滲和穩(wěn)定性的要求。黏土心墻厚度t的計算公式如下:

t=(α×V)/(10×d)

(2)

式中:α為黏土心墻的容重;d為水的重度。

黏土心墻的材料性質(zhì)對壩體的防滲和穩(wěn)定性有重要影響,因此需要選取符合設(shè)計要求的填筑材料。黏土心墻高度h的計算公式如下:

h=(γ×V)/(γ1×A)

(3)

式中:γ為黏土心墻的容重;γ1為水的重度。

2 基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩水庫建設(shè)研究

斜心墻壩的土料鋪填過程是水庫工程建設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其操作順序和質(zhì)量控制直接關(guān)系到大壩的整體性能和穩(wěn)定性。首先根據(jù)設(shè)計要求和施工計劃,選取符合標(biāo)準(zhǔn)的土料,并進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和清洗,確保土料中不含有雜質(zhì)和砂石。將篩選好的土料進(jìn)行混合,保證土料的均勻性和一致性。一般采用機(jī)械攪拌和人工翻拌相結(jié)合的方式,使土料充分混合,然后進(jìn)行土料的鋪設(shè)。根據(jù)設(shè)計要求和施工計劃,將土料分層鋪設(shè)在大壩的斜心墻上。在鋪設(shè)過程中,要嚴(yán)格控制土料的厚度、壓實(shí)度和含水量等參數(shù),確保每層土料都得到充分壓實(shí)。同時,采用專業(yè)的測量儀器對土料的鋪設(shè)厚度和壓實(shí)度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。最后,對鋪設(shè)好的土料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和保護(hù)。采取定期澆水保濕、覆蓋保護(hù)層等措施,以防止土料干燥、開裂或受損。斜心墻壩的土料鋪填過程需要嚴(yán)格控制每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量,確保大壩的安全性和穩(wěn)定性。同時,加強(qiáng)施工管理和技術(shù)監(jiān)督,保證工程質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求和使用壽命。黏土斜心墻壩填筑施工技術(shù)流程見圖2。

圖2 水庫黏土斜心墻壩填筑技術(shù)流程圖

斜心墻壩體土料碾壓的目的是通過機(jī)械碾壓,提高土料的密實(shí)度,從而達(dá)到防滲和穩(wěn)定性的要求。在斜心墻壩體土料碾壓過程中,首先需要選擇符合設(shè)計要求的土料,并進(jìn)行篩選和清洗,以確保土料的質(zhì)量。然后將篩選好的土料進(jìn)行混合,使土料充分均勻。在鋪設(shè)和碾壓過程中,需要使用專業(yè)的碾壓設(shè)備,如振動碾或羊足碾等,對土料進(jìn)行分層碾壓。通過控制碾壓設(shè)備的行走速度和碾壓次數(shù),確保每層土料的密實(shí)度達(dá)到設(shè)計要求。同時,為了防止出現(xiàn)“彈簧土”等質(zhì)量問題,需要對不合格的土層進(jìn)行翻新和重新碾壓。在碾壓過程中,需要加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測和質(zhì)量控制。通過采用專業(yè)的密實(shí)度監(jiān)測儀器,對土料的密實(shí)度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。同時,為了防止土料干燥和開裂等問題,需要采取保濕和覆蓋等保護(hù)措施。斜心墻壩體土料碾壓是水庫工程建設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),通過嚴(yán)格控制施工質(zhì)量和加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測,可以提高大壩的防滲性能和穩(wěn)定性,確保工程的安全性和使用壽命。

在黏土斜心墻壩的填筑施工前,需進(jìn)行充分的準(zhǔn)備工作,包括對施工圖紙的詳細(xì)審查,以確認(rèn)所有細(xì)節(jié)和技術(shù)要求;制定全面而詳細(xì)的施工計劃,考慮到可能出現(xiàn)的各種情況,并設(shè)定明確的時間表;對施工設(shè)備進(jìn)行全面的檢查和調(diào)試,確保其運(yùn)行正常,滿足施工需求;進(jìn)行必要的材料采購,確保施工所需的材料質(zhì)量和數(shù)量。對于土料的選取,嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行選擇和采購。在土料進(jìn)入施工現(xiàn)場前,需進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和清洗,以去除其中的雜質(zhì)和不合格的部分。同時,將選取的土料進(jìn)行充分混合,保證各種土料的分布均勻。在填筑過程中,采用分層鋪設(shè)、分層壓實(shí)的方法,以確保每層土料都得到充分的壓實(shí)。并在此過程中,嚴(yán)格控制土料的鋪設(shè)厚度、壓實(shí)度和含水量等參數(shù),確保每一層的填筑質(zhì)量。在填筑過程中,為了保證施工效果,施工單位應(yīng)將體型較大的顆粒材料鋪設(shè)在前面,在鋪設(shè)材料時,施工單位要對相鄰位置之間的距離進(jìn)行合理設(shè)計,保證距離的可行性,實(shí)現(xiàn)施工的順利開展。同時,采用專業(yè)的測量儀器對填筑質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。填筑完成后,需進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)和保護(hù)措施。定期澆水保濕、覆蓋保護(hù)層等措施可以防止土料干燥、開裂或受損。斜心墻壩填筑的施工原則作為確保工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié),需嚴(yán)格控制每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量,并加強(qiáng)施工管理和技術(shù)監(jiān)督,以確保大壩的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩碾壓試驗(yàn)分析

