三峽圍堰水下拋填風(fēng)化砂的試驗(yàn)研究

三峽圍堰水下拋填風(fēng)化砂的試驗(yàn)研究

1設(shè)計(jì)、施工及安全可靠性研究三峽一期的洪水流量為1996年10月，大壩安全運(yùn)行三年后，該壩分為茅坪溪段、上游水平段、垂直段和下游水平段。軸線長(zhǎng)2502.36m，最大壩高42m，基底面積75萬(wàn)2m，設(shè)計(jì)為四級(jí)臨時(shí)建筑。圍堰采用了水下拋填風(fēng)化砂為主要填料,堰基保留原河漫灘部分淤砂、柔性材料作防滲心墻上接土工合成材料的方案。經(jīng)過(guò)3年運(yùn)行實(shí)踐證明,一期圍堰的設(shè)計(jì)、施工是成功的。三峽二期圍堰同一期圍堰有著許多類(lèi)似之處,但其難度較一期圍堰更大。為進(jìn)一步給二期圍堰的設(shè)計(jì)、施工和安全可靠性分析提供數(shù)據(jù),在一期圍堰拆除過(guò)程中,對(duì)一期圍堰水下拋填風(fēng)化砂、堰基淤砂和柔性材料防滲墻等進(jìn)行了實(shí)況調(diào)查和試驗(yàn)研究。這些成果不僅可為二期圍堰的設(shè)計(jì)、施工和安全可靠性分析提供數(shù)據(jù),同時(shí)也對(duì)其它類(lèi)似工程有一定的參考價(jià)值。圖1為三峽一、二期圍堰平面布置示意圖。2研究區(qū)為弘揚(yáng)風(fēng)化砂的材料、方法及試驗(yàn)成果一期圍堰堰體大量采用了當(dāng)?shù)夭牧巷L(fēng)化砂,其中ΔΔ70m以下為水下拋填,最大拋填深度20m。對(duì)這部分風(fēng)化砂的實(shí)況調(diào)查與試驗(yàn)研究,不僅可以驗(yàn)證大量室內(nèi)試驗(yàn)研究成果,同時(shí)也為二期圍堰深水拋填(60m)風(fēng)化砂提供有價(jià)值的參考資料。實(shí)況調(diào)查與試驗(yàn)研究選在0+672、0+697和0+702三個(gè)斷面的背水側(cè),著重對(duì)水下拋填風(fēng)化砂沿拋填深度顆粒級(jí)配、密度的變化及其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)況調(diào)查與試驗(yàn)研究。三個(gè)斷面均采用挖深槽(坑)的方法,沿深度方向,高程每下降50cm,取樣一組,均取至拋填風(fēng)化砂底部堰基淤砂為止,分別進(jìn)行密度、含水量和顆粒級(jí)配分析試驗(yàn),并取代表性試樣進(jìn)行固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)。2.1深度和風(fēng)化砂密度的關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)采用灌砂法共檢測(cè)密度21個(gè),檢測(cè)結(jié)果及其與圍堰施工初期鉆孔取樣檢測(cè)結(jié)果對(duì)比,從對(duì)比可以看出,三個(gè)斷面的干密度測(cè)值均隨深度增大,干密度減小,表面上看,這一結(jié)果似乎不符合土力學(xué)自重壓密原理。但是,如果考慮到水上施工機(jī)械荷載的影響,這一結(jié)果與土力學(xué)原理并不矛盾,說(shuō)明在4m水深中拋填風(fēng)化砂施工,水上施工機(jī)械荷載的作用可影響到水下已拋填的風(fēng)化砂,其影響力隨深度增大逐漸減弱。因而,風(fēng)化砂密度隨深度增大呈現(xiàn)減小。21個(gè)試樣的干密度為1.70～2.06g/cm3,平均1.87g/cm3,均大于1.70g/cm3的水下拋填風(fēng)化砂干密度設(shè)計(jì)值,與1993年圍堰施工初期,長(zhǎng)江科學(xué)院在0+665～0+710樁號(hào)鉆孔取樣檢測(cè)結(jié)果:干密度1.66～1.93g/cm3,平均1.81g/cm3相比,表明圍堰運(yùn)行3年后,經(jīng)堰體自重作用,水下拋填風(fēng)化砂得到了壓密,壓密后的平均干密度大于水上填筑風(fēng)化砂干密度的設(shè)計(jì)值1.85g/cm3。2.2顆粒級(jí)配分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè),在0+672背水側(cè)和0+697背水側(cè)的兩個(gè)取樣槽(坑),沿高程方向,共取試樣15個(gè),進(jìn)行了顆粒級(jí)配分析,兩個(gè)取樣槽(坑)上、中、下三個(gè)部位試樣的顆粒級(jí)配分析結(jié)果表明:風(fēng)化砂在4m水深中拋填,其上下級(jí)配變化不大,不存在粗細(xì)顆粒分離現(xiàn)象。證明采用端頭進(jìn)占,整體下滑的施工方法進(jìn)行風(fēng)化砂水下拋填,不會(huì)產(chǎn)生大的粗細(xì)顆粒分離。