基于填筑技術的黏土斜心墻壩水庫建設研究

何 明

(新疆昌源水務準東供水有限公司,烏魯木齊 831700)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展,水資源的需求不斷增加,而可用于供水的天然水資源有限[1-2]。因此,水資源的合理利用和管理變得越來越重要[3-4]。水庫作為一種重要的水資源管理設施,能夠調節和儲存水資源,提高供水的可靠性和安全性[5]。在諸多類型的水庫中,黏土斜心墻壩是一種常見的壩型,因其具有較高的強度和穩定性而被廣泛應用于水庫建設中[6-7]。填筑技術是水庫工程建設中常見的一項施工技術,用于水庫地基處理、填平地表或筑壩等,通過運輸,將地表或地基的高低差填平[8-9]。在黏土斜心墻壩水庫的建設中,填筑技術的作用尤為重要[10]。但填筑技術的實施受到多種因素的影響,如填筑材料的質量、施工工藝、氣候條件等[11]。此外,填筑過程中還可能產生沉降和變形等物理變化,對水庫的安全性和穩定性產生影響[12]。

因此,本文基于填筑技術的視角,對黏土斜心墻壩水庫建設進行深入研究,揭示黏土斜心墻壩水庫建設中填筑技術的影響機制,研究結果可為優化施工工藝和提高水庫建設質量提供理論支持和實踐指導。

1 工程概況

本次研究以某水庫工程為實例,水庫總容量4×108m3,考慮到水庫的容量、年降雨量、蒸發量、流域面積、灌溉面積、供水需求等因素,年供水量約1 825×104m3。該水庫主要功能以防洪和農業灌溉為主,同時為區域性生態環境及市政供水。水庫大壩采用黏土斜心墻壩結構,壩頂高程2 830m,設計洪水位2 823m,正常蓄水位2 820m,死水位2 790m,壩基位2 750m,巖基位2 710m,壩基防滲墻頂高程2 760m。黏土斜心墻壩剖面圖見圖1。

圖1 黏土斜心墻壩剖面圖

根據設計水位和下游水位,計算壩體的容積和穩定性,以滿足防洪和蓄水需求。壩體容積V的計算公式如下:

V=A×H

(1)

式中:A為壩頂面積;H為壩高。

根據防滲要求、地基條件和施工工藝等,確定黏土心墻的厚度和高度,以滿足防滲和穩定性的要求。黏土心墻厚度t的計算公式如下:

t=(α×V)/(10×d)

(2)

式中:α為黏土心墻的容重;d為水的重度。

黏土心墻的材料性質對壩體的防滲和穩定性有重要影響,因此需要選取符合設計要求的填筑材料。黏土心墻高度h的計算公式如下:

h=(γ×V)/(γ1×A)

(3)

式中:γ為黏土心墻的容重;γ1為水的重度。

2 基于填筑技術的黏土斜心墻壩水庫建設研究

斜心墻壩的土料鋪填過程是水庫工程建設中的一項關鍵技術,其操作順序和質量控制直接關系到大壩的整體性能和穩定性。首先根據設計要求和施工計劃,選取符合標準的土料,并進行嚴格的篩選和清洗,確保土料中不含有雜質和砂石。將篩選好的土料進行混合,保證土料的均勻性和一致性。一般采用機械攪拌和人工翻拌相結合的方式,使土料充分混合,然后進行土料的鋪設。根據設計要求和施工計劃,將土料分層鋪設在大壩的斜心墻上。在鋪設過程中,要嚴格控制土料的厚度、壓實度和含水量等參數,確保每層土料都得到充分壓實。同時,采用專業的測量儀器對土料的鋪設厚度和壓實度進行實時監測和調整。最后,對鋪設好的土料進行養護和保護。采取定期澆水保濕、覆蓋保護層等措施,以防止土料干燥、開裂或受損。斜心墻壩的土料鋪填過程需要嚴格控制每個環節的質量,確保大壩的安全性和穩定性。同時,加強施工管理和技術監督,保證工程質量達到設計要求和使用壽命。黏土斜心墻壩填筑施工技術流程見圖2。