黏土斜心墻壩是水庫工程常用的壩型,其防滲性能和穩(wěn)定性對于整個水庫工程的安全性和使用壽命具有重要影響。因此,在進(jìn)行黏土斜心墻壩的填筑施工前,需要進(jìn)行碾壓試驗(yàn),以檢驗(yàn)填筑土料的密實(shí)度和承載力。其中,所涉及的重要指標(biāo)有干密度(ρ)、壓實(shí)度(D)、沉降度(Δh)。大壩干密度是指水庫大壩填筑材料在完全干燥情況下,其固體顆粒的質(zhì)量與總體積的比值。大壩壓實(shí)度指的是在填筑大壩時,采用壓實(shí)機(jī)械對土料進(jìn)行壓實(shí)處理,使土料內(nèi)部空氣和水分減少,密度增加,以達(dá)到設(shè)計要求的密度指標(biāo)。大壩沉降度是指大壩在施工或運(yùn)行過程中,由于多種因素的影響,如地基土層變化、壩體材料的收縮和徐變等,導(dǎo)致大壩的壩頂高程發(fā)生的沉降變化。

本次研究分別選取鋪土厚度h為30、40、50cm,碾壓次數(shù)N為6、8、10次3種組合,旨在探討鋪土厚度和碾壓次數(shù)對土壤壓實(shí)效果的影響。不同鋪土厚度的干密度與碾壓次數(shù)關(guān)系曲線圖見圖3。

圖3 不同鋪土厚度的干密度與碾壓次數(shù)關(guān)系曲線圖

由圖3可知,當(dāng)鋪土厚度為30cm,碾壓次數(shù)為6時,干密度為1.52;碾壓次數(shù)為8時,干密度為1.55;碾壓次數(shù)為10時,干密度為1.58。當(dāng)鋪土厚度為40cm,碾壓次數(shù)為6時,干密度為1.51;碾壓次數(shù)為8時,干密度為1.52;碾壓次數(shù)為10時,干密度為1.53。當(dāng)鋪土厚度為50cm,碾壓次數(shù)為6時,干密度為1.50;碾壓次數(shù)為8時,干密度為1.51;碾壓次數(shù)為10時,干密度為1.51。由上述結(jié)果可知,當(dāng)鋪土厚度為30cm、碾壓次數(shù)為6時,干密度值最高。

不同碾壓次數(shù)的鋪土厚度與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖見圖4。

圖4 不同碾壓次數(shù)的鋪土厚度與壓實(shí)度關(guān)系曲線圖

由圖4可知,當(dāng)碾壓次數(shù)為6次,鋪土厚度為30cm時,壓實(shí)度為96.8%;鋪土厚度為35cm時,壓實(shí)度為96.4%;鋪土厚度為40cm時,壓實(shí)度為96.2%。當(dāng)碾壓次數(shù)為8次,鋪土厚度為30cm時,壓實(shí)度為97.2%;鋪土厚度為35cm時,壓實(shí)度為96.8%;鋪土厚度為40cm時,壓實(shí)度為96.5%。當(dāng)碾壓次數(shù)為10次,鋪土厚度為30cm時,壓實(shí)度為97.3%;鋪土厚度為35cm時;壓實(shí)度為96.8%,鋪土厚度為40cm時,壓實(shí)度為96.7%。由上述結(jié)果可知,當(dāng)鋪土厚度為40cm、碾壓次數(shù)為8時,干密度值最高。

