混凝土面板堆石坝垫层料的设计准则.pdf
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1、设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 2期 混凝土面板堆石坝垫层料的设计准则 凤 炜 高 强 李晓庆 ( 新疆农业大学水利与土木工程学院 新疆乌鲁木齐8 3 0 0 5 2 ) 【 摘 要 】 垫层区在面板坝 中占有重要地位,它对大坝 的安全有直接的影响,由于大多数垫层料是人工 制备料,其价格较高 ,经济投入大,因此备受人们的关注。在砂砾石面板坝 中,渗流控制是设计 的关键 问 题之一,垫层的作用更显突出。本文结合一些工程实践对垫层料的渗透及渗透稳定性进行 了研究,结合实 验研究明确的提出了垫层料设计的基本要求。 【 关键词 】 垫层 垫层设计 渗流 混凝土面板堆石坝 【 D O I
2、编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 0 2 0 1 8 【 中图分类 号】T V 6 4 0 3 9 【 文献标识码 】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 5 5 0 5 1 垫层设计 的演变 由于设计者 的实践经验不 同,对 垫层 区的作 用及材 料的具体要求不 同,也就产生 了不 同的设 计 思想 , 其演变过程大体上可 以划分为 4个 阶段 。 1 1 第 1阶段 这 一阶段垫层料均采 用强透水 的粗颗 粒 ,最 大粒径 D 。 为 2 0 0 - 3 0 0 mm,
3、并剔除小于 2 5 mm 的骨料 。其 目的在 于确 保颗粒 间紧密接 触形成稳 定的骨架 , 避免当面板或接缝产生渗漏时,细颗 粒将被渗 流冲蚀 ,进入大孔 隙的堆石体 中,产生 内部管涌,从而在面板下形成一个局部架空区, 并进一步 引起 渗漏 的加大 。 1 2 第 2阶段 开始采用级配 垫层 。不剔 除细料 的主 要原因 有 :( 1 )当混凝 土面板和接缝漏 水时 ,垫层将起 到半透 水作用 ;( 2 )筛除细料 的垫层料加工 费用 昂贵 ;( 3 )含有细料 的垫层料容 易整理成要求 的 外形, 使浇筑 的面板厚度均匀, 避免混凝土超填。 这一 时期允许细料 的存 在 ,改善面板 的
4、受力 条件,同时开始提出半透水性要求。 1 3 第 3阶段 采用半透水级配垫层。在运行期面板和接缝 漏水时,由于垫层料的渗透系数较小,可以限制 进入坝体的渗透流量。垫层对粉质砂土能起反滤 作用,以达到堵漏 目的。基于上述思想,谢腊德 和国际大坝委员会提出了对垫层料的期望颗粒级 配组成 ,详见表 1 。并逐步完善 了对垫层料 的性 能要求 。8 0年代 以来所建各坝 ,垫层料 中细料含 量 明显增大 ,最大粒径 日趋减 小。 表 1 垫 层料 级 配 小于某粒径含 量的百分 比 ( ) 粒径 ( m m) S h e r a r d级配 国际大坝委员会级配 7 5 9O 1 O 0 9O 1 O
5、 0 3 7 7 O 9 5 70 1 0 O 1 9 5 5 80 5 5 8 0 4 7 6 3 5 5 5 3 5 5 5 0 6 8 3 0 8 3 0 0 07 5 2 1 2 5 1 5 1 4 第 4阶段 在 总结 了前 期 一些 工 程采 用 粉 土处 理大 坝 严 重渗漏经验 的基 础上 ,巴西学者提 出了 “自愈 性止 水 ”结构的概念 ,明确提 出垫层料必 须对粉 质类 防渗土料具有 反滤 作用 , 并通过试验加 以确 认 ( 即强调 了垫层料 的保砂性 ) 。从混 凝土面板 堆石坝防渗的角度来看,垫层料是周边缝、板间 缝止水系 统的一个组成部分 。 从上述设 计发展过程