2.3固壁灌漿植入水下拋填風(fēng)化砂厚度一期圍堰防滲墻采用沖擊及沖擊反循環(huán)鉆機(jī)造孔,在造孔施工中,固壁泥漿在沖擊力的作用下,會(huì)不同程度浸入到槽孔壁材料中。對(duì)泥漿浸入延伸的調(diào)查與試驗(yàn)研究,可以進(jìn)一步了解水下拋填風(fēng)化砂的工程性質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拆除暴露情況,對(duì)多處斷面進(jìn)行了調(diào)查,外觀均未見(jiàn)到泥漿浸入風(fēng)化砂填料延伸的痕跡,但從0+665、ΔΔ68m迎水面和0+637、ΔΔ66m迎水面兩處距防滲墻水平距離1m范圍的取樣試驗(yàn)結(jié)果分析看,泥漿不同程度浸入到了水下拋填風(fēng)化砂中。泥漿浸入水下拋填風(fēng)化砂的檢測(cè)結(jié)果表明,相同高程距防滲墻水平距離1m范圍內(nèi)取樣測(cè)得的干密度和小于0.1mm顆粒含量,均高于距防滲墻1.6～3.0m處取樣結(jié)果,造成這種差異的原因有兩種可能,一種是料源風(fēng)化砂本身的差異所致,另一種則是泥漿浸入造成的。從0+672和0+697斷面兩個(gè)取樣槽(坑)15個(gè)試樣的顆粒級(jí)配分析結(jié)果看,風(fēng)化砂中小于0.1mm顆粒含量的最大值為12.3%,平均10.7%,這一結(jié)果與一期圍堰風(fēng)化砂料場(chǎng)顆粒級(jí)配曲線的包絡(luò)線范圍基本一致,從而可以排除料源發(fā)生大的變化的可能性。由此,可以認(rèn)為距防滲墻水平距離1m范圍內(nèi),風(fēng)化砂中小于0.1mm顆粒含量的增高是由于固壁泥漿被擠壓浸入造成的,小于0.1mm顆粒的浸入,充填了風(fēng)化砂中的部分孔隙,使得距防滲墻水平距離1m范圍內(nèi)的風(fēng)化砂干密度有所提高。這一試驗(yàn)結(jié)果表明,在防滲墻施工初期,水下拋填風(fēng)化砂是比較松散的,防滲墻造孔過(guò)程中,固壁泥漿的擠壓浸入,對(duì)風(fēng)化砂有一定的擠密作用,擠密的范圍約為防滲墻兩側(cè)1m左右,經(jīng)擠密的風(fēng)化砂干密度,底部平均可以達(dá)到1.94g/cm3,中部平均可以達(dá)到1.98g/cm3。3不同高程和參數(shù)下的淤砂干密度檢測(cè)結(jié)果葛洲壩水庫(kù)蓄水后,三峽壩址處淤積了大量淤砂,厚約2～18m。該淤砂在水下處于飽和狀態(tài),平均干密度1.40g/cm3,比重2.65～2.76,孔隙比0.9～1.09,平均相對(duì)密實(shí)度0.43,屬均勻細(xì)砂。一期圍堰施工時(shí),為減少開(kāi)挖量,爭(zhēng)取工期,保留了堰基大部分淤砂,只在圍堰兩側(cè)堰角采取挖除淤砂、回填石渣,設(shè)置反濾層和堆石壓重等措施,運(yùn)行實(shí)踐證明,這些措施是成功的。本次試驗(yàn)研究著重了解淤砂在上部自重作用下的壓密情況。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拆除,在0+672樁號(hào)背水側(cè)距防滲墻水平距離4m處,開(kāi)挖取樣槽,取樣槽頂高程66m(拋填風(fēng)化砂與淤砂界面),底部高程56.1m(淤砂層底部與河床沉渣界面),在不同高程上檢測(cè)密度試樣12個(gè),同時(shí)取代表性試樣進(jìn)行室內(nèi)比重、顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)。密度檢測(cè)結(jié)果及其與施工前期檢測(cè)結(jié)果對(duì)比,見(jiàn)表1。圍堰運(yùn)行三年后淤砂干密度及其與施工前期檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表1從表1可以看出,圍堰運(yùn)行3年后,在上部自重作用下,淤砂的平均干密度由施工前期的1.40g/cm3,提高到1.50g/cm3(相對(duì)密實(shí)度0.73),達(dá)到密實(shí)狀態(tài)。經(jīng)自重壓密的淤砂干密度沿深度方向,表現(xiàn)為上、下部高于中部,這主要是由于位于沉渣持力層上的底部淤砂在上部自重作用下得到壓密,而上部淤砂則受拋填風(fēng)化砂動(dòng)載和水上填筑施工機(jī)械荷載的作用得到壓密,去除拋填風(fēng)化砂動(dòng)載和水上填筑施工機(jī)械的作用,這一結(jié)果符合土力學(xué)自重壓密原理。為了解圍堰施工期堰基淤砂的密度,在0+622迎水面、?65m處,進(jìn)行了防滲墻造孔固壁泥漿擠壓浸入淤砂延伸的取樣調(diào)查研究,其調(diào)查研究的試驗(yàn)方法與風(fēng)化砂中浸入泥漿的調(diào)查方法相同。