混凝土面板堆石坝填筑料试验分析与应用.pdf

水利技术监督 2 0 1 1 年第 6 期 混凝土面板堆石坝填筑料试验 分析与应用 宋春娟 刘淑晶 高 崇 ( 吉林市水利水电勘测设计研究院，吉林 1 3 2 0 1 3 ) 【 摘要】 结合工程实例，对混凝土面板堆石坝填料进行试验，通过分析，选用合格的堆石坝填筑料，为设计 提供经济合理的料源。 【 关键词】 堆石坝；填筑料；试验；分析 [ D O I 编码】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 — 1 3 0 5 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 1 3 【 中图分类号】 T V 6 4 1 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 问题的提出 楚松水库位于西藏 日喀则地区 白朗县汪丹 乡 南 7 k m ，年楚河二级支流嘎雄曲河上，海拔高程 4 1 9 0 ． 4 m ,是以灌溉 、供水和发 电为主的公益性水 利工程项目。水库枢纽工程由钢筋混凝土面板堆石 坝、溢洪道、输水隧洞及 电站组成 。 钢筋混凝土面板堆石坝最大坝高 3 9 ． 6 7 m ， 坝长 3 1 2 m ，总库容 1 4 6 0万 。 楚松水库在做坝体填筑料设计时经过各种物 料的实地勘察，坝址区附近硬岩堆石料比较缺乏， 储量及质量不能满足筑坝所需。该地区符合设计要 求的硬岩堆石筑坝料料场位置较远 ，故设计时根据 工程区附近料源情况，选取附近河床天然砂砾石 料。通过土工试验，论证砂砾石填料是否能满足主 堆石区的填筑要求，通过比选，为设计提供经济合 理的料源。 2 混凝土面板堆石坝填筑料试验 2 ． 1堆石坝填筑料来源 经过实地勘察，填筑料选用工程区附近楚松料 场和巴金料场河床天然砂砾石料。两处料场的砂砾 3 8 ‘ 石料储量较多，能够满足设计要求。 共选用二十四 组土样进行了土工试验。 2 ． 2堆石坝填筑料试验内容 对楚松料场和 巴金料场土样分别进行 了三组 三轴剪切试验 ，三组压缩试验 ( 饱和状态 ) ，三组 垂直管涌试验和一组水平管涌试验。另外采用表面 振动法对楚松 、巴金料场砂砾石进行两组相对密度 试验。 试验严格按照 《 土工试验规程》进行操作。 2 ． 3填筑料试验控制条件 2 ． 3 ． 1 试验级配 试验仪器允许最大粒径为 6 0 ra m ， 对楚松料场和 巴金料场砂砾石超径料采用等量代替法处理。替代 后可保持原级配基本特性不变。 砂砾石平均级配见表 1 。 2 ． 3 ． 2 试验控制干密度 楚松水库混凝土面板堆石坝主堆石填筑密度 控制标准为D r = O ． 8 0 。 通过采用表面振动法对楚松、 巴金料场砂砾石料进行相对密度试验 ， 成果见表 2 。 作者简介：宋春娟 ( 1 9 7 o 年 ) ，女，高级工程师。 水利技术监督 2 0 1 1 年第6 期 表 1 砂砾石平均级配 颗粒组成 ( ％ ) d o 料场名称 6 0 ~4 0 4 0 ~2 0 2 0 ～1 0 l O ～5 <5 ( in to ) ( m m ) ( 衄) ( 衄) ( 衄) ( 衄) ( m) 楚松 2 2 ． 9 5 2 5 ． 1 7 1 7 ． 0 7 1 3 ． O 2 2 1 ． 7 9 2 6 ． O 0 ． 4 8 5 4 ． 2 巴金 l 7 ． 2 2 2 1 ． 0 2 1 6 ． 7 2 1 2 ． 2 8 3 2 ． 7 6 1 9 ． 0 0 ． 3 2 5 9 ． 4 表 2 相对密度试验成果 全料加权 D r = 0 ． 8 0 试样 料 场 最大干密度 ( t ／ ) 最小干密度( t ／ ) 平均比重 控制干密度 ( t ／ m 。 ) 楚松砂砾石 2 ． 5 9 2 ． 2 2 4 1 ． 7 7 4 2 ． 1 2 巴金砂砾石 2 ． 6 O 2 ． 2 4 9 1 ． 7 7 8 2 ． 1 4 3 土工试验成果及分析 3 ． 1抗剪强度 试验用粗粒土大型三轴剪力仪，试样直径 3 0 0 m m ，高 6 8 0 ra m ，表面振动法分层制样，抽气法饱 和， 剪切速率为每分钟 0 ． 3 ％ 轴向应变量， 最大压力 0 ． 6 M Pa。 抗剪强度和应力应变参数试验值见表 3 。 利用库仑定律整理得饱和状态时的 值和 值 ， 大于其坡角 3 2 。。在不考虑咬合力的情况 下，按内摩擦角和 l g P 之间存在近似直线关系整理 成果。在低压力的情况下，垫层料的内摩擦角远大 于其坡角，故上、下游坡是稳定的。 试验表 明，楚松料场和 巴金料场砂砾石偏应力 和轴向应变关系 (口 ～ s )～ 为应变软化类型， 有 明显峰值 ，剪胀性较强，符合一般砂砾石抗剪强 度和应力应变关系特性。 两个料场砂砾石的抗剪强 度和切线模量系数有所不同，其影响因素主要是两 种砂砾石 的颗粒级配。