五彩灣冬季調(diào)蓄水庫應(yīng)用膨脹性泥巖的壩料設(shè)計(jì)

楊輝琴

（新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆烏魯木齊830000）

五彩灣冬季調(diào)蓄水庫應(yīng)用膨脹性泥巖的壩料設(shè)計(jì)

楊輝琴

（新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆烏魯木齊830000）

新疆準(zhǔn)東五彩灣地區(qū)分布巨厚的白堊系泥巖，具有遇水膨脹失水干縮等特性，對(duì)建筑物基礎(chǔ)處理、管線回填及筑壩材料的選用都具有一定的制約性。準(zhǔn)東供水工程180萬m3調(diào)節(jié)池和5000萬m3冬季調(diào)蓄水庫，都采用了這種膨脹性泥巖作為筑壩材料，大大節(jié)省了工程投資、節(jié)約了工期。由于前期對(duì)壩料進(jìn)行了詳細(xì)勘察及設(shè)計(jì)，同時(shí)也采取必要的防護(hù)措施，工程目前運(yùn)行情況良好，可為今后該區(qū)域類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

調(diào)蓄水庫；膨脹性泥巖；壩料設(shè)計(jì)

泥巖在全國(guó)范圍內(nèi)分布廣泛，如南水北調(diào)中線段就穿越泥巖段335.8 km。由于人們對(duì)泥巖的性質(zhì)缺乏足夠認(rèn)識(shí)，在許多水利工程建設(shè)中，沒有得到充分有效的利用，甚至當(dāng)成工程中有害巖體及不良填筑材料，造成工程投資的增加和浪費(fèi)，而且對(duì)于泥巖這種特殊巖土的使用，目前還沒有合適的規(guī)范依據(jù)，且缺乏相應(yīng)的工程實(shí)例作為參考。準(zhǔn)東供水工程受水區(qū)分布著大范圍的白堊系泥巖地層，該區(qū)域2座事故備用水池和1座冬季調(diào)蓄水庫（5000萬m3）的壩體填筑土料均采用了具有膨脹性的泥巖，如此大規(guī)模的使用在國(guó)內(nèi)尚屬首次。從建設(shè)后壩體沉降和邊坡變形分析均沒有太大的變化，運(yùn)行情況運(yùn)行良好。本文重點(diǎn)介紹了工程區(qū)膨脹性泥巖物理力學(xué)性質(zhì)和壩體土料的選擇、設(shè)計(jì)及壩體防護(hù)措施，可對(duì)今后類似地區(qū)的工程建設(shè)具有借鑒意義。

1 工程概況

五彩灣冬季調(diào)蓄水庫總庫容5000萬m3，屬中型Ⅲ等工程，大壩采用均質(zhì)土壩，四面圍筑而成，壩體總長(zhǎng)6570.796 m，最大壩高24 m，壩頂寬6 m，強(qiáng)風(fēng)化泥巖填筑上游壩坡1∶2.5，庫盤覆蓋層開挖料蓋重邊坡1∶3.0，強(qiáng)風(fēng)化泥巖填筑下游壩坡1∶1.75，下游棄料邊坡1∶3.0，總填筑量為1297萬m3。

庫區(qū)廣泛分布巨厚的白堊系泥巖，僅表層有較薄的洪積土層，最厚處3.5 m，最薄處0.8 m，為第四系全新統(tǒng)洪積粉土質(zhì)砂、低液限粘土質(zhì)砂，局部夾低液限粘土和砂透鏡體；庫區(qū)深度3.5 m以下為白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖，局部夾有礫巖透鏡體，強(qiáng)風(fēng)化層厚2.0 m~2.5 m，弱風(fēng)化層厚度10 m~15 m。泥巖在整個(gè)庫區(qū)均有分布；砂巖、砂礫巖主要分布在庫區(qū)南側(cè)，向東、南、西延伸穿過壩基，據(jù)庫址附近3 km處鉆孔資料顯示，勘探鉆孔600 m未穿透該區(qū)域泥巖層。

設(shè)計(jì)階段結(jié)合土料選擇，工程造價(jià)分析，擯棄了運(yùn)距在100 km以外砂礫石筑壩方案及運(yùn)距在70 km以外粘土心墻壩方案，最終推薦采用庫內(nèi)豐富的泥巖筑壩。

2 壩體土料設(shè)計(jì)

