土石壩工程利用膨脹土的研究與實(shí)踐

土石壩工程利用膨脹土的研究與實(shí)踐

1大壩建設(shè)研究與實(shí)踐的發(fā)展20世紀(jì)70年代，三叉水庫(kù)粘土斜墻石渣水庫(kù)和南充升中水庫(kù)高79m粘土心墻石渣水庫(kù)的建設(shè)，標(biāo)志著四川省的土石壩建設(shè)未能擺脫中國(guó)成立初期單一均勻水庫(kù)的傳統(tǒng)模式。20世紀(jì)末,在高地震區(qū)的冕寧大橋水庫(kù)壩高93m混凝土面板堆石壩的建成,是四川省水利建設(shè)史上的新發(fā)展。這些大型水利工程大壩的成功建設(shè),都顯示了筑壩材料研究的發(fā)展和對(duì)大壩建設(shè)的強(qiáng)有力支持。隨著當(dāng)?shù)刂尾牧系纳钊胙芯亢烷_發(fā),促進(jìn)了我省一大批各具特色的土石壩工程的建設(shè)。30多年的工程實(shí)踐,已在防滲料、反濾過(guò)渡料、壩殼料諸方面得到深入的研究和發(fā)展,取得了可喜的成果。21世紀(jì)初,岷江紫坪鋪水利樞紐工程壩高156m混凝土面板堆石壩建成發(fā)電,開創(chuàng)了四川省水利史上土石壩建設(shè)的新篇章。2防滲透材料的研究2.1膨脹土的研究為大壩防滲體使用提供了依據(jù)20世紀(jì)70年代中后期,根據(jù)四川盆地9個(gè)水庫(kù)大壩土料400余組試驗(yàn)成果,分析研究了本地區(qū)膨脹土的主要判別指標(biāo),同時(shí)研究了大壩防滲體應(yīng)用膨脹土的方法,并在升鐘水庫(kù)大壩心墻中成功使用,論文“筑壩工程利用膨脹土的研究”在第四屆全國(guó)土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)上交流,為我省土石壩工程建設(shè)中膨脹土判別及應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。2.2建設(shè)階段的研究成果20世紀(jì)80年代后期,隨著大、中型水利工程建設(shè)的需要,大量開采土料已對(duì)農(nóng)作物耕地造成威脅。針對(duì)四川中部“紅色地層”廣布風(fēng)化砂泥巖料的特點(diǎn),開展了研究其替代粘土作防滲料并在工程實(shí)踐中取得實(shí)效。論文“風(fēng)化砂、泥巖石渣料作防滲料的研究”總結(jié)了我省雙河口水庫(kù)及雙溪水庫(kù)大壩建設(shè)中的研究應(yīng)用成果,該論文在第三十屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)上發(fā)表,這個(gè)階段強(qiáng)調(diào)的是風(fēng)化泥巖石渣的使用。20世紀(jì)90年代中后期,在應(yīng)用風(fēng)化泥巖作防滲料的基礎(chǔ)上,更進(jìn)一步研究了弱風(fēng)化或新鮮泥巖石渣作防滲料。在研究方法及施工開采上有新的突破,并在沉抗水庫(kù)得以實(shí)施應(yīng)用,論文“沉抗水庫(kù)大壩泥巖心墻防滲料的研究”在《土石壩工程》上進(jìn)行了交流。目前,相繼建成的關(guān)門石水庫(kù)、大洋溝水庫(kù)、黑龍凼水庫(kù)、牛角坑水庫(kù)大壩都采用了泥巖石渣做防滲料。在我省土石壩建設(shè)中,采用“紅層”泥巖石渣料作防滲料取得了顯著的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。2.3礫質(zhì)紅粘土防滲材料研究紅土在我國(guó)南方諸省用作筑壩材料早已是不爭(zhēng)的事實(shí)。但在80年代,四川省特別是在大型水利工程中對(duì)其使用則存在著相當(dāng)大的疑慮,如在大橋水庫(kù)勘測(cè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行主壩壩型比較中,對(duì)這種天然密度低、含水量高、天然孔隙比在0.95~1.13的礫質(zhì)紅粘土作為防滲料存在極大的爭(zhēng)議。為此,對(duì)級(jí)配連續(xù)之寬級(jí)配礫質(zhì)紅粘土(因其礫石為棱角狀,在大橋水庫(kù)工程中通稱碎石土)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要包括礫質(zhì)紅粘土礦物成份、天然含水量、級(jí)配及相應(yīng)的力學(xué)特性。