《1 概况》
1 概况
硗碛水电站是四川省宝兴河流域开发的龙头工程, 于2002年10月开工, 坝址位于宝兴县硗碛乡下游1 km的东河上, 挡水建筑物为碎石土心墙堆石坝, 最大坝高123 m, 库容2.12×108 m3, 装机容量240 MW, 心墙防渗料用量约为81×104 m3, 采用咔日碎石土料。该料场位于坝址上游2～2.6 km、海拔 2 050～2 170 m的宽缓台地, 面积14.5×104 m2, 有用层厚度15～20 m, 探明储量256×104 m3。该料场有用层厚度稳定, 整体质地均匀, 虽由上往下, 碎砾石粒径稍有加粗趋势, 但击实破碎率高, 为质量较好的防渗土料。
《2 试验研究及土料设计》
2 试验研究及土料设计
根据国内外土石坝设计经验, 适做大坝防渗体的粗粒土, 其特性及适用性见表1。
大坝心墙防渗体采用咔日碎石土料, 其可行性和土料设计及施工控制标准, 是在对全料场进行大量工程特性试验研究基础上提出, 再对代表性土料进行现场碾压试验验证, 最后对坝体、坝基进行整体三维应力应变和渗流计算后确定的。
Table 1 Characteristics list of the coarse-grained soil suit for the impervious material of the dam
《表1》
分类 符号 | 特性 | 用作坝体 防渗体的 适用性 | |||
碾压后的 透水性 | 碾压后饱和 抗剪强度 | 碾压后饱和 压缩性 | 可填 筑性 | ||
GM | 平透水—不透水 | 良 | 几乎没有 | 良 | 4级 |
GC | 不透水 | 良—可 | 极小 | 良 | 1级 |
SM | 平透水—不透水 | 良 | 小 | 可 | 5级 |
SC | 不透水 | 良—可 | 小 | 良 | 2级 |
《2.1全料场详勘及工程特性试验》
2.1全料场详勘及工程特性试验
《2.1.1 基本物理力学试验》
2.1.1 基本物理力学试验
可研和招标阶段对该料场进了详细勘探, 完成61.5 m浅井、302 m3坑槽探、全坑刻槽取样进行了77组物理力学试验 (结果见表2, 包线级配见图1) , 以及8个钻孔取样进行了27组物理力学试验 (因钻孔改变了土体颗粒级配, 未予采用) 。表2及图1可见:
1) 颗粒组成表明:本防渗土料分类定名为粘土质砾 (GC) , 不均匀系数为1 225.0, 曲率系数为30.60。
2) 含水率试验表明:天然含水率除个别点位大于最优含水率3～5个百分点外, 其余与最优含水率相近。
3) 力学试验表明:凝聚力为0.02 MPa, 摩擦角为24.5°;0.1～0.2 MPa压力下压缩系数为0.101 MPa-1, 压缩模量为13.42 MPa;渗透系数为3.15×10-7 cm/s, 临界坡降为6.53, 破坏坡降为11.83, 破坏型式为流土。
4) 矿化分析表明:其硅铝比为2.91～3.05, 主要矿物成分以伊利石为主, 含有少量蒙脱石, 其液限为34.8%, 塑限为18.8%, 塑性指数为16, 根据卡沙格兰德塑性图判定该料不属于膨胀性土, 符合使用条件。
综上, 咔日碎石土料做心墙防渗料是可行的, 满足粗粒土的特性及其适用性要求 (见表1) , 但全料场综合下包线级配较粗, 上坝前需进行级配调整, 以使原来不均匀的材料相对均匀化。
《2.1.2 土料压实特性试验》
2.1.2 土料压实特性试验
目的是通过对土料在P5 (砾石含量) 不同时的全料大型击实试验, 查明不同P5与ρdmax (最大干密度) 和ωop (最优含水率) 的关系等压实特性, 以确定砾石含量上限。考虑到硗碛水电站坝高123 m, 为了满足压缩性要求, 必需规定砾石含量下限, 为此对细料进行了试验, 结果见表3、表4。从表3可以看出:
1) 碎石土的全料最大干密度ρdmax、细料最大干密度ρ′d、渗透系数k20与粒径大于5 mm的颗粒含量P5呈单峰型曲线关系。
2) ρ′d—P5曲线和k20—P5曲线在P5≈20%～30%时出现拐点:ρ′d减小幅度增大、k20随P5增加由减小变为增大, 这一特征砾石含量用P51表示。由表4可知, 咔日碎石土料中的细料为粘性土, 抗压缩性能差。为了满足高坝要求, 参考国内外经验, 规定砾石含量下限大于20%。
