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      混凝土面板堆石壩填筑料試驗(yàn)分析與應(yīng)用

      2011-09-03 10:21:58宋春娟劉淑晶
      水利技術(shù)監(jiān)督 2011年6期
      關(guān)鍵詞:堆石料場(chǎng)堆石壩

      宋春娟 劉淑晶 高 崇

      (吉林市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林 132013)

      1 問(wèn)題的提出

      楚松水庫(kù)位于西藏日喀則地區(qū)白朗縣汪丹鄉(xiāng)南 7km,年楚河二級(jí)支流嘎雄曲河上,海拔高程4190.4m,是以灌溉、供水和發(fā)電為主的公益性水利工程項(xiàng)目。水庫(kù)樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、溢洪道、輸水隧洞及電站組成。

      鋼筋混凝土面板堆石壩最大壩高39.67m,壩長(zhǎng)312m,總庫(kù)容1460萬(wàn)m3。

      楚松水庫(kù)在做壩體填筑料設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)過(guò)各種物料的實(shí)地勘察,壩址區(qū)附近硬巖堆石料比較缺乏,儲(chǔ)量及質(zhì)量不能滿足筑壩所需。該地區(qū)符合設(shè)計(jì)要求的硬巖堆石筑壩料料場(chǎng)位置較遠(yuǎn),故設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工程區(qū)附近料源情況,選取附近河床天然砂礫石料。通過(guò)土工試驗(yàn),論證砂礫石填料是否能滿足主堆石區(qū)的填筑要求,通過(guò)比選,為設(shè)計(jì)提供經(jīng)濟(jì)合理的料源。

      2 混凝土面板堆石壩填筑料試驗(yàn)

      2.1 堆石壩填筑料來(lái)源

      經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察,填筑料選用工程區(qū)附近楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)河床天然砂礫石料。兩處料場(chǎng)的砂礫石料儲(chǔ)量較多,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。共選用二十四組土樣進(jìn)行了土工試驗(yàn)。

      2.2 堆石壩填筑料試驗(yàn)內(nèi)容

      對(duì)楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)土樣分別進(jìn)行了三組三軸剪切試驗(yàn),三組壓縮試驗(yàn)(飽和狀態(tài)),三組垂直管涌試驗(yàn)和一組水平管涌試驗(yàn)。另外采用表面振動(dòng)法對(duì)楚松、巴金料場(chǎng)砂礫石進(jìn)行兩組相對(duì)密度試驗(yàn)。

      試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行操作。

      2.3 填筑料試驗(yàn)控制條件

      2.3.1 試驗(yàn)級(jí)配

      試驗(yàn)儀器允許最大粒徑為60mm,對(duì)楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)砂礫石超徑料采用等量代替法處理。替代后可保持原級(jí)配基本特性不變。

      砂礫石平均級(jí)配見(jiàn)表1。

      2.3.2 試驗(yàn)控制干密度

      楚松水庫(kù)混凝土面板堆石壩主堆石填筑密度控制標(biāo)準(zhǔn)為Dr=0.80。通過(guò)采用表面振動(dòng)法對(duì)楚松、巴金料場(chǎng)砂礫石料進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn),成果見(jiàn)表2。

      表1 砂礫石平均級(jí)配

      表2 相對(duì)密度試驗(yàn)成果

      3 土工試驗(yàn)成果及分析

      3.1 抗剪強(qiáng)度

      試驗(yàn)用粗粒土大型三軸剪力儀,試樣直徑300mm,高680mm,表面振動(dòng)法分層制樣,抽氣法飽和,剪切速率為每分鐘0.3%軸向應(yīng)變量,最大壓力0.6MPa。

      抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)試驗(yàn)值見(jiàn)表3。

      利用庫(kù)侖定律整理得飽和狀態(tài)時(shí)的 C值和 φ值,φ大于其坡角 32°。在不考慮咬合力的情況下,按內(nèi)摩擦角和lgP之間存在近似直線關(guān)系整理成果。在低壓力的情況下,墊層料的內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于其坡角,故上、下游坡是穩(wěn)定的。

      試驗(yàn)表明,楚松料場(chǎng)和巴金料場(chǎng)砂礫石偏應(yīng)力和軸向應(yīng)變關(guān)系(σ1~σ3)~ε1為應(yīng)變軟化類型,有明顯峰值,剪脹性較強(qiáng),符合一般砂礫石抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特性。兩個(gè)料場(chǎng)砂礫石的抗剪強(qiáng)度和切線模量系數(shù)有所不同,其影響因素主要是兩種砂礫石的顆粒級(jí)配。巴金料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量較多,其抗剪強(qiáng)度和切線模量系數(shù)低于楚松砂礫石。

