利用软岩构筑面板堆石坝应重视的几个问题

王占军,陈生水,2,傅中志,2

(1.南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏南京 210029; 2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏南京 210029)

利用软岩构筑面板堆石坝应重视的几个问题

王占军1,陈生水1,2,傅中志1,2

(1.南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏南京 210029; 2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏南京 210029)

针对利用软岩料构筑面板堆石坝存在的特殊性问题,根据已有工程的现场和室内试验结果,分析软岩料的级配及强度变形、渗透、流变等工程力学特性,并提出利用软岩料构筑面板堆石坝时应注意几个问题:应以软岩料的现场碾压和渗透试验结果作为设计依据,需高度重视大坝的变形和稳定控制,加强坝体排水设计,高度重视大坝长期强度变形特性对其安全性的影响,在浇筑混凝土面板前应留足坝体预沉降时间,并采取措施防止软岩料进一步风化和遇水崩解。

面板堆石坝;软岩料;级配;工程力学特性

地球表面的岩石有50%以上是软岩[1],为保护生态环境,节省工程投资,越来越多的面板堆石坝将使用软岩料。软岩通常是指单轴饱和抗压强度小于30MPa的岩石[2],代表性岩石有泥岩、页岩、泥质砂岩和千枚岩等。与硬岩相比,软岩具有风化强烈、含泥量高、抗压强度低和软化系数小等特点。利用软岩料构筑面板堆石坝,因其特殊的工程力学特性,坝体的应力变形、渗透规律、坝体分区和坝料填筑要求等均与硬岩面板堆石坝存在明显不同[1,3]。天生桥一级面板坝产生面板裂缝的原因之一是下游软岩堆石体变形大,导致上游主堆石区向下游位移过大,从而造成面板脱空[4];大坳坝施工期和蓄水期最大沉降分别占坝高的1.01%和1.23%[5],董箐坝施工期最大沉降占坝高的1.19%[6],沉降变形均偏大。其中,大坳坝还曾因软岩填筑坝面积水严重[7],被迫停工,若改换料场,不仅增加工程投资,工期也将延长一年。因此利用软岩料作面板坝堆石料,应高度重视软岩料工程力学特性研究和筑坝技术创新。

国外利用软岩料构筑面板堆石坝起步较早,如1967年美国建成的卡宾溪坝和1968年澳大利亚建成的袋鼠溪坝[8]。我国利用软岩料构筑面板堆石坝起步较晚,但发展很快[9-11]。迄今为止,软岩面板堆石坝的设计和施工仍以经验为主,建成的数量也不多[12-13],国内外对利用软岩料构筑面板坝的相关理论和技术研究较少,尚不适应软岩面板堆石坝工程的快速发展。随着高面板堆石坝的建设和对生态环境更高的要求,软岩料的使用范围和利用量将加大,该类坝的安全也越来越受到重视。本文基于对软岩料的级配、强度变形、渗透、流变等工程力学特性的总结分析,对利用软岩料构筑面板堆石坝应重视的几个问题提出了相应的建议。

表1 软岩面板堆石坝工程实例

1 国内外软岩面板堆石坝的发展

本文收集了国内外17座典型的软岩料构筑的面板堆石坝工程资料[9-11,14],见表1。从表1可看出,美国是最早(1967年)利用软岩料构筑高面板坝的国家,澳大利亚是最早(1968年)坝主体利用软岩料构筑面板坝的国家;我国是利用软岩料构筑面板堆石坝最多的国家;大部分坝将软岩料的使用范围限定在坝轴线下游干燥区,且坝高可以达到200 m级,但对于200 m级高面板堆石坝应慎重使用软岩料[14];有5座面板坝坝主体使用软岩料,坝主体使用软岩料最大坝高为150 m的董箐面板坝,其采用软硬相间的砂泥岩(泥岩占30%)筑坝,上、下游坝坡适当放缓,已良好运行了3 a。