圖2 水庫黏土斜心墻壩填筑技術流程圖

斜心墻壩體土料碾壓的目的是通過機械碾壓,提高土料的密實度,從而達到防滲和穩定性的要求。在斜心墻壩體土料碾壓過程中,首先需要選擇符合設計要求的土料,并進行篩選和清洗,以確保土料的質量。然后將篩選好的土料進行混合,使土料充分均勻。在鋪設和碾壓過程中,需要使用專業的碾壓設備,如振動碾或羊足碾等,對土料進行分層碾壓。通過控制碾壓設備的行走速度和碾壓次數,確保每層土料的密實度達到設計要求。同時,為了防止出現“彈簧土”等質量問題,需要對不合格的土層進行翻新和重新碾壓。在碾壓過程中,需要加強現場監測和質量控制。通過采用專業的密實度監測儀器,對土料的密實度進行實時監測和調整。同時,為了防止土料干燥和開裂等問題,需要采取保濕和覆蓋等保護措施。斜心墻壩體土料碾壓是水庫工程建設中的一項關鍵技術,通過嚴格控制施工質量和加強現場監測,可以提高大壩的防滲性能和穩定性,確保工程的安全性和使用壽命。

在黏土斜心墻壩的填筑施工前,需進行充分的準備工作,包括對施工圖紙的詳細審查,以確認所有細節和技術要求;制定全面而詳細的施工計劃,考慮到可能出現的各種情況,并設定明確的時間表;對施工設備進行全面的檢查和調試,確保其運行正常,滿足施工需求;進行必要的材料采購,確保施工所需的材料質量和數量。對于土料的選取,嚴格按照設計要求進行選擇和采購。在土料進入施工現場前,需進行嚴格的篩選和清洗,以去除其中的雜質和不合格的部分。同時,將選取的土料進行充分混合,保證各種土料的分布均勻。在填筑過程中,采用分層鋪設、分層壓實的方法,以確保每層土料都得到充分的壓實。并在此過程中,嚴格控制土料的鋪設厚度、壓實度和含水量等參數,確保每一層的填筑質量。在填筑過程中,為了保證施工效果,施工單位應將體型較大的顆粒材料鋪設在前面,在鋪設材料時,施工單位要對相鄰位置之間的距離進行合理設計,保證距離的可行性,實現施工的順利開展。同時,采用專業的測量儀器對填筑質量進行實時監測和調整。填筑完成后,需進行必要的養護和保護措施。定期澆水保濕、覆蓋保護層等措施可以防止土料干燥、開裂或受損。斜心墻壩填筑的施工原則作為確保工程質量的重要環節,需嚴格控制每個環節的質量,并加強施工管理和技術監督,以確保大壩的安全性和穩定性。

3 結果與分析

3.1 基于填筑技術的黏土斜心墻壩碾壓試驗分析

黏土斜心墻壩是水庫工程常用的壩型,其防滲性能和穩定性對于整個水庫工程的安全性和使用壽命具有重要影響。因此,在進行黏土斜心墻壩的填筑施工前,需要進行碾壓試驗,以檢驗填筑土料的密實度和承載力。其中,所涉及的重要指標有干密度(ρ)、壓實度(D)、沉降度(Δh)。大壩干密度是指水庫大壩填筑材料在完全干燥情況下,其固體顆粒的質量與總體積的比值。大壩壓實度指的是在填筑大壩時,采用壓實機械對土料進行壓實處理,使土料內部空氣和水分減少,密度增加,以達到設計要求的密度指標。大壩沉降度是指大壩在施工或運行過程中,由于多種因素的影響,如地基土層變化、壩體材料的收縮和徐變等,導致大壩的壩頂高程發生的沉降變化。

本次研究分別選取鋪土厚度h為30、40、50cm,碾壓次數N為6、8、10次3種組合,旨在探討鋪土厚度和碾壓次數對土壤壓實效果的影響。不同鋪土厚度的干密度與碾壓次數關系曲線圖見圖3。

圖3 不同鋪土厚度的干密度與碾壓次數關系曲線圖

由圖3可知,當鋪土厚度為30cm,碾壓次數為6時,干密度為1.52;碾壓次數為8時,干密度為1.55;碾壓次數為10時,干密度為1.58。當鋪土厚度為40cm,碾壓次數為6時,干密度為1.51;碾壓次數為8時,干密度為1.52;碾壓次數為10時,干密度為1.53。當鋪土厚度為50cm,碾壓次數為6時,干密度為1.50;碾壓次數為8時,干密度為1.51;碾壓次數為10時,干密度為1.51。由上述結果可知,當鋪土厚度為30cm、碾壓次數為6時,干密度值最高。

不同碾壓次數的鋪土厚度與壓實度關系曲線圖見圖4。

圖4 不同碾壓次數的鋪土厚度與壓實度關系曲線圖

由圖4可知,當碾壓次數為6次,鋪土厚度為30cm時,壓實度為96.8%;鋪土厚度為35cm時,壓實度為96.4%;鋪土厚度為40cm時,壓實度為96.2%。當碾壓次數為8次,鋪土厚度為30cm時,壓實度為97.2%;鋪土厚度為35cm時,壓實度為96.8%;鋪土厚度為40cm時,壓實度為96.5%。當碾壓次數為10次,鋪土厚度為30cm時,壓實度為97.3%;鋪土厚度為35cm時;壓實度為96.8%,鋪土厚度為40cm時,壓實度為96.7%。由上述結果可知,當鋪土厚度為40cm、碾壓次數為8時,干密度值最高。