6、来看 ,进 入第三、第 四 阶段后 ,更加突 出了垫层在 混凝 土面板堆石坝防 渗性能中的作用。 由于垫层料 的最 大粒径变细 ,小于 5 mm 颗 作者简介 :风炜 ( 1 9 6 2年 一 ) ,女,副教授。 基 金 项 目 : 新 疆 水 利 水 电 工 程 重 点 学 科 基 金 资助 项 目 ( x j z d x k 一 2 0 0 2 1 0 一 O 5 ) ;清华大学水沙科学与水利水电工程国家 重点实验室开放研究基金 ( s k l h s e 一 2 0 0 8 - D - 0 1 ) 。 5 5 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 2期 粒含量增 高,因此 ,在第
7、一阶段人们所关心 的垫 层料 的渗透 稳 定性 问题 再 次引起 了坝 工 界 的关 注 ,特 别 是采用 冲积 的砂 砾料 直接 加工 的垫 层 料 。产生这一 问题主要是 因为冲积砂砾料 具有如 下特 点 : ( 1 )离散性 。由于沉 积条件 的不 同,所形 成 的砂砾石 的级配也不相 同,具有明显的随机分 布规律 , 导致用 它所 生产 的垫层料具有级配不均 匀的特性 。 ( 2 )级配 问断性 。即非连 续级配 , 山区 峡 谷地段砂砾料这一特 性更为突出 。 这种级配 的不 均匀系数大于 1 O 0 ,是一种典型 的管涌土 ,它 的 渗透稳 定性是渗流控制 的主要矛盾 。 沟后坝
8、失事 以后 ,以砂砾石 为坝料 的工程的安全性 ,更引起 人们 的重视 。 ( 3 )施工 易分离性 。砂砾石坝 料施工 时极 易产 生分离 , 容 易导致坝体分 区界面上砂砾 石料 的不均匀性 ,难 以保证渗流过渡 。 2 垫层料基本要求和选择 垫层料应满足如下 的要求 : ( 1 )材质必须 是坚硬、质地新鲜石料 ; ( 2 )垫 层料 的强 度和变 形均应满足 坝坡稳 定 以及面板 、垫层 、过渡层变形的要求 ; ( 3 )施工时要有 良好 的抗分离性 能; ( 4 )垫层料必 须满足坝 体渗透和 渗透稳 定 性要求 。 垫 层料 在 下面 两种 情 况下 必 须保 证其 渗透 和渗透稳
9、 定性 。 2 1 第 1种运行工况 施 工 时 当利 用垫 层挡 水渡 汛 或运 行 期面 板 及接 缝防渗 ( 止水 )失效 时,在 正 向渗透 水压力 作 用下,能够确保其渗透和渗透稳 定性 。 为研 究 垫层 料和 主 堆石 坝料 的渗透 和渗 透 稳定性 ,采用 了大型高压渗透仪实验装 置,其有 效直径为 l O O c m,有效工作段长度 ( 即渗径)为 1 2 0 c m, 最大承受水头为 l O O m, 这就可以使用原 级配材料进行渗透试验, 真实地反映材料的渗透 性状。试验时渗透水流由上向下,垫层底部铺设 l O O m m等径砾石进行保护。 针对乌鲁瓦提垫层料 我们进行
10、了 3组试验 。 第 1 组以乌鲁瓦提河床天然砂砾石为原料, 直接过筛制备垫层料,最大粒径为 8 0 m m,小于 5 mm颗 粒含量 占 3 5 ,小于 0 1 mm 颗粒含量 为 5 6 4 7 ,试 验样 品 的级配 曲线尾 部偏 离谢腊 德 ( S h e r a r d )垫层料 级配 曲线 ( 见图 1 ) 。 “ n 】 拦 m n 、 乌鲁 瓦提垫 层料 级 配 曲线 试验 发现 ,随着渗透 比降 的增加,垫层 内的 细砂不断被 带出。当维持总水头不变时,垫层 内 部各测点处的测压 管水头不断 的变化调整, 内部 渗透 比降也在变 化,也就是各测段 的渗透系数不 断 的变化 。
