混凝土面板堆石壩填筑料試驗分析與應用

宋春娟 劉淑晶 高 崇

（吉林市水利水電勘測設計研究院，吉林 132013）

1 問題的提出

楚松水庫位于西藏日喀則地區(qū)白朗縣汪丹鄉(xiāng)南 7km，年楚河二級支流嘎雄曲河上，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目。水庫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312m，總庫容1460萬m3。

楚松水庫在做壩體填筑料設計時經過各種物料的實地勘察，壩址區(qū)附近硬巖堆石料比較缺乏，儲量及質量不能滿足筑壩所需。該地區(qū)符合設計要求的硬巖堆石筑壩料料場位置較遠，故設計時根據(jù)工程區(qū)附近料源情況，選取附近河床天然砂礫石料。通過土工試驗，論證砂礫石填料是否能滿足主堆石區(qū)的填筑要求，通過比選，為設計提供經濟合理的料源。

2 混凝土面板堆石壩填筑料試驗

2.1 堆石壩填筑料來源

經過實地勘察，填筑料選用工程區(qū)附近楚松料場和巴金料場河床天然砂礫石料。兩處料場的砂礫石料儲量較多，能夠滿足設計要求。共選用二十四組土樣進行了土工試驗。

2.2 堆石壩填筑料試驗內容

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

試驗嚴格按照《土工試驗規(guī)程》進行操作。

2.3 填筑料試驗控制條件

2.3.1 試驗級配

試驗儀器允許最大粒徑為60mm，對楚松料場和巴金料場砂礫石超徑料采用等量代替法處理。替代后可保持原級配基本特性不變。

砂礫石平均級配見表1。

2.3.2 試驗控制干密度

楚松水庫混凝土面板堆石壩主堆石填筑密度控制標準為Dr=0.80。通過采用表面振動法對楚松、巴金料場砂礫石料進行相對密度試驗，成果見表2。

表1 砂礫石平均級配

表2 相對密度試驗成果

3 土工試驗成果及分析

3.1 抗剪強度

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

抗剪強度和應力應變參數(shù)試驗值見表3。

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

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

3.2 壓縮性

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

對楚松和巴金料場砂礫石壓縮試驗試驗成果繪制e～P關系曲線，見圖1、2。

表3 堆石料抗剪強度試驗成果

圖1 楚松料場e ～P關系曲線

圖2 巴金1#料場e ～P關系曲線

由 e～P關系曲線可以看出：楚松和巴金料場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系來看，細料含量較多的巴金砂礫石壓縮性大于楚松砂礫石。

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

3.3 滲透特性

試驗用粗粒土大型管涌儀，試樣直徑 300mm、高 450mm，振動法分層制樣，逐級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儀，試樣面積300×400mm，長600mm。

試驗結果：楚松料場垂直滲透系數(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 楚松和巴金料場砂礫石i～v關系曲線

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

由實測 i～v曲線看，楚松和巴金料場砂礫石滲透變形為管涌型。當試樣產生滲透變形后，一些細小顆粒開始移動或流失，稍粗顆粒的移動堵塞了部分孔隙通道，使過水斷面積減小。

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。

楚松料場砂礫石細料含量比巴金料場少約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 土工試驗結論及建議

經過上述試驗分析，可得如下結論。

（1）楚松和巴金料場砂礫石天然級配較好，細料以砂為主，含泥量少，片狀礫石顆粒含量較多，抗剪強度較高，壓縮性較小，透水性較強。試驗結果表明，楚松和巴金料場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計要求，可以作為壩體主堆石區(qū)填筑料，通過采取一定的技術措施及施工控制，使填筑指標滿足混凝土面板堆石壩填筑標準。

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

5 結 語

通過土工試驗，兩處料場河床砂卵石料各項指標可以滿足工程設計要求。設計時對兩處料場作為筑壩料及符合設計要求的硬巖堆石筑壩料分別進行了工程投資估算。

結果采用楚松和巴金料場作為填筑料可節(jié)省工程投資289萬元。故推薦采用楚松和巴金料場砂礫石料，這樣可以充分利用當?shù)亟ㄖ牧希?jié)省三材，經濟合理。