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紅黏土在南方土石壩中的應(yīng)用研究

2019-03-06 08:23:48
中國水能及電氣化 2019年2期
關(guān)鍵詞:料場土料心墻

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650021)

南方紅黏土是濕熱氣候條件下的風(fēng)化產(chǎn)物,在我國南方分布較多。其滲透系數(shù)較低,但高黏粒含量、高塑性指數(shù)、高含水率、低干密度等特點使其在以往的土石壩防滲體中應(yīng)用較為有限。本文以德厚水庫黏土心墻堆石壩為例,對南方紅黏土用于防滲心墻土料填筑進(jìn)行分析,研究紅黏土筑壩的特性及主要質(zhì)量控制措施。

1 工程概況

德厚水庫地處云南省東南部的文山市境內(nèi),壩址位于國際河流盤龍河一級支流德厚河中下游河段,距文山市31km,距昆明市317km,總庫容1.13億m3。水庫是一座以生活、工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水為主要任務(wù)的大(2)型綜合利用水利工程。

工程由大壩樞紐、防滲及輸水工程等三部分組成。大壩樞紐包括黏土心墻堆石壩、開敞式溢洪道、右岸團結(jié)大溝輸水隧洞、引水隧洞、導(dǎo)流泄洪隧洞,壩后電站及泵站集中布置于一個廠房內(nèi)。防滲工程由壩址區(qū)及咪哩河庫區(qū)兩部分組成,線路總長4697m,采用帷幕灌漿防滲。

黏土心墻堆石壩最大壩高70.90m,由上游到下游分為上游堆石料區(qū)、上游反濾層、防滲心墻、下游反濾層、下游主堆石區(qū)(下游水平排水區(qū))、下游利用料填筑區(qū)(下游干燥區(qū))6個區(qū)(見圖1)。

2 壩址基本地形、地質(zhì)條件

壩址位于德厚河與右岸支流咪哩河交匯口下游約600m處的德厚河上,河道呈蛇形彎曲,河床高程約1320.00m,河道一般寬8~15m,河流流向近NE向,比降約7‰。兩岸坡上緩下陡,呈不對稱V 形峽谷,坡度10°~70°,岸坡高度約130m。

河床沖洪積層(Qpal)為碎石土、砂質(zhì)黏土、砂卵礫石夾漂石混雜堆積,厚度0~15m;殘坡積層(Qedl)為棕黃、棕紅色含碎石黏土,結(jié)構(gòu)較為松散,厚1~4m,主要分布在兩岸緩坡及溶蝕洼地。

壩基巖石主要為石炭系上統(tǒng)C3及二疊系下統(tǒng)P1厚層、巨厚層狀灰?guī)r,巖層總體緩傾向下游偏右岸,巖體中發(fā)育有密度較大、發(fā)育深度較大的緩傾角結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面部分連通性好,且具有斷續(xù)夾泥現(xiàn)象,順河及垂直河道的陡傾結(jié)構(gòu)面亦較為發(fā)育。

3 紅黏土用于防滲心墻填筑試驗研究

3.1 土料場基本情況

料場位于花莊西偏北方向的文平公路旁,距離主壩區(qū)約8~10km。料場分布高程1450.00~1475.00m,料場長約320m,寬約220m,地形平緩開闊,料場西高東低,無沖溝發(fā)育,地形坡度0°~5°,植被以經(jīng)濟作物為主。料場上部為第四系殘坡積層(Qedl),上部為棕紅色黏土;殘坡積下部為棕黃、灰黃色黏土,含少量鐵錳質(zhì)顆?;蚪Y(jié)核,呈可塑狀態(tài)。下伏基巖為石炭系中統(tǒng)(C2)的細(xì)晶灰?guī)r。料區(qū)廣布耕地,零星分布有九座民墳。料場剝離層為上部耕植土,含較多植物根系,平均剝離厚度0.50m,料場有用層為棕紅色黏土層,厚度變化較大,最薄2.90m,最厚達(dá)6.50m,平均開采深度4.45m,在地下水位以上開采。

