花崗巖風(fēng)化砂料作為土石壩筑壩材料的探索

劉云貴

【摘 要】針對(duì)在花崗巖風(fēng)化區(qū)修建的水利樞紐工程，通過分析天然狀態(tài)下花崗巖風(fēng)化砂的物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)物理力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)采用花崗巖風(fēng)化砂作為土石壩填筑料進(jìn)行探索研究。

【Abstract】For the water conservancy project in weathered granite zone， paper analyzes the physical and mechanics parameters of weathered granite under the natural state， combing the on-site physical mechanics test， explores the weathered granite using as the filling material in earth and rockfill dam.

【關(guān)鍵詞】花崗巖；風(fēng)化砂；土石壩 ；填筑料

【Keywords】granite；weathered sand； earth rockfill dam； filling material

【中圖分類號(hào)】TV5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0173-02

1 引言

目前，在具有多種筑壩材料的情況下，土石壩的壩體分區(qū)設(shè)計(jì)一般根據(jù)就地取材和挖填平衡原則進(jìn)行。針對(duì)土石壩工程，本文通過設(shè)置不同分區(qū)及壩體材料配置方案，針對(duì)各方案進(jìn)行滲流以及壩坡穩(wěn)定性分析，從而對(duì)壩體分區(qū)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，選擇既可以滿足滲流穩(wěn)定要求，又可以節(jié)省工程造價(jià)的方案，從而達(dá)到合理配置各個(gè)分區(qū)土質(zhì)材料以及安全經(jīng)濟(jì)的目的[1]。

2 工程概況

某水庫(kù)工程是一座以灌溉為主并兼顧農(nóng)村生活供水的水利工程，設(shè)計(jì)總庫(kù)容351.32萬m3，最大壩高57.94m。根據(jù)《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2000），工程規(guī)模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。

3 填壩材料試驗(yàn)成果

3.1 料場(chǎng)地質(zhì)概況

經(jīng)過勘探料場(chǎng)整體巖性為燕山晚期白堊紀(jì)侵入巖（r53（b））中細(xì)粒黑云母花崗巖，風(fēng)化強(qiáng)烈且風(fēng)化不均勻，局部地區(qū)全風(fēng)化層埋深達(dá)15.0m左右，厚度13.50m，風(fēng)化較深，呈砂土狀，強(qiáng)度低。由于本地區(qū)巖性風(fēng)化較強(qiáng)烈，導(dǎo)致開采的主要用料為強(qiáng)風(fēng)化夾少量全風(fēng)化及弱風(fēng)化花崗巖，因此，在施工開采時(shí)，應(yīng)盡量選擇全風(fēng)化中下部、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化上部的巖層來作為壩殼料，主要用料為強(qiáng)風(fēng)化為主，滿足其質(zhì)量技術(shù)

要求；由于花崗巖風(fēng)化不均勻，局部地段全風(fēng)化和覆蓋層較深，全風(fēng)化和覆蓋層棄料太多，建議對(duì)棄料采取合理運(yùn)用置于前壩坡，清除覆蓋層表面的腐殖層，以滿足其質(zhì)量技術(shù)要求。

3.2相對(duì)密度試驗(yàn)

采用相對(duì)密度試驗(yàn)測(cè)定最大干密度值，相對(duì)密度儀，用松堆法裝入樣品，裝滿后找平稱重，算出最小干密度；然后在總壓力14KPa下振動(dòng)8min，測(cè)讀試樣高度，算出最大干密度；根據(jù)制樣密度計(jì)算相對(duì)密度值。

3.3 比重及滲透試驗(yàn)

比重試驗(yàn)：大于5mm的粗粒料采用虹吸筒法，小于5mm的細(xì)粒料采用比重瓶法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)粗細(xì)粒含量求得風(fēng)化料的加權(quán)比重。

滲透試驗(yàn)：采用試樣筒直徑30cm、高30cm的滲透儀，用人工錘擊至所要求的高度，再用常水頭進(jìn)行飽和，待其試樣飽和出水后，用常水頭法進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 三軸剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)采用SZ30-4B3型2000KN全自動(dòng)大型三軸儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理皆為自動(dòng)化，求得試驗(yàn)參數(shù)。剪切試驗(yàn)狀態(tài)為固結(jié)排水（CD）剪切，按圍壓100KPa、200KPa、400KPa、800KPa四級(jí)施加荷載。

4 滲流穩(wěn)定分析

4.1 滲流計(jì)算

大壩滲流分析計(jì)算采用河海大學(xué)開發(fā)的Autobank7的滲流分析計(jì)算。計(jì)算組合情況：

按以下四種工況計(jì)算：

工況一：正常蓄水位+下游無水

工況二：設(shè)計(jì)洪水位+下游無水

工況三：校核洪水位+下游無水

工況四：校核洪水位驟降至正常蓄水位

計(jì)算實(shí)際選取大壩最大斷面為計(jì)算代表斷面，采用校核洪水位情況下的等勢(shì)線及流線，計(jì)算大壩滲透穩(wěn)定；采用正常蓄水位下的穩(wěn)定滲流計(jì)算主壩滲透流量。

通過計(jì)算，各水位情況的計(jì)算成果見下圖：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，壩體砂壤土最大滲透比降為0.42，風(fēng)化砂土最大滲透比降為0.13，黏土防滲墻最大滲透比降為16.00，出逸點(diǎn)處的最大滲透比降為0.36。

4.2 穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的要求，壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法，計(jì)算程序采用Autobank7程序計(jì)算，根據(jù)計(jì)算成果表可得，大壩上游壩坡安全系數(shù)在“校核洪水位快速降至死水位以下”工況時(shí)最小，為1.38，大于規(guī)范要求值1.15；下游壩坡在“校核洪水位形成穩(wěn)定滲流”工況時(shí)最小，為1.33，大于規(guī)范要求值1.15；特殊工況為“設(shè)計(jì)洪水位形成穩(wěn)定滲流+Ⅶ度地震”工況時(shí)安全系數(shù)最小，為1.15，大于規(guī)范要求值1.10。大壩體型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析計(jì)算填壩材料的滲流穩(wěn)定，得到土石壩壩料分區(qū)優(yōu)化方案，驗(yàn)證方案可行性。通過試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論 ：

第一，土石壩近上下游兩側(cè)以及壩底處的材料對(duì)土石壩的穩(wěn)定性能影響最為顯著，因此這些部位應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度較高的材料進(jìn)行配置；而壩體中心部位和近下游處的材料對(duì)土石壩的滲流逸出點(diǎn)位置影響較為顯著，因此在這些部位應(yīng)配置防滲性能好的材料，在壩體近下游處應(yīng)該優(yōu)先選擇透水性能好的材料進(jìn)行配置[2]。

第二，本文得到的最終優(yōu)化方案能夠在滿足壩體安全及結(jié)構(gòu)要求的前提下，更為有效地發(fā)揮材料防滲及抗滑穩(wěn)定功能。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳志波，朱俊高.土石壩心墻材料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（6）：790-795.

【2】劉倬昀，辛全才，張帆.土石壩壩料分區(qū)優(yōu)化研究[J].水力發(fā)電，2014（12）：35-37.endprint