3) ρdmax—P5曲线在P5≈70% 时, 出现拐点 (ρdmax达到最大值) , 此砾石含量为第二特征值P52。超过此值后P5增加、ρdmax反而下降, 是由于细料不足以完全充填砾石间的孔隙所致。P5=70% 时渗透系数k20=4.12×10-5, 比P5=25%时k20 (4.5×10-8) 增大了3个数量级, 已不满足《碾压式土石坝设计规范》 (SL274-2001) 要求。为此, 参考国内外经验, 拟定砾石含量上限≤50%。
《2.1.3 与反滤层的联合抗渗试验》
2.1.3 与反滤层的联合抗渗试验
土石坝心墙在反滤层保护下工作。为此选用综合平均级配心墙料 (见表2) , 进行了3组大型心墙料与反滤层联合抗渗试验 (见表5) , 以论证心墙料与反滤料是否满足要求 (反滤料设计见后续论述) 。
Table 3 Results list of the large-scale compacted test for fine-grained and fully-graded material
《表2》
试验编号 | >5mm含量/% | 全 料 | <5 mm细料 | |||||
| 最优含水率 ωop /% | 最大干密度 ρdmax/g·cm-3 | 渗透系数 k20/cm·s-1 | 干密度 ρ′d/g·cm-3 | 平均破碎量 /% | 平均破碎率 /% | |||
| 1 | 0 | 14.5 | 1.85 | 1.02×10-7 | 1.850 | 0 | 0 | |
2 | 10 | 13.0 | 1.92 | 8.2×10-8 | 1.847 | 1.05 | 10.45 | |
3 | 20 | 11.0 | 1.99 | 4.12×10-8 | 1.845 | 2.45 | 12.05 | |
4 | 30 | 10.0 | 2.03 | 4.12×10-8 | 1.840 | 3.77 | 12.56 | |
5 | 40 | 9.3 | 2.06 | 1.6×10-7 | 1.785 | 5.68 | 14.19 | |
6 | 50 | 8.6 | 2.08 | 1.02×10-6 | 1.734 | 6.80 | 13.68 | |
7 | 60 | 8.0 | 2.11 | 9.05×10-6 | 1.670 | 9.65 | 16.08 | |
8 | 70 | 7.5 | 2.12 | 4.12×10-5 | 1.610 | - | - | |
9 | 80 | 7.0 | 2.11 | - | - | - | - | |
10 | 90 | 6.5 | 2.01 | - | - | - | - | |
11 | 100 | 5.9 | 1.9 | - | - | - | - | |
Table 4 Results list of experiments for the fine-grained material
《表3》
容重 Gs | 颗粒大小组成/% | 分类 | 塑性/% | 最大干密度 ρdmax/g·cm-3 | 最优含水率 ωop/% | ||||
5～0.075 mm | 0.075～0.005 mm | <0.005 mm | ωl | ωP | Ip | ||||
| 2.73 | 59.61 | 20.36 | 20.03 | CL | 34.8 | 18.8 | 16.0 | 2.09 | 9.50 |
结果表明:心墙料在反滤层保护下, 渗透系数k20由3×10-7降低至≈9×10-8, 临界坡降ik由6.53增大至50.7～55.7, 增大7.7～8.5倍。说明心墙防渗土料加反滤层保护后抗渗能力得以较大幅度提高。
Table 5 Results list of the seepage deformation of the core material protected by the filter material
《表4》
指 标 | X混合反滤 | Y混合反滤 | B混合反滤 |
渗透系数k20/10-8 cm·s-1 | 9.03 | 8.93 | 8.92 |
临界坡降ik | 55.7 | 55.0 | 50.7 |
《2.2土料设计及施工控制标准》
2.2土料设计及施工控制标准