巴金料场砂砾石细料含量较 多，其抗剪强度和切线模量系数低于楚松砂砾石。 3 ． 2压缩性 试验采用粗粒土大型浮环式压缩仪，试样直径 5 0 5 m m 、高 2 5 0 m E ，振动法分层制样，浸水法饱和， 自控液压施加垂直压力 ，压力分级为：O ． 0 5 、0 ． 1 、 0 ． 2、0 ． 4、0 ． 8和 1 ． 2 M P a 。 对楚松和 巴金料场砂砾石压缩试验试验成果 绘制 e - - - P关系 曲线 ，见图 1 、2 。 表 3 堆石料抗剪强度试验成果 f f =c+口 t g = 口 一 ~b l o g ( 口 ~ ／ p a ) f ， =A p a ( 口 ／ 试料名称 试验状态 干密度 t ／ re ) c ( M P a ) l ( 。) 。 ( 。) l ( 。) 6 楚松砂砾石 饱和 2 ． 1 2 0 ． 0 3 I 4 2 ． 7 4 8 ． 7 l 5 ． 8 l _ 2 0 O ． 9 3 巴金砂砾石 饱和 2 ． 1 4 0 ． O 6 l 4 L 3 4 8 ． 0 l 6 ． 9 1 ． 1 2 0 ． 9 2 0 0 0 O 0 0 -rf十 I l l I 一 图 1楚松料场 口～户关系曲线 由 尸关系曲线可以看 出：楚松和 巴金料场 砂砾石在低压力下 的压缩变形量较大 ，较高压力下 P ～尸曲线趋缓， 符合砂砾石一般压缩特性。 但也表 图2巴金 1 # 料场 e～户关系曲线 明砂砾石的初始紧密度略小。从砂砾石颗粒组成与 压缩变形关系来看，细料含量较多的巴金砂砾石压 缩性大于楚松砂砾石。 3 9 水利技术监督 2 0 1 1 年第 6 期 总的来看，楚松和 巴金料场砂砾石属低压缩性 填筑料， 其平均压缩模量为 4 2 ． 2 ～8 1 ． 0 7 M P a ， 其中 楚松料场砂砾石 的压缩特性较优于巴金砂砾石。施 工期碾压密实，可满足设计要求。 3 ． 3渗透特性 试验用粗粒土大型管涌仪，试样直径 3 0 0 m E 、 高 4 5 0 m m ，振动法分层制样，逐级提高上游水位排 气饱和 ，渗流方 向向上 。水平管涌用水平管涌仪， 试样面积 3 0 0 4 0 0 m E ，长 6 0 0 m E 。 试验结果：楚松料场垂直渗透系数为 2 ． 1 8 l 0 ～ ，临界坡降为 0 ． 2 1 ，破坏坡降为 1 ． 1 8 ；水平渗 透系数为 3 ． 6 7 l 0 ，临界坡降为 0 ． 1 7 ，破坏坡降 为 0 ． 8 6 。巴金料场垂直渗透系数为 2 ． 3 2 1 0 ～ ，临 界坡降为 0 ． 3 1 ，破坏坡降为 2 ． 3 。 0 O ， 。 1 ． o o < 《 。- B。 D． 5 C O O 曼 《 蘑 ： { { ／ < -f 凸 ．2 0 ．厂 一 ， ／ ／ ／ 一 一 怂捡 《 拳 》 ， ／ 楚性 ( 睡 ) _ 吼 1 0 ／ _ ∞ o． o． ／ ／ ／ C L 0 一 02 B 1 J1 一 j ^ 5 6 7 凸 9i 一 e 卑 日7 日 9 1 一1 j B 7 B 9 v 嘲，s 图 3 楚松和 巴金料场砂砾石 ～ 关系曲线 从颗粒组成分析，砂砾石级配曲线连续，不均 匀系数大于 5 0 ，可以初步判定其透水性较强，渗透 变形为管涌类型。 由实测 i ～v曲线看，楚松和 巴金料场砂砾石 渗透变形为管涌型 。当试样产生渗透变形后，一些 细小颗粒开始移动或流失，稍粗颗粒的移动堵塞了 部分孔隙通道 ，使过水断面积减小。 由 i ～v曲线反映其坡降增高，流速减小，随 着试样变形的发展， 最终出现坡降减小， 流速增大， 发生管涌破坏 。 楚 松料 场砂 砾 石细 料含 量 比巴金 料场 少约 1 0 ％ ， 其渗透系数约增大1 0 倍， 临界坡降减小约4 0 ％ 。 楚松料场砂砾石垂直和水平渗透特性相近， 水平渗 透系数略大，临界坡降和破坏坡降均略小。 4 土工试验结论及建议 经过上述试验分析，可得如下结论。 ( 1 )楚松和 巴金料场砂砾石天然级配较好， 细料 以砂为主 ， 含泥量少 ， 片状砾石颗粒含量较多 抗剪强度较高，压缩性较小，透水性较强。试验结 4 0 果表 明，楚松和巴金料场砂砾石是一种较好的天然 筑坝料，满足混凝土面板堆石坝主堆石填筑设计要 求，可 以作为坝体主堆石区填筑料 ，通过采取一定 的技术措施及施工控制，使填筑指标满足混凝土面 板堆石坝填筑标准。 ( 2 )楚松和 巴金料场砂砾石颗粒组成有一定 差别 ，巴金料场砂砾石细料含量略多，其抗剪强度 和透水性略低于楚松砂砾石，压缩性比楚松砂砾石 略大 。使用时可以优先考虑楚松料场，或进行混合 开采分区使用。 5 结 语 通过土工试验，两处料场河床砂卵石料各项指 标可 以满足工程设计要求。设计时对两处料场作为 筑坝料及符合 设计要求 的硬岩堆石筑坝料分别进 行了工程投资估算。 结果采 用楚松和 巴金料场作为填筑料可节省 工程投资 2 8 9万元。故推荐采用楚松和巴金料场砂 砾石料，这样可 以充分利用当地建筑材料，节省三 材，经济合理。