山西省澤城西安水電站（二期）大壩墊層料壓縮及滲透試驗研究

2017-12-15 09:19:33賈寶萍

水利技術監督 2017年5期

賈寶萍

賈寶萍

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024）

堆石壩面板底部的墊層料壓實后要求具有內部滲透穩定性、低壓縮性，文中先根據墊層料設計級配，采用等量代替法求出試驗模擬級配，然后壓縮試驗采用飽和壓縮，滲透試驗采用常水頭法進行測定，滲透變形試驗采用逐級加壓進行試驗，通過試驗研究，為工程提供了可靠設計參數，同時為其它工程起到一些借鑒作用。

墊層料；級配；壓縮；滲透

1 工程概況

山西省澤城西安水電站（二期）工程位于左權縣境內的清漳河干流上，是一座以發電為主，兼顧防洪、養殖等綜合利用的水電樞紐工程，總庫容9610萬m3，樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、溢洪道、導流泄洪洞、電站及其輸水系統組成。混凝土面板堆石壩最大壩高61.6m，壩頂寬8m，長267m；溢洪道布置7孔，每孔凈寬為12m，總長264.24m；導流泄洪洞為有壓洞，洞徑8m，洞長564.42m。

2 試驗級配

墊層料設計級配詳見表1。

表1 墊層料設計級配表

由于試驗項目的儀器要求試樣最大粒徑為60mm，根據表1，墊層料的設計平均線和下包線有超粒徑存在；按照規范，對墊層料的設計平均線和下包線均采用等量代替法進行級配模擬。

等量代替法是根據儀器允許的最大粒徑以下和粒徑大于5mm的土粒，按比例等質量替換超粒徑。其計算公式為：

式中，Pi—替代后某粒組含量，%；Poi—原級配某粒組含量，%；P5—大于 5mm粒徑土的含量，%；Pdmax—超粒徑顆粒含量，%。

通過上述方法得到平均線和下包線的試驗模擬級配見表2。

表2 墊層料試驗模擬級配表

墊層料試驗項目的平均線及下包線試料按模擬級配分級配料進行，上包線試料按設計級配進行試驗。

3 相對密度試驗

相對密度用以表示粗顆粒土的緊密狀態，是指無粘性土處于最松狀態的孔隙比與天然狀態（或給定）孔隙比之差和最松狀態孔隙比與最緊狀態孔隙比之差的比值，該指標是粗顆粒土的重要指標。

試驗選擇的試樣筒直徑為38cm，高度為46cm；加重物的總壓力為14kPa，振動臺頻率為40～60Hz，振幅為0～±2mm。

為了求得墊層料的最大、最小孔隙比，對墊層料的比重采用虹吸筒法進行了測定，測定結果為2.70。

相對密度計算結果詳見表3。

表3 墊層料相對密度試驗結果表

相對密度試驗結果表明，墊層料上包線、平均線及下包線的最大干密度分別為 2.29g/cm3、2.34g/cm3、 2.34g/cm3，平均值為 2.32g/cm3，最小干密度分別為 1.96g/cm3、1.97g/cm3、1.96g/cm3，平均值為 1.96g/cm3；按提供的相對密度0.8計算，墊層料上包線、平均線及下包線制樣干密度分別為 2.21g/cm3、2.25g/cm3、2.25g/cm3，其對應的孔隙率分別為18.0%、16.5%、16.5%。

4 壓縮試驗

壓縮試驗是測定粗粒土的變形和壓力（或孔隙比與壓力）的關系，以便計算土的壓縮系數和壓縮模量。該參數是壩體應力應變分析的重要參數。

本次試驗選擇的儀器直徑為50.4cm，高度為45cm的浮環式固結儀，儀器尺寸滿足規范要求；試樣制樣控制密度依據設計要求的相對密度為0.8所對應的干密度進行控制，各試樣均采用擊實法進行制樣，試樣控制高度為30cm。試驗方法為飽和壓縮；試料的垂直壓力分別按 50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa分級施加，每級壓力下壓縮穩定標準為0.005mm/h。整理后的試驗結果見表4、表5。

表4 各級壓力下試樣變形穩定后的孔隙比

表5 各級壓力下的壓縮系數和壓縮模量

墊層料的上包線、平均線和下包線的 av1-2壓縮系數在 0.0261～0.0346MPa-1之間，平均值為0.0309MPa-1；依據規范，按av1-2的值進行壓縮性判斷，墊層料在相對密度為0.8情況下，其上包線、平均線和下包線試樣均為低壓縮性土料。

5 滲透試驗

滲透試驗是為了測定材料的滲透系數，為壩體滲流計算及滲流分析提供基本參數。

本次試驗儀器選用Φ=30cm的管涌儀。樣品制備按級配進行配料，墊層料按相對密度0.8對應的密度進行制樣密度控制，試樣采用分層擊實法分3層制樣，試樣總高度為30cm；試樣飽和采用水頭法進行，試驗用常水頭法進行測定，經測定，墊層料各包線的滲透系數值見表6。

從表6可以看到：墊層料上包線的滲透系數為5.544×10-4cm/s，平均線為9.642×10-5cm/s，下包線為2.753×10-3cm/s；從測定值來看，平均線滲透系數比上包線小，這是由于平均試料密度比上包線大，其5mm以下的含量占總量的42.5%，故其滲透系數較上包線小；墊層料各包線的平均滲透系數為1.135×10-3cm/s。

6 滲透變形試驗

粗粒土自身的滲透變形試驗也就是管涌試驗。其目的是測定反濾料在無保護條件下，自身的臨界坡降及破壞坡降，是判定滲流場中材料本身是否產生滲透破壞的依據。

本次管涌試驗儀器同樣選用選用Φ=30cm的管涌儀。樣品制備按級配進行配料，墊層料按相對密度0.8對應的密度進行制樣密度控制，試樣采用分層擊實法分2層制樣，試樣總高度為20cm；試樣采用水頭飽和法進行飽和，試驗用逐級加壓進行試驗，水流方向自下而上。在每級壓力穩定后測記三次流量，計算該級壓力下滲透流速和滲透坡降，該級測記完成后加下級壓力，重復上述過程，直至試樣破壞。根據不同壓力下的滲透坡降i與滲透流速v試驗結果，繪制i～v關系曲線，取開始出現管涌時的坡降與開始出現管涌前一級坡降的平均值為臨界坡降，取其破壞時的坡降與破壞點前一級坡降的平均值為破壞坡降。試驗結果見表6，i～v曲線見圖1。

表6 墊層料滲透系數及坡降

從試驗結果看，墊層料上包線、平均線及下包線的臨界坡降分別為0.64、0.49和0.25，臨界坡降平均值為0.46，破壞坡降分別為1.53、1.43和1.36，破壞坡降平均值為1.44。

圖1 墊層料管涌試驗Ⅰ～Ⅴ曲線

從試驗現象上來看，墊層料各包線的破壞形式均為管涌破壞。

7 結語

墊層料試驗在相對密度為0.8情況下，平均孔隙率為16.5%，滿足規范要求的孔隙率15%～20%；壓縮系數av1-2平均值為0.0309MPa-1，av1-2＜0.1MPa-1為低壓縮性土，滿足規范要求的墊層料應具有低壓縮性；滲透系數平均值為1.135×10-3cm/s，滿足規范要求。從滲透變形試驗分析，設計采用的破壞坡降應為臨界坡降，試驗結果的臨界坡降平均值為0.46，考慮安全系數后，允許滲透坡降為0.23，滿足墊層料應具有內部滲流穩定性的要求。

從試驗結果分析，墊層料的設計填筑相對密度可由0.85調整為0.8。

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