總體評價:該料場面積較大,地形起伏較小,有用層厚度較不穩(wěn)定,土層結(jié)構(gòu)單一,屬Ⅱ類料場。

3.2 土料勘探取樣研究

按照Ⅱ類料產(chǎn)地布置勘探點和取樣,勘探精度為詳查??碧讲扇↑c、線、面相結(jié)合,基本按方格網(wǎng)進(jìn)行控制,共布置勘探線5條,大致平行布置,長度164~182m,間距50m,勘探線上布置探坑,間距50~100m,一般50m。累計布置探坑25個,深度5.90~6.60m,均未揭穿覆蓋層。據(jù)探坑揭露土層變化情況,結(jié)合料場開采條件,共取原狀樣18組、棕紅色黏土擾動樣20組。土料物理力學(xué)指標(biāo)試驗成果見表1,質(zhì)量技術(shù)評價見表2,國內(nèi)部分地區(qū)紅黏土物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 土料場防滲土料物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計

注1.表中孔隙比及飽和度為按98%壓實度控制備樣的指標(biāo)統(tǒng)計成果;2.指標(biāo)統(tǒng)計建議值抗剪強度、比重、最大干密度取小值均值,滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)取大值均值,其余指標(biāo)取平均值。

表2 防滲土料質(zhì)量技術(shù)評價

表3 國內(nèi)主要紅黏土區(qū)紅黏土物理力學(xué)參數(shù)

注表中分母為平均值。

由以上表中可見,德厚大壩心墻土料具有滲透系數(shù)低、黏粒含量及塑性指數(shù)高、天然含水率高、接近最優(yōu)含水率、干密度低、壓實干密度低等特點,屬于典型的南方紅黏土。

3.3 國內(nèi)工程實例

紅黏土具有低滲透系數(shù),是填筑防滲土體的較優(yōu)材料,但高黏性、高含水率、低干密度,以及低—中等壓縮特性所帶來的壓實較普通黏土困難及高應(yīng)力狀態(tài)下的變形特性,使其在以往的高土石壩防滲體中應(yīng)用較為有限。上世紀(jì)五六十年代,云南省分別建成了曲靖花山、蒙自莊寨、會澤毛家村等土壩,為紅黏土筑壩積累了成功經(jīng)驗。2008年,文山暮底河水庫成功建成,該工程距德厚水庫約23km,采用黏土心墻堆石壩,壩高67.20m,總庫容5850.7萬m3,心墻土料采用石炭系上覆次生紅黏土,工程建成至今,大壩運行情況總體良好。德厚水庫防滲心墻紅土與云南省部分已建工程紅土物理力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 德厚水庫與云南省已建工程紅黏土物理力學(xué)參數(shù)

注表中分母為平均值。

4 施工質(zhì)量控制措施

4.1 現(xiàn)場碾壓試驗

為了復(fù)核壩料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的合理性,研究含水率對土料碾壓效果的影響,確定合理的施工參數(shù)、工藝和可行的控制指標(biāo),大壩填筑前對心墻土料的施工參數(shù)和控制指標(biāo)進(jìn)行了現(xiàn)場碾壓試驗研究。試驗對天然開采土料采取雙參數(shù)組合試驗并最終驗證法,在同一壓實設(shè)備、相同行車速度下,首先以25cm、30cm、35cm三種不同鋪土厚度與6遍、8遍 、10遍三種碾壓遍數(shù)分別進(jìn)行組合碾壓,然后分析比較選擇其中較優(yōu)的兩種組合,進(jìn)行復(fù)核碾壓及對比試驗,最終確定施工碾壓參數(shù)及工藝。試驗設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)見表5,試驗成果見表6。

表5 心墻土料現(xiàn)場碾壓設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

由表6可見,雙參數(shù)組合碾壓試驗中,相同的碾壓功率下,薄層鋪筑更能提高壓實度,但在鋪厚30cm與35cm時,提高空間有限;碾壓遍數(shù)6遍時,檢測試樣土料的平均壓實度均小于98%,碾壓8遍后,鋪厚25cm及30cm的平均壓實度均大于98%,壓實度總體有所提升,繼續(xù)增加遍數(shù)至10遍,壓實度提高率降低??傮w分析,碾壓遍數(shù)以8遍相對較優(yōu);從經(jīng)濟角度及施工進(jìn)度上分析,鋪厚25cm雖然更能保證壓實度設(shè)計要求,但工效降低、施工進(jìn)度降低,不利于工程進(jìn)度總體目標(biāo)的實現(xiàn)。因此,按照30cm和35cm兩種鋪厚進(jìn)行8遍復(fù)核碾壓試驗。