      3.2 壓縮性

      試驗(yàn)采用粗粒土大型浮環(huán)式壓縮儀,試樣直徑505mm、高250mm,振動(dòng)法分層制樣,浸水法飽和,自控液壓施加垂直壓力,壓力分級(jí)為:0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 和 1.2MPa。

      對(duì)楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)成果繪制e~P關(guān)系曲線,見(jiàn)圖1、2。

      表3 堆石料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

      圖1 楚松料場(chǎng)e ~P關(guān)系曲線

      圖2 巴金1#料場(chǎng)e ~P關(guān)系曲線

      由 e~P關(guān)系曲線可以看出:楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石在低壓力下的壓縮變形量較大,較高壓力下e~P曲線趨緩,符合砂礫石一般壓縮特性。但也表明砂礫石的初始緊密度略小。從砂礫石顆粒組成與壓縮變形關(guān)系來(lái)看,細(xì)料含量較多的巴金砂礫石壓縮性大于楚松砂礫石。

      總的來(lái)看,楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石屬低壓縮性填筑料,其平均壓縮模量為42.2~81.07MPa,其中楚松料場(chǎng)砂礫石的壓縮特性較優(yōu)于巴金砂礫石。施工期碾壓密實(shí),可滿足設(shè)計(jì)要求。

      3.3 滲透特性

      試驗(yàn)用粗粒土大型管涌?jī)x,試樣直徑 300mm、高 450mm,振動(dòng)法分層制樣,逐級(jí)提高上游水位排氣飽和,滲流方向向上。水平管涌用水平管涌?jī)x,試樣面積300×400mm,長(zhǎng)600mm。

      試驗(yàn)結(jié)果:楚松料場(chǎng)垂直滲透系數(shù)為 2.18×10-1,臨界坡降為0.21,破壞坡降為1.18;水平滲透系數(shù)為3.67×10-1,臨界坡降為0.17,破壞坡降為0.86。巴金料場(chǎng)垂直滲透系數(shù)為2.32×10-2,臨界坡降為0.31,破壞坡降為2.3。

      圖3 楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石i~v關(guān)系曲線

      從顆粒組成分析,砂礫石級(jí)配曲線連續(xù),不均勻系數(shù)大于50,可以初步判定其透水性較強(qiáng),滲透變形為管涌類型。

      由實(shí)測(cè) i~v曲線看,楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石滲透變形為管涌型。當(dāng)試樣產(chǎn)生滲透變形后,一些細(xì)小顆粒開(kāi)始移動(dòng)或流失,稍粗顆粒的移動(dòng)堵塞了部分孔隙通道,使過(guò)水?dāng)嗝娣e減小。

      由 i~v曲線反映其坡降增高,流速減小,隨著試樣變形的發(fā)展,最終出現(xiàn)坡降減小,流速增大,發(fā)生管涌破壞。

      楚松料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量比巴金料場(chǎng)少約10%,其滲透系數(shù)約增大10倍,臨界坡降減小約40%。楚松料場(chǎng)砂礫石垂直和水平滲透特性相近,水平滲透系數(shù)略大,臨界坡降和破壞坡降均略小。

      4 土工試驗(yàn)結(jié)論及建議

      經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)分析,可得如下結(jié)論。

      (1)楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石天然級(jí)配較好,細(xì)料以砂為主,含泥量少,片狀礫石顆粒含量較多,抗剪強(qiáng)度較高,壓縮性較小,透水性較強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明,楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石是一種較好的天然筑壩料,滿足混凝土面板堆石壩主堆石填筑設(shè)計(jì)要求,可以作為壩體主堆石區(qū)填筑料,通過(guò)采取一定的技術(shù)措施及施工控制,使填筑指標(biāo)滿足混凝土面板堆石壩填筑標(biāo)準(zhǔn)。

      (2)楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石顆粒組成有一定差別,巴金料場(chǎng)砂礫石細(xì)料含量略多,其抗剪強(qiáng)度和透水性略低于楚松砂礫石,壓縮性比楚松砂礫石略大。使用時(shí)可以優(yōu)先考慮楚松料場(chǎng),或進(jìn)行混合開(kāi)采分區(qū)使用。

      5 結(jié) 語(yǔ)

      通過(guò)土工試驗(yàn),兩處料場(chǎng)河床砂卵石料各項(xiàng)指標(biāo)可以滿足工程設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)兩處料場(chǎng)作為筑壩料及符合設(shè)計(jì)要求的硬巖堆石筑壩料分別進(jìn)行了工程投資估算。

      結(jié)果采用楚松和巴金料場(chǎng)作為填筑料可節(jié)省工程投資289萬(wàn)元。故推薦采用楚松和巴金料場(chǎng)砂礫石料,這樣可以充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?,?jié)省三材,經(jīng)濟(jì)合理。

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