根据上述试验研究成果和《碾压式土石坝设计规范》 (SL274-2001) 要求, 并参考国内外经验确定心墙防渗土料控制标准为:
1) 级配:填筑料最大粒径应不大于150 mm;粒径大于5 mm的颗粒含量为20%～50%;小于0.075 mm的颗粒含量为15%;0.005 mm的粘粒含量为5%～20%。
2) 碎石土心墙料的渗透系数应小于1×10-5 cm/s, 抗渗透变形的临界坡降应大于4.0, 其渗透破坏型式应为流土;塑性指数为7～20。
3) 碎石土心墙料的含水率为最优含水率的2%～3%。
4) 碎石土心墙料的全料压实度应大于98%, 细料压实度应大于99%。
由于碎石土在不同P5时ρdmax是不同的, 所以碎石土的压实干密度采用某一固定值显然是不合理的, 应采用“固定压实系数, 浮动干密度”来确定干密度, 以保证不同P5时的填土既有不同的填筑干密度, 又具有相同的压实系数。
碎石土的压实标准分为全料压实系数控制与细料压实系数控制。因为碎石土的渗透性与渗透稳定性主要取决于细料的性质和细料的干密度, 为保证细料得到有效压实, 以采用细料压实系数控制为宜, 为便于不同施工单位的检测习惯和设备配置。经试验分析研究提出了不同P5时全料的干密度与其细料干密度的对应关系 (见表6) 。
《2.3现场碾压试验》
2.3现场碾压试验
Table 6 Control standards list of the compacted dry density for fine-grained and fully-graded material
《表5》
击实功能E | 862.5/kJ·m-3 | |||||||
粗粒含量P5/% | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | |
全料击实 | 最大干密度ρdmax/g·cm-3 | 1.850 | 1.905 | 1.952 | 1.993 | 2.031 | 2.068 | 2.104 |
细料干密度ρ′d/g·cm-3 | 1.850 | 1.846 | 1.843 | 1.840 | 1.833 | 1.814 | 1.792 | |
全料干密度控制值mρdmax/g·cm-3 | 1.832 | 1.886 | 1.933 | 1.973 | 2.011 | 2.047 | 2.083 | |
细料干密度控制值βmρ′d/g·cm-3 | 1.832 | 1.828 | 1.825 | 1.822 | 1.815 | 1.796 | 1.774 | |
设计的最优含水率ωop/% | 14.20 | 13.40 | 12.30 | 11.40 | 10.50 | 9.70 | 8.90 | |
用碎石土做高土石坝心墙防渗料在国内属首次, 这种土料级配范围宽、均匀性差, 室内试验难以反映实际填筑坝体的工程特性, 需通过现场碾压试验, 以论证根据室内试验成果确定的土料控制标准在当前施工水平和工艺条件下的可靠性。
《2.3.1 试验方案》
2.3.1 试验方案
碾压试验场地面积36 m×22 m, 经凸块碾碾压密实的咔日碎石土料作为基底, 场地纵横高差控制在5 cm以内。试验场分为12个试验参数单位, 每个试验参数单元的面积为40 m2。
碾压机具采用振动凸块碾, 前进速度为0～4 km/h, 技术指标如表7。
Table 7 Technical indices list of the pad foot vibration roller
《表6》
| 国别 | 型号 | 种 类 | 静重 /kN | 碾长 /m | 振动频率 /Hz | 激振力 /kN | 激振力 /静重 |
中国 | ZX-205 | 自行式 | 204 | 2.00 | 45 | 356 | 1.745 |
根据室内试验成果及现场碾压试验要求, 选择具有代表性的3#坑浅黄色平均级配土料和6#坑灰黑色偏粗土料作为试验土料。取样采用挖土机立式开采, 采深4 m, 将上下层料充分混合后, 用T815自卸汽车运输。试验共安排4场:
1) 第一、第二场研究两种土料在不同铺土厚度 (30, 40, 50 cm) 和不同碾压遍数 (6, 8, 10, 12) 下的压实效果, 采用逐渐收敛法, 选定碎石土料的最优铺土厚度和最优压实遍数。