不同碾壓次數的鋪土厚度與沉降度關系曲線圖見圖5。

圖5 不同碾壓次數的鋪土厚度與沉降度關系曲線圖

由圖5可知,當鋪土厚度為30cm,碾壓次數為6時,沉降度為2.9cm;碾壓次數為8時,沉降度為3.7cm;碾壓次數為10時,沉降度為3.8cm。當鋪土厚度為30cm,碾壓次數為6時,沉降度為3.7cm;碾壓次數為8時,沉降度為4.5cm;碾壓次數為10時,沉降度為5.8cm。當鋪土厚度為30cm,碾壓次數為6時,沉降度為3.9cm;碾壓次數為8時,沉降度為5.0cm;碾壓次數為10時,沉降度為6.0cm。由上述結果可知,當鋪土厚度為30cm、碾壓次數為6時,沉降量曲線趨于平穩。

綜上所述,在基于填筑技術的黏土斜心墻壩水庫建設中,當鋪土厚度為30cm、碾壓次數為8次時,沉降量趨于平穩,表現出相對較好的性能。

3.2 基于填筑技術的黏土斜心墻壩滲透系數試驗分析

滲透系數是評估土體滲透性能的關鍵指標,滲透系數的大小直接關系到大壩的滲流情況和穩定性。通過測試,可以獲得黏土心墻壩在不同壓力下的滲透系數,從而深入了解其滲透性能,為設計提供重要依據。為了確保水庫工程建設的穩定性和安全性,在填筑過程中,采用現場單環法與室內變水頭進行對比分析。

現場單環法是一種直接在現場進行滲透試驗的方法,通過在心墻表面放置一個單環,測量在不同水頭壓力下的滲透流量,從而得到心墻的滲透系數。室內變水頭滲透試驗是在實驗室中進行,通過模擬不同水頭壓力下的滲透情況,得到心墻的滲透系數。雖然該方法需要較長時間,但可以快速得到試驗結果,滿足施工進度要求。通過將現場單環法與室內變水頭滲透試驗進行對比分析,可以更好地了解心墻在不同施工條件下的滲透性能,從而指導施工。其中,土料分別選取黃色黏土、紅色黏土以及現場混合料,測試結果見表1。

表1 基于填筑技術的黏土斜心墻壩滲透系數試驗結果

由表1可知,單環法在上述各種土料中測定的滲透系數結果均比室內滲透試驗結果高,其中采用紅色黏土土料的單環法滲透系數最高,為7.0×10-6,且平均值為6.5×10-6。而室內變水頭法在紅色黏土土料滲透試驗中的滲透系數最高,為5.9×10-8,平均值為4.5×10-8。由此可知,采用紅土土料的單環法透水性能較強,即水能夠更容易地通過該材料。在黏土心墻壩的填筑工程中,采用紅土土料的單環法進行滲透系數控制,可以更好地反映實際施工條件下的心墻滲透性能。

4 結 論

為了提升水庫的建設技術水平及水資源的利用效率,本次研究著力于探究基于填筑技術的黏土斜心墻壩水庫建設。首先,對黏土斜心墻壩的碾壓試驗進行了深入分析。結果顯示,當鋪土厚度為30cm、碾壓次數為6時,干密度為1.52g/cm3,表明填筑土料在此條件下的密實度較高。當碾壓次數為8次、鋪土厚度為30cm時,壓實度為97.2%,顯示出良好的承載能力和穩定性。此外,當鋪土厚度為30cm、碾壓次數為6時,沉降量曲線趨于平穩,表明在此條件下,大壩的沉降量已經達到相對穩定的狀態。然后,對黏土斜心墻壩的滲透系數進行了試驗研究。結果表明,采用紅色黏土土料的單環法滲透系數最高,為7.0×10-6cm/s,且平均值為6.5×10-6cm/s,表明紅色黏土土料具有較好的防滲性能,對于保證大壩的穩定性和防止水資源流失具有積極作用。

綜上所述,基于填筑技術的黏土斜心墻壩水庫建設應采用單環法的紅土土料進行試驗,以提高水庫的建設水平和水資源的利用效率。同時,在施工過程中,應注重鋪土厚度和碾壓次數的控制,以獲得最佳的填筑效果和穩定性。