礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用

礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用余挺中國水電顧問集團公司成都勘測設(shè)計研究院yuting800@摘要：高土質(zhì)心墻堆石壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，通過對近年來中國四川省境內(nèi)的一些高礫質(zhì)土心墻堆石壩工程設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)，提出了關(guān)于礫質(zhì)土的質(zhì)量改進措施、礫質(zhì)土防滲料的反濾設(shè)計和礫質(zhì)土試驗中的擊實功能等問題的一些認識觀點。關(guān)鍵詞：礫質(zhì)土；高土石壩；剔除粗顆粒；反濾設(shè)計；擊實功能前言近幾十年來，土質(zhì)心墻堆石壩已逐步成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一，據(jù)90年代初統(tǒng)計，世界上已建和在建的230m以上的高壩中，土質(zhì)心墻堆石壩約占55.5%。中國自90年代以來，高土質(zhì)心墻堆石壩的發(fā)展速度有所加快。最近幾年，在中國四川省境內(nèi)規(guī)劃的一些大、中型河流的“龍頭”水庫工程普遍具有壩高（大于100m，有的甚至達300m量級）、河床覆蓋層深厚和工程區(qū)附近可獲得天然防滲土料等特點，因此土質(zhì)心墻堆石壩是這些工程主要研究壩型之一。在土質(zhì)心墻堆石壩的設(shè)計中，防滲土料的選擇與設(shè)計致關(guān)重要，工程實踐經(jīng)驗表明，高壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，世界上已建和在建的200m以上的高土質(zhì)心墻堆石壩中，基本上是以礫質(zhì)土作為心墻防滲料；中國近年來已開工和設(shè)計中的高土質(zhì)心墻堆石壩也大多如此，僅在四川省境內(nèi)就有施工中的瀑布溝、磽磧、水牛家和設(shè)計中的獅子坪等，本文將就礫質(zhì)土在這些工程中的應(yīng)用情況與研究成果進行介紹。2．礫質(zhì)土防滲料在高土石壩上的應(yīng)用一般而言，與純粘性土料比較，礫質(zhì)土除能滿足防滲要求外，還有如下特點：（1）變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼料變形較為協(xié)調(diào)，可避免或減輕因拱效應(yīng)而引起的心墻開裂和水力劈裂等問題；（2）萬一心墻出現(xiàn)裂縫，縫壁粗顆粒將限制裂縫的沖刷和擴大，有利于裂縫的自愈；（3）對填筑含水量較不敏感，便于施工；（4）有較高的承載能力，便于重型施工機具的運作。通過對表1所列的幾個高礫質(zhì)土心墻堆石壩的研究，對礫質(zhì)土的工程特性、其用作高土石壩防滲土料的適應(yīng)性以及土料設(shè)計等方面有了更深入的認識。2．1礫質(zhì)土的質(zhì)量改進措施根據(jù)經(jīng)驗，礫質(zhì)土中粒徑小于5mm顆粒含量在50%左右、小于0.1mm顆粒含量在20%左右較為合適，但有的天然級配礫質(zhì)土存在細粒含量偏少、防滲與抗?jié)B性能不能完全滿足要求的缺點，而有的天然級配礫質(zhì)土又存在細粒含量偏多、強度不能滿足高壩要求的問題，對這些礫質(zhì)土都必須采取工程措施進行質(zhì)量改進。本文擇重對前一種礫質(zhì)土的質(zhì)量改進措施進行介紹。表1部分工程礫質(zhì)土防滲料特性表工程名稱特性錦屏一級瀑布溝獅子坪磽磧水牛家設(shè)計階段壩型比較施工可行性研究施工施工壩高（m）295186136123110土料場名稱洼里Ⅵ區(qū)黑馬Ⅰ區(qū)長河壩咔日村水牛家B區(qū)土料成因坡積洪積冰磧冰緣凍融坡殘積顆分主要指標(biāo)（%）<5mm54.3048.1933.6246.6868.09<0.1mm36.1019.0015.6419.6248.11<0.005mm12.704.405.3610.649.99主要力學(xué)指標(biāo)ρd（g/cm3）1.942.02C(MPa)0.020.020.050.030.05Φ(o)20.1832.9036.0024.5023.60k203.56×10-74.40×10-54.83×10-63.68×10-72.78×10-7ik6.960.961.754.597.56if12.564.044.759.8613.42土料質(zhì)量改進措施和結(jié)果措施/剔除>80mm顆粒剔除>60mm顆粒//<5mm49.7642.33<0.1mm21.7719.69<0.005mm5.506.74k207×10-62.8×10-7ik2.6～3.14.75if8.3～11.512.832．1．1瀑布溝工程瀑布溝工程在初步設(shè)計階段，通過大量的室內(nèi)外試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，確定了對于黑馬Ⅰ區(qū)洪積亞區(qū)土料的質(zhì)量改進措施，即采用格柵篩除法剔除土料中大于80mm的粗料，土料剔除前后的主要試驗成果見表1。通過試驗發(fā)現(xiàn)，土料剔除效果好，級配得以改善，符合工程界對防滲料級配分布的一般要求，土料分類由剔除前的GP變?yōu)樘蕹蟮腉C，其性質(zhì)由石質(zhì)材料向土質(zhì)材料轉(zhuǎn)化，力學(xué)指標(biāo)能滿足高壩防滲材料的要求。