復(fù)核試驗成果統(tǒng)計表明,在按照30cm和35cm兩種鋪厚進(jìn)行8遍碾壓后,土料滲透系數(shù)均為7.15×10-6cm/s,能滿足室外小于1×10-5cm/s的要求;平均壓實度均大于98%。采用30cm鋪厚平均壓實度為98.5%,按照不小于98%的控制標(biāo)準(zhǔn)其試驗保證率為75%,采用35cm鋪厚的平均壓實度為98%,不小于98%的試驗保證率僅為57%。

根據(jù)試驗成果,考慮室內(nèi)試驗、現(xiàn)場碾壓試驗與實際施工條件差別,確定施工鋪土厚度30cm±5cm,碾壓8遍,壓實度控制指標(biāo)為不小于98%。

4.2 施工質(zhì)量控制措施

含水率是黏土填筑施工中的一項重要壓實質(zhì)量保證指標(biāo),通常情況下,黏土的施工含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%~+3%的偏差范圍內(nèi)較易于滿足填筑質(zhì)量目標(biāo)。德厚土料黏性高,土料料場天然含水率與最優(yōu)含水率接近,局部天然含水率偏高,壓實度對含水率變化較為敏感。

表6 德厚水庫大壩心墻紅土料現(xiàn)場碾壓試驗成果

注1.表中分母為平均值;2.壓實設(shè)備為CLG6122振動凸塊碾,碾重22t,行車速度2.5km/h。

為保證填筑施工質(zhì)量,德厚水庫心墻黏土料開挖、運輸、鋪筑中主要采取了以下措施:在料場及周邊設(shè)置截、排水溝,防止雨水進(jìn)入、浸濕土料;對土料進(jìn)行立面開采,使其上、中、下層土得以拌和混摻;料場派設(shè)質(zhì)量員實時跟蹤檢查采區(qū)土料天然含水率,一旦發(fā)現(xiàn)較大變異,及時進(jìn)行合理晾曬;運輸中進(jìn)行覆蓋,避免水分遭受損失或被雨淋濕;采取進(jìn)占法鋪料,碾壓方向平行于壩軸線,鋪土厚度為30+5cm;嚴(yán)格按照現(xiàn)場碾壓試驗獲取的碾壓遍數(shù)、工藝進(jìn)行碾壓填筑。

4.3 一期心墻填筑情況

德厚大壩主體建設(shè)于2018年3月下旬開始,并于5月底完成一期共111層心墻黏土料填筑,相應(yīng)一期壩體心墻頂高27.80m。根據(jù)施工單位自檢及第三方質(zhì)量檢測,一期心墻土料滲透系數(shù)及壓實度均滿足設(shè)計要求(見表7)。

表7 一期心墻料主要物理指標(biāo)檢測值

5 結(jié) 語

德厚水庫采用典型南方紅黏土作為防滲心墻土料。土料中小于0.075mm的顆粒含量平均大于95%,黏粒含量平均為53%;土料天然含水率接近最優(yōu),局部偏高;壓實干密度平均1.32g/cm3。土料具有較優(yōu)的防滲性能,但高黏粒、偏高的天然含水率給施工質(zhì)量保證帶來困難。通過現(xiàn)場碾壓試驗提出合理的壓實度控制指標(biāo),施工中采取立面開采、晾曬、覆蓋等措施,保證施工含水率在最優(yōu)含水率的-2%~+3%的偏差范圍內(nèi)。根據(jù)檢測資料,一期心墻土料平均滲透系數(shù)為1.8×10-7cm/s,壓實度最小為98.50%,平均100.10%,兩項主要控制指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

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