對(duì)礫質(zhì)紅粘土不同季節(jié)含水量的變化,含水量與細(xì)粒含量、碎石風(fēng)化程度、天然含水量與擊實(shí)最優(yōu)含水量等的關(guān)系等作了專門性研究,獲得科學(xué)結(jié)論,證明礫質(zhì)紅粘土符合防滲材料質(zhì)量技術(shù)要求,是較好的筑壩材料,因而支持了在大橋水庫(kù)副壩溝昔格達(dá)地層上修建壩高29.5m的礫質(zhì)紅粘土心墻堆石壩的方案,從而免去了在中酸性混染巖地層上修建壩高60m面板堆石壩的方案,節(jié)約了大量資金,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。隨后,其在瓦都水庫(kù)、晃橋水庫(kù)都得以應(yīng)用,并取得顯著的效益。3壩底材料利用四川西部地區(qū)屬高烈度地震區(qū)。在西部地區(qū)進(jìn)行水利水電工程建設(shè),土石壩有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和前景。為保證工程安全,降低工程造價(jià),對(duì)該地區(qū)廣泛分布的洪積堆積物的研究和利用具有重要意義。大橋水庫(kù)利用洪積扇碎石土作為主壩面板堆石壩墊層料,成為面板壩工程建設(shè)首例;瓦都水庫(kù)利用洪積扇碎石土作為大壩下游壩殼填料。為開發(fā)利用天然資源,降低工程造價(jià)作出了貢獻(xiàn)。論文“筑壩工程利用洪積扇碎石土的研究”及“大橋水庫(kù)混凝土面板堆石壩墊層的設(shè)計(jì)與研究”分別發(fā)表在《’99中西部巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集》及《土石壩工程》2000年1期,對(duì)洪積扇碎石土特性研究及應(yīng)用作了介紹。4反濾過(guò)渡料的設(shè)計(jì)研究(1)傳統(tǒng)的反濾層和過(guò)渡層是分層設(shè)計(jì)的,我們把既對(duì)防滲體起反濾保護(hù),又對(duì)壩殼料起過(guò)渡雙重作用稱反濾過(guò)渡層。采用這種連續(xù)級(jí)配料可以做到降低工程造價(jià)和簡(jiǎn)化施工的效果。(2)反濾過(guò)渡料設(shè)計(jì)選擇的方法:①級(jí)配連續(xù)。無(wú)論人工破碎或天然砂卵石反濾過(guò)渡料都遵循連續(xù)級(jí)配的原則,保證充填關(guān)系;②運(yùn)用中國(guó)水科院劉杰的研究成果(國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目),針對(duì)防滲體的不同性質(zhì),控制并選擇與反濾過(guò)渡料相適應(yīng)的D20粒徑;③反濾過(guò)渡料最大粒徑的控制,一般多在80mm,如雙溪水庫(kù)人工破碎反濾過(guò)渡料、瓦都水庫(kù)天然砂卵石反濾過(guò)渡料控制最大粒徑為80~60mm;大橋水庫(kù)副壩碎石土心墻堆石壩,因心墻其礫質(zhì)紅粘土特性,天然砂卵石反濾過(guò)渡料最大粒徑為200mm,基本為全級(jí)配砂卵石,從而大大降低了造價(jià);④試驗(yàn)論證,通過(guò)反濾試驗(yàn),檢驗(yàn)反濾過(guò)渡料反濾保護(hù)及排水效果,控制其滲透系數(shù)在A×10-3~A×10-4cm/s量級(jí)范圍。(3)利用破碎帶石渣作反濾過(guò)渡料?；螛蛩畮?kù)堆石料場(chǎng)中有寬約45m的擠壓破碎帶,通過(guò)對(duì)破碎帶的全面研究,得出破碎帶石渣符合用作反濾過(guò)渡料質(zhì)量的技術(shù)要求,從而確定取代原設(shè)計(jì)采用之人工破碎反濾過(guò)渡料。破碎帶石渣單價(jià)約為人工破碎料的1/4,節(jié)省了資金。論文“利用擠壓破碎帶石渣作反濾過(guò)渡料的研究”在《土石壩工程》2000年第2期中對(duì)研究成果作了詳細(xì)介紹。5關(guān)于水庫(kù)地殼材料的研究(1)巖石強(qiáng)度及強(qiáng)度20世紀(jì)70年代中后期,我省土石壩壩殼用料已有較大的發(fā)展。目前,壩料巖性已涉及到砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r、白云巖、中酸性混染巖(花崗巖、閃長(zhǎng)巖、輝錄巖混染)、玄武巖、石英正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、纖枚巖、砂卵石等諸多品種,巖石強(qiáng)度涉及軟巖-硬巖不同等級(jí),研究范圍廣泛并在相應(yīng)工程中應(yīng)用,使土石壩建設(shè)獲得成功。(2)堆石壩表面振動(dòng)臺(tái)法確定無(wú)粘聚性粗粒料最大干密度的方法壩殼堆石料填筑干密度是土石壩設(shè)計(jì)和施工控制最重要的指標(biāo)之一,而研究無(wú)粘聚性壩殼料最大干密度的方法,求得科學(xué)合理的指標(biāo)則成為關(guān)鍵。