2 软岩料的级配特性

软岩料压实前后的级配相差很大,碾压后颗粒破碎明显,如水布垭两种级配的风化砂页岩料击实后细颗粒(粒径小于5 mm)质量分数分别由11.7%和2%增加到34.9%和23.1%[15],贝雷坝软岩料最大粒径由开挖时的813 mm变为碾压后的229 mm,细颗粒(粒径小于5 mm)质量分数增加约45%[16]。大坳和鱼跳两座面板堆石坝软岩料的干湿循环试验结果表明,岩块崩解程度、细颗粒含量与干湿循环次数成正比[15]。董箐坝的泥岩料在自然条件下干湿循环(露天阳光和雨水交替作用)后岩体也发生崩解,崩解后呈颗粒状,级配变化明显[17]。由于现代面板堆石坝的软岩料均先洒水后用重型碾压机械压实,颗粒破碎细化现象相当明显,且软岩料的级配对其强度和变形特性具有重要影响,因此建议筑坝前对软岩料进行现场碾压试验,并以压实后软岩料的实测级配曲线以及该级配下软岩料的试验结果为准,由试验成果及相关工程经验取用合适的设计和计算指标。

3 软岩料的强度变形特性

软岩料的压实密度受含水率影响[1,15,17],存在最优含水率和最大干密度。虽然软岩压实后具有较大的干密度,但软岩料的强度低于硬岩料,大坳、鱼跳和盘石头等坝的试验结果表明,软岩料的抗剪强度指标内摩擦角值较硬岩低8°以上[15]。因此,利用软岩筑坝时宜适当放缓坝坡。如董箐坝[10]上游坝坡1∶1.4,下游坝坡设3层坝后公路,综合坝坡1∶1.5。此外,软岩的强度受环境变化影响明显,经日晒雨淋后,强度衰减很快,故开采后应尽快上坝碾压,尽可能做到边开挖边上坝及早封闭,以保持岩块新鲜,确保软岩料物理力学性质改变较小。

表2中列出了几座软岩面板堆石坝的压实参数和压缩模量[1,10,15,17]。从表2可以看出,绝大多数软岩料具有低压缩性,少数软岩料表现为中等压缩性。室内压缩试验结果[15,17]表明,软岩的压缩模量受含水量的影响明显,如盘石头坝风化页岩干料的压缩模量为41.7～142.1MPa,而饱和后压缩模量降低为13.8～40.1MPa,仅为干料的1/3左右,饱和状态软岩料的压缩性高于非饱和状态。表3列出了若干座软岩与硬岩面板堆石坝的实测沉降量[5,9-10,18-20]。从表3中可以看出,软岩面板堆石坝的实测沉降率(沉降与坝高之比)都在1%以上,明显高于硬岩面板堆石坝的沉降率,这显然是软岩料具有高压缩性的必然结果。因此,利用软岩料筑坝时应适当提高压实标准,如减小铺层厚度、提高碾压机械吨位和碾压遍数等。如董箐坝的主堆石碾压层厚80 cm,采用25 t振动碾碾压10遍,实测孔隙率达到19.41%,对减少后期坝体流变、确保三期面板工期起了很好的作用,坝体已良好运行了3 a;盘石头面板坝页岩次堆石料铺层厚度60 cm,18 t拖式振动碾压实,实测孔隙率为18.2%。

表2 软岩料压实参数和压缩模量

表3 软岩和硬岩面板堆石坝实测最大沉降比较

4 软岩料的渗透特性

软岩料碾压过程中颗粒破碎明显,压实后渗透系数较小[1,15]。如鱼跳坝软岩料压实后渗透系数为10-5cm/s量级,袋鼠溪坝软岩料压实后渗透系数更小,为10-7cm/s量级,属相对不透水。此外,分层碾压的软岩料渗透系数呈现明显的各向异性,垂直渗透系数远小于水平渗透系数[15](表4),这是因为各碾压层上部软岩料的颗粒破碎严重,细粒含量增加较为明显,细粒充填粗颗粒间的孔隙,形成板结层。大坳、鱼跳和茄子山3个大坝现场碾压施工时都曾出现坝面积水现象[9]。从表4还可看出,软岩料现场试验测得的渗透系数小于室内试验值,特别是垂直方向渗透系数,两者差异更为显著,达到两个数量级。因此,对于软岩料的渗透系数值,建议由现场碾压试验确定,并以此作为设计依据。