不同碾壓次數(shù)的鋪土厚度與沉降度關(guān)系曲線圖見圖5。

圖5 不同碾壓次數(shù)的鋪土厚度與沉降度關(guān)系曲線圖

由圖5可知,當(dāng)鋪土厚度為30cm,碾壓次數(shù)為6時,沉降度為2.9cm;碾壓次數(shù)為8時,沉降度為3.7cm;碾壓次數(shù)為10時,沉降度為3.8cm。當(dāng)鋪土厚度為30cm,碾壓次數(shù)為6時,沉降度為3.7cm;碾壓次數(shù)為8時,沉降度為4.5cm;碾壓次數(shù)為10時,沉降度為5.8cm。當(dāng)鋪土厚度為30cm,碾壓次數(shù)為6時,沉降度為3.9cm;碾壓次數(shù)為8時,沉降度為5.0cm;碾壓次數(shù)為10時,沉降度為6.0cm。由上述結(jié)果可知,當(dāng)鋪土厚度為30cm、碾壓次數(shù)為6時,沉降量曲線趨于平穩(wěn)。

綜上所述,在基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩水庫建設(shè)中,當(dāng)鋪土厚度為30cm、碾壓次數(shù)為8次時,沉降量趨于平穩(wěn),表現(xiàn)出相對較好的性能。

3.2 基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩滲透系數(shù)試驗(yàn)分析

滲透系數(shù)是評估土體滲透性能的關(guān)鍵指標(biāo),滲透系數(shù)的大小直接關(guān)系到大壩的滲流情況和穩(wěn)定性。通過測試,可以獲得黏土心墻壩在不同壓力下的滲透系數(shù),從而深入了解其滲透性能,為設(shè)計提供重要依據(jù)。為了確保水庫工程建設(shè)的穩(wěn)定性和安全性,在填筑過程中,采用現(xiàn)場單環(huán)法與室內(nèi)變水頭進(jìn)行對比分析。

現(xiàn)場單環(huán)法是一種直接在現(xiàn)場進(jìn)行滲透試驗(yàn)的方法,通過在心墻表面放置一個單環(huán),測量在不同水頭壓力下的滲透流量,從而得到心墻的滲透系數(shù)。室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,通過模擬不同水頭壓力下的滲透情況,得到心墻的滲透系數(shù)。雖然該方法需要較長時間,但可以快速得到試驗(yàn)結(jié)果,滿足施工進(jìn)度要求。通過將現(xiàn)場單環(huán)法與室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)進(jìn)行對比分析,可以更好地了解心墻在不同施工條件下的滲透性能,從而指導(dǎo)施工。其中,土料分別選取黃色黏土、紅色黏土以及現(xiàn)場混合料,測試結(jié)果見表1。

表1 基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知,單環(huán)法在上述各種土料中測定的滲透系數(shù)結(jié)果均比室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果高,其中采用紅色黏土土料的單環(huán)法滲透系數(shù)最高,為7.0×10-6,且平均值為6.5×10-6。而室內(nèi)變水頭法在紅色黏土土料滲透試驗(yàn)中的滲透系數(shù)最高,為5.9×10-8,平均值為4.5×10-8。由此可知,采用紅土土料的單環(huán)法透水性能較強(qiáng),即水能夠更容易地通過該材料。在黏土心墻壩的填筑工程中,采用紅土土料的單環(huán)法進(jìn)行滲透系數(shù)控制,可以更好地反映實(shí)際施工條件下的心墻滲透性能。

4 結(jié) 論

為了提升水庫的建設(shè)技術(shù)水平及水資源的利用效率,本次研究著力于探究基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩水庫建設(shè)。首先,對黏土斜心墻壩的碾壓試驗(yàn)進(jìn)行了深入分析。結(jié)果顯示,當(dāng)鋪土厚度為30cm、碾壓次數(shù)為6時,干密度為1.52g/cm3,表明填筑土料在此條件下的密實(shí)度較高。當(dāng)碾壓次數(shù)為8次、鋪土厚度為30cm時,壓實(shí)度為97.2%,顯示出良好的承載能力和穩(wěn)定性。此外,當(dāng)鋪土厚度為30cm、碾壓次數(shù)為6時,沉降量曲線趨于平穩(wěn),表明在此條件下,大壩的沉降量已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。然后,對黏土斜心墻壩的滲透系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,采用紅色黏土土料的單環(huán)法滲透系數(shù)最高,為7.0×10-6cm/s,且平均值為6.5×10-6cm/s,表明紅色黏土土料具有較好的防滲性能,對于保證大壩的穩(wěn)定性和防止水資源流失具有積極作用。

綜上所述,基于填筑技術(shù)的黏土斜心墻壩水庫建設(shè)應(yīng)采用單環(huán)法的紅土土料進(jìn)行試驗(yàn),以提高水庫的建設(shè)水平和水資源的利用效率。同時,在施工過程中,應(yīng)注重鋪土厚度和碾壓次數(shù)的控制,以獲得最佳的填筑效果和穩(wěn)定性。