混凝土面板堆石壩軟巖料工程特性探討

摘要：軟巖料是指采用爆破、開采手段將軟巖巖體破碎而得到的石料，規(guī)范將飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于30MPa的巖石劃分為軟質(zhì)巖。有效的利用工程開采料作為筑壩材料，不僅能降低工程造價(jià)，加快工程建設(shè)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文參照已建工程經(jīng)驗(yàn)，探討軟巖筑壩料工程特性，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

Abstract： Soft rock material refers to the rock material obtained by crushing the soft rock mass by blasting and mining methods. The standard classifies the rock with the saturated unconfined compressive strength less than 30MPa as soft rock. Effective use of engineering mining materials as dam construction materials can not only reduce engineering costs， speed up engineering construction， and protect the ecological environment， which has major economic and social benefits. This article refers to the experience of existing projects to discuss the engineering characteristics of soft rock dam materials and provide references for similar engineering design.

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩;軟巖料;滲透系數(shù)

Key words： concrete face rockfill dam;soft rock;permeability coefficient

中圖分類號(hào)：TV642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0115-02

1 ?概況

軟巖料的變形相對較大，過大的壩體變形容易造成面板脫空、應(yīng)力狀態(tài)惡化、使周邊縫剪切位移和沉陷增加，影響大壩的運(yùn)行安全性。西北口、三板溪、水布埡等均出現(xiàn)了面板不同程度的脫空、裂縫問題，嚴(yán)重的將影響大壩的安全運(yùn)行。

本文借鑒我國軟巖筑壩經(jīng)驗(yàn)，對軟巖料堆石壩的工程特性進(jìn)行類比，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 ?軟巖堆石料工程特性

2.1 巖石性質(zhì)

某工程巖石室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果表明：弱風(fēng)化及以下的中、細(xì)粒砂巖的孔隙率7.43～13.06%，飽和抗壓強(qiáng)度為23.3～41.5MPa，平均值32.7MPa，少數(shù)僅10MPa，軟化系數(shù)平均值約0.45，個(gè)別為0.27，干密度2.24～2.54g/cm3，個(gè)別為2.08g/cm3，平均值2.39g/cm3。從已建面板堆石壩工程經(jīng)驗(yàn)看，用于筑壩的軟巖飽和抗壓強(qiáng)度宜大于15MPa飽和抗壓強(qiáng)度小于10MPa的軟巖料不宜上壩。（表1）

2.2 工程特性

2.2.1 級(jí)配特性

某工程軟巖料碾壓后，小于5mm顆粒一般占16～23%，最高達(dá)到25%。軟巖料粒徑在碾壓后一般都比較細(xì)，細(xì)粒含量較多。由于軟巖堆石料的變異性，碾壓后堆石料的級(jí)配很難控制。小于0.075mm的顆粒一般占0.3～0.8%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)限值（≤5%）。不均勻系數(shù) Cu值明顯偏高，曲率系數(shù) Cc一般大于3，表明級(jí)配曲線坡度較陡且級(jí)配連續(xù)性較差。軟巖巖塊一般具有遇水軟化、失水崩解的特性。

已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，軟巖料經(jīng)壓實(shí)后，小于5mm顆粒含量增加較大，大于0.075mm顆粒含量所占比例仍是很小的。而軟巖料在碾壓后泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，因此軟巖料的級(jí)配對其在實(shí)際工程中的應(yīng)用并無太多的影響，重要的是要碾壓密實(shí)，并充分考慮壩體的排水。

2.2.2 密度與壓實(shí)特性

某工程軟巖料區(qū)干密度為1.90～2.00g/cm3，孔隙率約為21～25%。室內(nèi)壓縮試驗(yàn)成果顯示，隨著壓力的增大，壓縮模量快速提高，且沒有收斂趨勢，在壓力為0.1～3.2MPa范圍內(nèi)干樣壓縮模量為19.6～99.2MPa，飽和樣壓縮模量為9.9～67.9MPa，飽和樣壓縮模量明顯低于干樣壓縮模量，這是因?yàn)檐泿r堆石料為泥質(zhì)粉砂巖，強(qiáng)度低，遇水軟化嚴(yán)重。

寺坪壩、魚跳壩軟巖料干密度為2.00～2.28g/cm3，孔隙率約為18～20%。而一般中硬巖面板堆石壩堆石孔隙率為20～25%。軟巖材料的壓縮變形隨著密度的增加而漸減，在飽和狀態(tài)下的壓縮變形較大。由于軟巖顆粒較細(xì)，孔隙率大，遇水風(fēng)化崩解，對水極為敏感。

2.2.3 滲透特性

某工程軟巖料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)表明：滲透系數(shù)大多數(shù)在 i×10-4～i×10-3cm/s范圍，少數(shù)測點(diǎn)在1.0×10-3～3.5×10-3cm/s范圍。因此軟巖堆石料不能滿足壩體自由排水的要求。其原因主要是級(jí)配不良，天然堆石料中細(xì)料含量較多，且隨著碾壓遍數(shù)的增加，細(xì)料含量進(jìn)一步增加，使得堆石體中大量滲流通路堵塞，甚至出現(xiàn)不滲透的情況，且經(jīng)表面清除處理仍無改善，表明細(xì)料泥化對滲透系數(shù)影響明顯。