需要指出的是,软岩料压实后具有较小的渗透系数,特别是其明显的各向异性对大坝运行期的安全将产生不利的影响。因此,对于软岩面板堆石坝必须高度重视坝体内部排水设计,建议在坝体内设置“L”型排水(坝体底部铺设透水性较好的堆石料与过渡层相联接),以保证大坝一旦漏水后能迅速降低坝体内浸润面,确保大坝安全。

表4 软岩料室内与现场渗透试验结果

5 软岩料的流变特性

软岩料易受干湿循环、温度循环等环境因素的影响,流变特性十分明显。大坳坝在蓄水期(2000年4月至2001年3月)水库水位下降约16 m情况下,坝体沉降仍增大约 5 cm,水平位移增大约10 cm[5]。持续增加的坝体流变变形易造成面板顶部脱空,应力状态恶化,使周边缝剪切位移和沉陷增加,影响大坝的长期安全性。天生桥坝面板脱空及产生大量裂缝的一个很重要原因就是坝料的流变[4]。因此,利用软岩构筑面板坝有两点需特别注意:①应控制好预沉降时间,董菁坝竣工期沉降率达到1.19%,但每一期面板施工前都预留了数月的预沉降时间,大坝运行后面板未出现拉压破损;②应防止软岩料进一步风化崩解,如只在下游水位以上部位使用软岩,或对下游水位以下使用的软岩及时封闭以保持其相对新鲜状态,下游坝坡设置一定厚度的硬岩保护层并加强坝坡排水等。

6 结 论

a.软岩料压实后易破碎,遇水崩解,级配变化明显。因此,利用软岩料筑坝前,应进行现场碾压试验,并以压实后软岩料的实测级配曲线以及该级配下软岩料的试验结果作为设计和计算分析依据。

b.软岩料经碾压后压实度可以满足筑坝要求,但与硬岩料相比,其抗剪强度低,压缩模量小,坝体变形大,需高度重视大坝的变形和稳定控制。对于软岩面板堆石坝,建议尽可能提高碾压标准并适当放缓坝坡。

c.软岩料压实后颗粒破碎明显,渗透系数较小,特别是铺层上部颗粒破碎更为明显,易形成板结层,垂直渗透系数远小于水平渗透系数,不利于大坝运行期安全。建议加强坝体排水设计,避免大坝发生渗透破坏。

d.软岩料具有明显的流变性,导致坝体竣工后持续产生后期变形,对坝体和防渗系统长期应力变形特性将产生不利的影响。利用软岩料构筑面板堆石坝,建议在浇筑混凝土面板前,应留足坝体预沉降时间,并采取措施防止软岩料进一步风化和遇水崩解。

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Some important aspects of construction of concrete-faced rock-fill dam with soft rocks//

WANG Zhanjun1,CHEN Shenshui1,2,FU Zhongzhi1,2
(1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.Key Laboratory of Earth-Rock Dam Failure Mechanism and Safety Control Techniques,Ministry of Water Resources,Nanjing 210029,China)

Concrete-faced rock-fill dams(CFRDs)compared with hard rocks the CFRDs with soft rocks have the particularity because of its engineering mechanics properties.According to the field and laboratory experiments of several projects,the particle gradation and the engineering mechanics properties of strength and deformation,the permeability and the creep for soft rock materials were analyzed.Several problems of construction CFRDs with soft rocks were pointed out such as:the dam design should be based on field compaction and permeability experimentation of soft rock materials; special attention should be given to the dam deformation and stabilization control;the drainage of dam body should be reinforced;special attention needs paying to the effect of long-term strength and deformation on dam safety;the appropriate time of dam pre-settlement should be left before constructing concrete face slab;and required controls should also be conducted to prevent the further weathering and water-destruction of soft rocks.

CFRD;soft rock materials;particle gradation;engineering mechanics properties

TV641.1

:A

:1006-7647(2014)04-0066-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.014

2013-0527 编辑:周红梅)

国家自然科学基金(51379130,51209141,91215301)

王占军(1986—),男,河南许昌人,博士研究生,主要从事土石坝工程研究。E-mail:nhriwzj@126.com