工程開工后，為擴大防滲土料的料源，對黑馬0區(qū)土料又進行了剔除法質(zhì)量改進措施的研究，由于黑馬0區(qū)土料較Ⅰ區(qū)粗粒含量更高，因此分別研究了剔除80mm和60mm以上粗顆粒的方案，土料剔除前后的主要試驗成果見表2。試驗成果表明，剔除60mm后的土料無論是顆粒級配還是滲透指標(biāo)均優(yōu)于剔除80mm后的土料，同時也易于施工質(zhì)量控制，因此最終確定采用剔除60mm方案。表2瀑布溝工程黑馬0區(qū)土料剔除粗顆粒試驗成果表土料狀況特性天然級配料剔除80mm后剔除60mm后顆分主要指標(biāo)（%）<5mm37.1145.3249.94<0.075mm12.8515.7317.29<0.005mm2.332.883.15主要力學(xué)指標(biāo)ρd（g/cm3）2.342.352.35C(MPa)0.0250.050.06Φ(o)38.2235.0038.65k201.2×10-44.18×10-61.3×10-6ik0.88if3.994.195.302．1．2獅子坪工程獅子坪工程長河壩料場土料天然級配顆粒偏粗，按一般工程經(jīng)驗不能直接用作高壩防滲土料，但通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)其擊實后的滲透系數(shù)都在10-6量級，分析其原因，可能與土料粗細顆粒搭配合適，土料中粘粒含量并不算低，在<5mm顆粒中含量達到了16%等因素有關(guān)。此外，該料場土料分布較為均一，顆粒級配的上、下包絡(luò)線之間變幅較小（見圖1）。為進一步了解土料特性，通過試驗繪制了土料ρdmax～P5～ωop關(guān)系曲線，如圖2所示。當(dāng)P5大于40％時,小于5mm粒徑的細料壓實干密度開始降低，說明粗粒含量第一特征點為P5Ⅰ=40％；當(dāng)P5=70％時，全料干密度達到最大值，但粗粒含量在P5=50％～P5=70％的增加過程中，全料干密度增幅減緩；當(dāng)P5=60％時，細料壓實干密度比P5=0％的壓實干密度降低10％；土體中細顆粒料不能充分填充粗料骨架孔隙出現(xiàn)架空，說明粗粒含量第二特征點為P5Ⅱ=60％。由于天然級配土料P5=66.38％，結(jié)合土料抗?jié)B指標(biāo)偏低的問題，決定對土料進行剔除60mm以上粗顆粒的處理，剔除后土料P5=57.67％，防滲和抗?jié)B指標(biāo)有了明顯地提高（見表1）。為進一步驗證室內(nèi)試驗成果，進行了現(xiàn)場生產(chǎn)性篩分試驗，采用SZ2振動篩剔除土料中大于60mm的粗料。試驗表明篩分效果良好，剔除料中附帶的粉、粘粒僅占大于60mm顆粒的極少部分，消除了試驗前對此問題的擔(dān)心，同時還發(fā)現(xiàn)礫質(zhì)土過篩含水量對篩分效果影響不大，說明采用剔除法調(diào)整礫質(zhì)土級配、改善其性能是行之有效的措施。2．2礫質(zhì)土防滲料的反濾設(shè)計礫質(zhì)土的不均勻系數(shù)一般較大，反濾設(shè)計應(yīng)以保護土料中的細顆粒為主要對象，一般為2mm以下顆粒。反濾料可采用天然砂礫石、人工砂石料或二者的混合料，從表3所列工程的試驗成果可見，對于礫質(zhì)土防滲料的反濾料設(shè)計，除應(yīng)滿足規(guī)范的規(guī)定外，反濾料的最大粒徑宜控制在40mm以下，同時平均粒徑宜在1～3mm左右。通過合理的反濾設(shè)計，礫質(zhì)土在反濾料保護下的抗?jié)B比降可較無反濾時提高十倍左右。表3部分工程礫質(zhì)土防滲料反濾設(shè)計情況表工程名稱特性瀑布溝獅子坪磽磧水牛家反濾料來源人工砂石料人工砂石料混合料天然砂礫石反濾料控制粒徑(mm)Dmax204040D50321D150.70.470.22反濾保護效果ik16.4422.5055.727.73if100>139>157>100.292．3礫質(zhì)土防滲料試驗中的擊實功能由表4可見，加大土料的擊實功能可提高其壓實密度，其力學(xué)指標(biāo)也相應(yīng)提高。對于礫質(zhì)土而言，其特點是強度較高而防滲與抗?jié)B性能不理想甚至不滿足要求，因此通過加大擊實功能提高其防滲與抗?jié)B性能很有必要。而另一方面，為提高大壩的填筑強度以縮短其工期，近年來一些新型大功率的碾壓設(shè)備不斷地投入施工，一些高土石壩工程經(jīng)驗已經(jīng)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實功能（Ec＝604kJ/m3）試驗確定的壓實標(biāo)準(zhǔn)，往往導(dǎo)致施工時壓實系數(shù)大于100%，，因此在高礫質(zhì)土心墻堆石壩的設(shè)計中，采用修正普氏擊實功能（Ec＝2740kJ/m3）研究土料的特性并確定其壓實標(biāo)準(zhǔn)往往是必要的。表4不同擊實功能對礫質(zhì)土特性的影響情況表工程名稱特性錦屏一級（洼里Ⅴ區(qū)）獅子坪（長河壩）水牛家（水牛家B區(qū)）擊實功能（kJ/m3）604274060427406042740ρd（g/cm3）2.041.862.02C(MPa)0.0350.040.040.080.050.05Φ(o)25.430.028.033.020.623.6k201.5×10-63.3×10-71.5×10-62.8×10-72.8×10-7ik3.004.757.56if12.4>13.357.0012.8313.423．結(jié)語（1）工程實踐經(jīng)驗表明，土質(zhì)心墻堆石壩已逐步成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一，而高土質(zhì)心墻堆石壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，