研究結(jié)果表明,造孔固壁泥漿浸入淤砂的距離小于50cm,如果去除防滲墻造孔過(guò)程中,沖擊鉆頭對(duì)槽孔壁淤砂的擾動(dòng)影響,這一浸伸距離并不大,說(shuō)明堰基淤砂經(jīng)上部自重作用,在防滲墻施工期就已基本達(dá)到密實(shí)狀態(tài),這從淤砂代表性試樣的排水固結(jié)ΔV～t√V～t曲線也可以看出,80mm高的試樣固結(jié)在2小時(shí)內(nèi)就可以完成,而90%的排水量是在5分鐘以?xún)?nèi)完成的(見(jiàn)圖2),這進(jìn)一步驗(yàn)證了保留堰基淤砂層不會(huì)產(chǎn)生淤砂震動(dòng)液化的結(jié)論。4材料的復(fù)合為適應(yīng)堰基淤砂及水下拋填風(fēng)化砂的變形要求,又便于圍堰運(yùn)行后的拆除,一期圍堰防滲墻采用了以風(fēng)化砂內(nèi)骨料、加入粘土、水泥、水和化學(xué)添加劑復(fù)合而成的柔性材料。這種材料具有一定強(qiáng)度,彈模小,防滲性能好等優(yōu)點(diǎn)。在圍堰拆除過(guò)程中,對(duì)防滲墻的實(shí)際成墻厚度、槽段連接以及三年后防滲墻的實(shí)際力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)況調(diào)查和試驗(yàn)研究。4.1槽段連接調(diào)查結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拆除暴露情況,在0+450～0+702樁號(hào),對(duì)不同高程的15處防滲墻斷面進(jìn)行了實(shí)際成墻厚度測(cè)量,測(cè)量結(jié)果,厚度80～110cm,平均88cm,滿(mǎn)足墻厚80cm的設(shè)計(jì)要求。一期圍堰防滲墻采用分槽段澆筑,槽段之間采用套接形式形成連續(xù)墻。槽段連接的調(diào)查,由于受現(xiàn)場(chǎng)拆除暴露部位的局限,僅在0+460和0+630兩樁號(hào)處進(jìn)行了調(diào)查。兩處接頭均可見(jiàn)明顯的接縫,其中0+630樁號(hào)處接頭,接縫中央有泥皮、巖屑。這種接縫在高水頭作用下(一期圍堰最大擋水水頭25.6m,二期圍堰為85m),將可能成為滲流通道。因此,二期圍堰防滲墻槽段接頭應(yīng)采用更加安全可靠的接頭形式。4.2防滲墻柔性材料干密度從現(xiàn)場(chǎng)多處拆除暴露的斷面和加工后試樣的表面看,柔性材料中不同程度混有未攪拌開(kāi)的風(fēng)化砂團(tuán)塊和超徑風(fēng)化巖塊,使得防滲墻柔性材料個(gè)別地方不夠均勻,從0+622樁號(hào)ΔΔ60、ΔΔ65、ΔΔ68m處試樣干密度為1.691.75、1.84g/cm3的測(cè)試結(jié)果可以看出,其干密度相差較大。因此,二期圍堰施工中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制,進(jìn)一步提高防滲墻的施工質(zhì)量。4.3室內(nèi)加工設(shè)計(jì)指標(biāo)測(cè)定防滲墻柔性材料力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),采取現(xiàn)場(chǎng)取大樣室內(nèi)加工的方法,分別測(cè)定了3年齡的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、初始切線模量和滲透系數(shù),除初始切線模量稍大,其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5防滲墻施工密度通過(guò)對(duì)一期圍堰運(yùn)行3年后的工程實(shí)況調(diào)查與試驗(yàn)研究表明:(1)采用端頭進(jìn)占、整體下滑的風(fēng)化砂水下拋填施工方法,不會(huì)產(chǎn)生大的顆粒級(jí)配分離現(xiàn)象。(2)水下拋填風(fēng)化砂在上部自重作用下可得到壓密,壓密后的風(fēng)化砂干密度平均值可達(dá)到1.87g/cm3,大于水上填筑風(fēng)化砂干密度設(shè)計(jì)值1.85g/cm3。(3)水下拋填風(fēng)化砂在施工初期,密度較低,防滲墻造孔過(guò)程中,固壁泥漿受擠壓可浸入到風(fēng)化砂中,浸入延伸距離約在1m左右。泥漿的浸入對(duì)風(fēng)化砂有擠密作用,擠密后的風(fēng)化砂密度有較大提高,底部平均可以達(dá)到1.94g/cm3,中部平均可達(dá)到1.98g/cm3。(4)堰基淤砂在自重作用下壓密變化符合土力學(xué)原理,壓密后的平均干密度為1.50