2.1 填筑土料場(chǎng)及質(zhì)量分析

主要開采料場(chǎng)T1位于庫區(qū)內(nèi)，交通運(yùn)輸條件較好，土層巖性主要為低液限粉土質(zhì)砂、含礫低液限粘土質(zhì)砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、含礫強(qiáng)風(fēng)化泥巖，局部為砂巖透鏡體及膠結(jié)較堅(jiān)硬的含礫泥巖。根據(jù)壩體分區(qū)設(shè)計(jì)，庫區(qū)低液限粉土質(zhì)砂可作為壩體上游蓋重上壩，強(qiáng)風(fēng)化泥巖和含礫強(qiáng)風(fēng)化泥巖作為壩體填筑料全部上壩，含礫低液限粘土質(zhì)砂則作為棄料置于壩后。各類土料特性表詳見表1。

2.2 填筑土料設(shè)計(jì)

根據(jù)土料特性，強(qiáng)風(fēng)化泥巖和含礫強(qiáng)風(fēng)化泥巖的滲透系數(shù)k20分別為2.66×10-7cm/s和4.3×10-6cm/s，完全滿足均質(zhì)壩對(duì)防滲土料的要求，水溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量均低于規(guī)范要求，塑限指數(shù)和液限也滿足規(guī)范要求。唯一不符合規(guī)范要求的是泥巖土料具有遇水膨脹和失水干縮問題，根據(jù)地勘資料，強(qiáng)風(fēng)化泥巖自由膨脹率δef＝49%，含礫強(qiáng)風(fēng)化泥巖自由膨脹率δef＝53.2%，為弱膨脹潛勢(shì)土料。結(jié)合五彩灣已建類似小（1）型工程經(jīng)驗(yàn)，提出如下設(shè)計(jì)的要求：

表1 T1料場(chǎng)土料特性表

（1）土料含水量設(shè)計(jì)

膨脹土的脹縮特性除了受土體自身的粘土礦物成分及含量控制外，土體的基質(zhì)吸力及濕度的變化也是重要因素，土體中含水量（ω）變化是膨脹土產(chǎn)生膨脹與收縮、強(qiáng)度變化等重要特性的基礎(chǔ)，也是影響建筑物邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。當(dāng)膨脹土處于干燥狀態(tài)時(shí)，具有高的膨脹潛勢(shì)，反之則低。現(xiàn)行土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：含礫和不含礫粘土的填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，施工填筑含水率應(yīng)根據(jù)土料性質(zhì)、填筑部位、氣候條件和施工機(jī)具等情況，控制在最優(yōu)含水率的-2%~+3%偏差范圍內(nèi)。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于膨脹土填筑土料含水量的控制有四種認(rèn)識(shí)，一是設(shè)計(jì)填筑土料含水量與塑限相近，其差值在2%左右，并按適用擊實(shí)功能求得相應(yīng)的最大干密度，按土體部位的深淺，即荷載的大小，在93%~95%范圍內(nèi)取值；二是在比最優(yōu)含水量高2%~4%的情況下壓實(shí)到不小于95%的壓實(shí)度，這時(shí)壓實(shí)土具有比較高的初期強(qiáng)度和長(zhǎng)期強(qiáng)度，并且浸水后的膨脹量、膨脹力以及強(qiáng)度衰減都比較小；三是在最優(yōu)含水量下壓實(shí)到最大干密度，此標(biāo)準(zhǔn)控制的壓實(shí)土在膨脹前后都具有較高的強(qiáng)度，較低的膨脹和收縮，以及較低的壓縮性和較高的抗剪強(qiáng)度；四是填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高含水量低密度，以這種標(biāo)準(zhǔn)控制的填土，其膨脹量小，強(qiáng)度衰減也少，但初期強(qiáng)度較低，收縮變形較大。

本工程強(qiáng)風(fēng)化泥巖土料有兩種，不含礫泥巖的最優(yōu)含水量與塑限較為接近，其差值在2%左右；但含礫泥巖的最優(yōu)含水量與塑限差值在8.4%以上。因此，設(shè)計(jì)最優(yōu)含水量根據(jù)土料特性，偏濕條件下性能比較穩(wěn)定，選取含礫和不含礫填筑土料的含水量最優(yōu)含水率+2%來控制，其對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.66 g/cm3和1.65 g/cm3。