自1990年起,對(duì)紫坪鋪、大橋等大型工程堆石料開始進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)法及表面振動(dòng)器法堆石最大干密度的比較研究。隨著各工程筑壩材料巖石及強(qiáng)度的不同,已形成表面振動(dòng)器法求最大干密度一套較完整的方法,論文“無(wú)粘聚性粗粒料最大干密度試驗(yàn)方法探討”已在《土石壩工程》中作了全面介紹。與此同時(shí),對(duì)壩殼料填筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面系統(tǒng)地研究,論文“試論碾壓堆石填筑標(biāo)準(zhǔn)”在《水利水電技術(shù)》2002年第11期上作了全面的論述。大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明,采用上述方法求得的最大干密度更接近實(shí)際,以此最大干密度值確定的設(shè)計(jì)干密度及相應(yīng)的填筑標(biāo)準(zhǔn),完全能達(dá)到指導(dǎo)施工,控制施工質(zhì)量的目的。6爆破試驗(yàn)及結(jié)果紫坪鋪面板堆石壩,壩高156m。自1990年起,開始了紫坪鋪大壩筑壩材料的試驗(yàn)研究,各設(shè)計(jì)階段經(jīng)歷了對(duì)尖尖山灰?guī)r、水西關(guān)砂巖及青城橋砂卵石料的研究。在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段,則進(jìn)一步對(duì)尖尖山料場(chǎng)作擴(kuò)大調(diào)查及復(fù)查,對(duì)灰?guī)r堆石、墊層及過(guò)渡料做了大量的試驗(yàn),確定了相應(yīng)的級(jí)配、控制干密度及其力學(xué)特性指標(biāo)。由于尖尖山系飛來(lái)峰,歷經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體裂隙發(fā)育,因而對(duì)該料是否可獲得堆石所需塊度存在疑慮。2000年,經(jīng)四川大學(xué)、水電五局及我院共同努力,通過(guò)爆破試驗(yàn),已成功取得爆破開采堆石料(最大粒徑800mm)、過(guò)渡料(最大粒徑400mm)的成果,爆破級(jí)配達(dá)到堆石、過(guò)渡料設(shè)計(jì)控制級(jí)配范圍。此外,本階段還對(duì)壩址覆蓋層砂卵石及壩基巖石開挖料利用以及青城大橋砂卵石料作了研究,為大壩填筑料作到了充分的技術(shù)準(zhǔn)備。2002年,水電十二局承建了大壩工程,并于2003年3月1日開始大壩填筑,2005年6月堆石填筑完成,2005年12月面板澆筑完成。截至2006年5月16日水庫(kù)水位達(dá)835.0m高程,大壩累計(jì)沉降最大值881mm,壩體沉降率0.56%,大壩運(yùn)行安全。7計(jì)的基本條件土石壩建設(shè)的發(fā)展,離不開筑壩材料的研究與開發(fā),而正確評(píng)價(jià)筑壩材料質(zhì)量是選擇工程建設(shè)安全、價(jià)格低廉的當(dāng)?shù)夭牧?作出優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本條件。我省通過(guò)30年的工程實(shí)踐,深刻體會(huì)到原天然建材“78規(guī)范”已不適應(yīng)土石壩設(shè)計(jì)水平發(fā)展的需要,而2000年新版〈天然建筑材料勘察規(guī)程〉的天然建筑材料質(zhì)量技術(shù)要求仍滯后于當(dāng)今土石壩設(shè)計(jì)與建設(shè)的發(fā)展。結(jié)合我省土石壩建設(shè)的實(shí)踐,論文“試論碾壓式土石壩筑壩材料勘察質(zhì)量評(píng)價(jià)”(《土石壩工程》2000年第2期)在這方面作了詳細(xì)的介紹,可供筑壩材料質(zhì)量評(píng)價(jià)參考。8加強(qiáng)建設(shè)國(guó)土石壩工程的建議(1)自上世紀(jì)70年代至今,四川省水利工程土石壩建設(shè)經(jīng)30余年歷程,我院通過(guò)升鐘水庫(kù)、大橋水庫(kù)、雙溪水庫(kù)、沉抗水庫(kù)及紫坪鋪水庫(kù)等大、中型水利工程土石壩建設(shè)發(fā)展,使四川省土石壩建設(shè)獨(dú)具特色,取得了良好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。(2)實(shí)踐證明,四川省水利工程土石壩建設(shè)的發(fā)展,與筑壩材料的深入研究密不可分。在工程設(shè)計(jì)中作好筑壩材料的調(diào)查與試驗(yàn)研究工作,是建設(shè)優(yōu)