2) 第三场研究两种土料在最优铺土厚度和最优压实遍数下, 变化含水率 (ωop+3%, ωop, ωop-2%) 、行车速度、铺料方式的压实效果。
3) 第四场为两种土料在最优参数确定后, 按最优参数填筑五层, 进行复核试验, 并在压实土体上进行原位大剪、承载、注水、渗透变形试验, 并取料进行室内三轴压缩试验。
4) 各场试验质控手段以试坑法取样进行容重、筛分、含水率试验, 辅以沉降量测定, 相互校核。
《2.3.2 试验成果及分析》
2.3.2 试验成果及分析
以上四场试验, 共压实土方约3 000 m3, 完成现场物性试验237组, 含水率试验216组, 击实试验16组, 现场大型原位试验24组, 部分室内物理力学试验12组, 结果见表8、表9。现场碾压试验表明:
1) 最优压实参数为:铺土厚度40 cm, 静碾2遍, 振碾8遍, 填筑含水率控制在ωop+2%～ωop-2%范围内为宜, 退铺法更佳。
2) 通过现场碾压试验验证, 按击实试验确定的压实标准比较符合实际, 当P5=20%～50%时, 压实度平均值达100%, 干密度合格率达到96%以上, 填筑干密度比设计干密度高0.04 g/cm3左右。
Table 8 Test results list of the filling quality on site
《表7》
土类 | 特征粒径含量/% | 碾后破 碎率/% | 填筑质量检测 | 压实度/% | ||||
>5 | <5 | <0.075 | 干密度/g\5cm-3 | 含水率/% | 下限 | 平均 | ||
| 3 | 31.80 | 62.20 | 21.33 | 11.25 | 2.060～2.139, 平均2.083 | 8.47～12.85, 平均10.80 | 103.4 | 105 |
6 | 37.78 | 62.22 | 17.98 | 0.27 | 1.965～2.110, 平均1.993 | 12.72～17.3, 平均16.35 | 98.6 | 101 |
3) 2种土料现场注水试验结果表明, 渗透系数均在10-6～10-7 cm/s;压实土体原状样室内渗透试验 (8组) 渗透系数均在10-6～10-8 cm/s, 证明咔日料防渗性能满足要求。
4) 现场压实土体的渗透变形试验结果表明, 2种土体的破坏型式均为流土, 破坏坡降为8.42～10.13, 能满足渗透变形要求。
5) 从力学性能分析, 3#土料填筑含水率控制合适, 力学性能能满足要求。受雨季影响, 6#土料填筑含水率偏高, 因此力学性能差, 说明“填筑含水率宜控制在ωop+3.0%以内”的要求合理。
《3 结论》
3 结论
1) 最优压实参数为:铺土厚度40 cm, 静碾2遍, 振碾8遍, 填筑含水率控制在ωop+2%～ωop-2%范围内为宜, 退铺法更佳。
2) 大坝心墙防渗土料小于5 mm平均含量为62.2%～68.2%, 细料可以填满粗料的孔隙, 而不致产生架空现象, 小于0.075 mm颗粒平均含量为17.98%～21.33%, 可达到防渗要求, 其级配按统一分类为GC, 符合作防渗料的级配要求。设计控制指标合理。
3) 大坝心墙防渗土料室内渗透试验与原位渗透试验成果基本一致, 渗透系数为10-6～10-7 cm/s, 可以满足防渗要求;渗透变形的破坏型式为流土, 破坏坡降较高, 加反滤层及盖重后抗渗透变形能力更好。设计控制指标k20<1×10-5 cm/s合理。
4) 大坝心墙防渗土料压实性能好, 咔日料平均级配的室内击实试验最大干密度为2.07 g/cm3, ωop为9.7%;现场用线压力1.78 kN/cm的振动凸块碾、铺土40 cm, 压8遍, 干密度可达1.98～2.08 g/cm3;压实度平均100%, 干密度合格率96%以上。设计控制指标——细料压实度>99%合理。
5) 3#土料力学性能较好。现场载荷试验的变形模量值8.49 MPa, 室内压缩模量达10.98 (对应P5=20%) ～15.98 MPa (对应P5=50%) , 可与坝壳模量匹配;抗剪强度较高, 凝聚力c=0.025 MPa, 内摩擦角φ=23.4°, 说明使用咔日土料做心墙防渗料是完全可行的。
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