參考已建工程，十三陵蓄能上庫壩為10-1～10-3cm/s量級(jí)，大坳、魚跳、盤石頭等三座壩為10-2～10-3cm/s量級(jí)，均屬強(qiáng)～中等透水性。寺坪壩強(qiáng)風(fēng)化頁巖滲透系數(shù)為2.75×10-3cm/s，屬中等透水性，弱風(fēng)化和微風(fēng)化頁巖料分別為2.28×10-3cm/s和2.47×10-3cm/s，屬強(qiáng)透水性。部分試樣的臨界比降在0.28～1.48之間，較容易發(fā)生滲透破壞，破壞形式為首先產(chǎn)生管涌，然后發(fā)展為流土。

軟巖料的滲透特性表明，軟巖料的滲透系數(shù)均不高，因此實(shí)際工程中軟巖料一般放在壩軸線下游干燥區(qū)，若作為大壩主堆石料，則在壩體中一般需設(shè)置“L”型排水體，確保壩體能夠自由排水。

2.2.4 壓縮特性

某工程軟巖料壓縮試驗(yàn)成果表明，上水庫紫紅色砂巖在試驗(yàn)級(jí)配和設(shè)計(jì)密度條件下，上包線0.1～0.2MPa 壓力下的壓縮模量在30.5～32.9MPa范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)在 0.039～0.044MPa-1范圍內(nèi)，下包線0.1～0.2MPa壓力下的壓縮模量在46.3～65.9MPa 范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)在0.019～0.029MPa-1范圍內(nèi)，均屬于低壓縮性土。

工程實(shí)踐表明，由于室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)所取的干密度無法達(dá)到施工現(xiàn)場實(shí)際干密度。壩體實(shí)際壓縮變形比試驗(yàn)值偏小。

2.2.5 濕化和流變特性

軟巖料的濕化特征更為明顯。實(shí)際工程中使用的各種軟巖料均有一個(gè)較為普遍的特點(diǎn)，即軟巖料對環(huán)境變化的敏感性很強(qiáng)，現(xiàn)場剛開采的各種軟巖料尚有一定強(qiáng)度，但稍經(jīng)風(fēng)雨、日曬的影響，其強(qiáng)度迅速降低，顆粒加劇破碎。大坳壩砂巖料濕化軸向應(yīng)變從2.24%增加到3.67%。魚跳壩的泥巖化軸向應(yīng)變從2.98%增加到6.22%。

實(shí)際工程開采中，剛開采的軟巖料具有一定的強(qiáng)度，但經(jīng)過干濕循環(huán)，強(qiáng)度降低，風(fēng)化崩解速度快，即軟巖料對環(huán)境變化的敏感性很強(qiáng)。已有工程經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)研究表明，軟巖堆石料的濕化和流變現(xiàn)象比較明顯，壩體的變形在工程完工后一定時(shí)間內(nèi)還未結(jié)束。

2.2.6 沉降變形

某工程軟巖料碾壓試驗(yàn)表明，每2遍碾壓的沉降量隨著碾壓遍數(shù)的增加而減小，累計(jì)沉降量以26t最大，小鋪厚的最小。在碾壓8遍后平均沉降率基本上小于1%。表明振動(dòng)平碾8遍后變形趨于穩(wěn)定。在施工中，關(guān)鍵是控制壩體的均勻沉降和控制軟巖料的沉降，采用小鋪厚，能夠碾壓密實(shí)，避免后期沉降對面板的不利影響。

沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：硬巖面板堆石壩施工期最大沉降量與壩高之比一般僅為0.5%左右。可參考實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，根據(jù)壩高，軟巖料比例等綜合確定沉降安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 ?施工技術(shù)處理

3.1 加水工藝

碾壓前適當(dāng)灑水有助于堆石料的碾壓密實(shí)，但是軟巖料遇水軟化崩解，對水極敏感，灑水率需要考慮到軟巖料的天然含水率，以及灑水對軟巖料的浸潤過程。

在施工前，應(yīng)通過對比相同碾重、相同鋪后條件下灑水率對堆石料顆粒分析、干密度、沉降及滲透的影響。選擇合適的加水方案。

3.2 泥化層的處理

由于軟巖料強(qiáng)度較低，孔隙率大，遇水軟化崩解。施工中，經(jīng)過機(jī)具碾壓后，在表面形成一層板結(jié)狀泥化層，透水率差甚至不透水，且形成人為的軟弱結(jié)構(gòu)面，施工過程中，每一層終碾后應(yīng)用推土機(jī)把泥化層剝離，再進(jìn)行下一層堆石料的鋪攤。

4 ?已建工程運(yùn)行情況

表2統(tǒng)計(jì)了典型軟巖面板堆石壩運(yùn)行情況，利用軟巖料筑壩，由于母巖強(qiáng)度低等特性，壓實(shí)度好，但是總體上沉降還是比同規(guī)模中硬巖筑壩大。近年來，嚴(yán)格的控制沉降時(shí)間和沉降速率，盡量的讓含軟巖料大壩沉降時(shí)間長，能夠有效的控制面板施工后壩體的沉降，避免了面板的結(jié)構(gòu)性破壞。

5 ?結(jié)語

①在混凝土面板堆石壩工程設(shè)計(jì)中，采用軟巖或者軟巖混合料筑壩時(shí)，合理布置壩體分區(qū)，設(shè)置排水區(qū)，控制壩體沉降，有著良好的借鑒作用。

②充分利用建筑物開挖軟巖料筑壩，不僅有良好的社會(huì)效益，并且可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在今后的工程建設(shè)中，不斷總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為軟巖筑壩技術(shù)提供可靠支持。

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作者簡介：李泰熙（1989-），男，湖南衡陽人，碩士研究生，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作。