（2）壓實(shí)度

本工程壩體建筑物等級(jí)為3級(jí)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，土料壓實(shí)度應(yīng)為96%~98%，考慮土體高含水低重度下膨脹量較低的特點(diǎn)，將土料的壓實(shí)度控制在96%。

（3）邊坡

根據(jù)南水北調(diào)工程經(jīng)驗(yàn)，膨脹土邊坡設(shè)計(jì)若不考慮軟弱結(jié)構(gòu)面，而采用均質(zhì)土體的穩(wěn)定計(jì)算是無法合理地確定渠道邊坡。如南陽刁南灌區(qū)已建成渠道172 km，中膨脹土渠坡一般小于10 m，設(shè)計(jì)坡度均為1∶2，渠坡未做處理，現(xiàn)已發(fā)生滑坡61處，過流能力減小，對(duì)灌區(qū)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，并危及工程安全。南水北調(diào)工程對(duì)坡比、土料種類及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行了理論分析，詳見表2。

表2 不同膨脹性土料邊坡穩(wěn)定理論分析成果表

本工程填筑土料為弱膨脹土，同時(shí)還對(duì)壩體進(jìn)行措施處理，因此，上游邊坡取1∶1.5,下游邊坡取1∶1.5，通過采用畢肖甫法對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算，在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、施工期、水庫水位快速下降三種工況下，安全系數(shù)分別為3.29、2.15、1.36，均滿足規(guī)范允許值。

3 壩體防護(hù)設(shè)計(jì)

膨脹土的抗剪強(qiáng)度較一般的粘性土低，對(duì)于均質(zhì)土壩來說，表層易產(chǎn)生干縮裂縫和淺層滑動(dòng)，盡管目前未見采用膨脹土筑壩產(chǎn)生失穩(wěn)的案例，但出于對(duì)運(yùn)行安全要求，對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖填筑壩體進(jìn)行防護(hù)處理是必要的。

（1）用非膨脹土包蓋膨脹土壩體。膨脹土均質(zhì)壩的表層由于所受自重壓力很小，遇水后膨脹量大，強(qiáng)度低，因而有產(chǎn)生滑動(dòng)可能。在其上設(shè)一層非膨脹具有高強(qiáng)度的土體蓋重，可抵消表層遇水產(chǎn)生的膨脹。蓋重材料分為兩部分，上游壩坡和壩頂采用庫區(qū)開挖的低液限粉土質(zhì)砂和含礫低液限粘土質(zhì)砂，壩頂包蓋垂直厚度為2 m，上游最外層邊坡達(dá)到1∶3，泥巖填筑頂高程處的蓋重水平厚度達(dá)到7.5 m左右，壩基的蓋重范圍達(dá)到了38 m；為減小棄渣場(chǎng)面積，下游蓋重全部采用庫區(qū)清廢料及少量弱風(fēng)化泥巖，棄渣頂寬度18 m與壩頂?shù)雀撸尚瓦吰?∶3。

（2）采取排水措施。為防止壩體表面混凝土護(hù)坡板凍脹破壞并保護(hù)壩坡蓋重護(hù)坡料不被水帶出，在壩體混凝土護(hù)坡板后設(shè)置墊層，墊層料采用滿足反濾關(guān)系的砂礫石料，并在混凝土面板上設(shè)排水孔，使層間積水能迅速排出。此外，在下游坡腳處設(shè)反濾排水料，降低浸潤(rùn)線高度。

4 結(jié)語

新疆準(zhǔn)噶爾盆地受地質(zhì)構(gòu)造影響，分布廣泛的白堊系地層，泥巖地層的穿越、材料的使用成為各項(xiàng)工程中避免不了的問題，五彩灣冬季調(diào)蓄水庫采用當(dāng)?shù)夭牧蠌?qiáng)風(fēng)化泥巖筑壩，對(duì)不良地質(zhì)材料的使用做出了有益的嘗試。今后還可對(duì)運(yùn)行后的壩體進(jìn)行物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，特別是對(duì)其脹縮性、滲透性、崩解性、壓縮性及抗剪強(qiáng)度變化進(jìn)行理論研究和對(duì)比總結(jié)，使泥巖的使用能更規(guī)范、更安全。

TV41

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1673-9000（2017）03-0142-03

2017-03-10

楊輝琴（1969-），女，新疆烏魯木齊人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目前期評(píng)審工作。