11、这反映出垫层 内部 的砂石颗粒在渗透 水流作用下发生移动,易位调整 。当渗透 比降达 到 1 3时, 出水 口大量涌砂 , 垫层产生 了渗透破坏 。 第 2组 为研 究颗粒 形状对垫层渗 透和渗 透 稳定性 的影响,上述垫层料 中 5 4 0 m m粒 径的砂 料采 用碎石和卵石各 占 5 0 掺 和,小于 5 m m的细 料采用天然砂和人工砂各 占 5 0 掺和制备试样 。 与第一组相似 ,在总水头维持稳定 的条件下 ,垫 层 内部各处 的测压管水头在不 断的变化 , 反 映了 垫层 内部颗粒排列结构在渗流作用 下不断调整 , 内部 各段 的渗 透系 数也 不相 同 ,处于 非均 匀状 态
12、。 试验过程 中发现 垫层 中到上 中部渗透系数较 大 ,所承受 总比降的百分 比较 下部小 ,在下部 , 形成一 个低渗透系数 区域 ,暂称 为 “ 渗淤层 ” 。 这个层 的厚度不大 ,但承受着较上部更大 的总 比 降的百分 比,“ 渗淤层 ”在试验进行 7 2小 时后 , 总渗透 比降达 9 2( 限于设备条件 未能使试 样承 受更高的渗透 比降 ) 。 内部各测压 管水头始 终在 变化调整,但垫层并未产生渗透破坏。 第 3组试验用料与第二组相同, 但严格按照 谢腊德 ( S h e r a r d )级配 曲线配制试样。试验结 果表明:总渗透比降达到 1 3 2 时 ( 因设备条件的
13、限制 )也未产生渗透破坏。总水头维持稳定时, 内部各测压管水头变化不大, 反映出垫层 内部颗 粒在渗流作用下,很少产生移动易位,处于结构 稳定状态。与前两组不同,垫层中沿渗流方向由 上至下各测压管间水头损失递减,即水头损失主 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 2期 要集中在垫层的上部,约占总水头损失的 7 0 。 这表 明该级配 的垫层料 内部颗粒 间互相制约 ,具 有 “自反滤性 ” 。下部的垫层料对上 部能够起保护 作用 ,有效 的防止 了渗透破坏 的发生 。显然 ,从 渗透稳 定的角度看 ,这种具有 良好级配 的垫层料 具有渗透内部稳定性, 能够承受更高的渗透比降。 通 过
14、以上 3组试验 可 以得 出如 下几点结论 : ( 1 )垫层 料 的颗 粒形状 对其 抗渗 强度有一 定 的影 响,以人工碎 石取代部分或 全部的天然砂 砾 石所 制备 的垫层 料 的抗 渗强 度远 高 于天然 砂 砾石直接 过筛生产 的垫层 料 。 ( 2 )生产垫层 料 时,仅控 制最 大粒径 、小 于 5 m m和 小于 0 1 m m颗粒含 量 , 而不 限制 相对含 量 的垫层料 的渗透稳定性就难 以保证 。 特 别是细 料的不均匀系数较小时,更容易产生渗透破坏。 ( 3 )通过试验 可知 ,谢腊德 ( S h e r a r d )所 建议的垫层级配, 决不仅仅是为了克服施工过程
15、 中坝料 的分离 ,并保证半透 水性 ,而是一种 匹配 严谨 、相 互嵌咬 、互相 制约 、各粒组均 参与骨架 作用 的材 料 。这种垫层 料具有较高 的抗 渗能力 。 2 2 第 二种运行工况 施工 时利用 有保护 的垫层挡水 渡汛 ,在 反 向 渗透水压力作用下,确保其渗透和渗透稳定性。 这种 工况 的垫层承 受 由下 向上 的渗 透水流作用 , 此 时,垫 层的抗渗 强度远 低于第一种 工况,其 渗 透 破坏 形 式可 以是管 涌 、流土 或过 渡 型 中的 一 种 。表 2给 出了反 向渗透水压 力作用时几种渗透 变形 的破 坏 比降和允许 比降 。 表 2 反向渗透水压力作用时渗透变
16、形的 破坏 比降和允许 比降 抗渗比降 管涌 5 C 5 级配连续 级配不连续 破坏比降 0 8 1 0 1 0 1 5 0 2 O , 4 O 1 0 3 允许 比降 0 4 0 5 0 5 0 8 0 1 5 O 2 5 0 1 O 2 这种 工况的渗透破坏 在施工期水位 骤降时 , 特别是高坝小库容时更为危险。 最典型的破坏实 例是梅索科 巴坝。该坝坝高 l 3 5 m,垫层料由天 然砂砾石直接过筛获得 ,并含有较多的粉细颗 粒, 采用喷混凝土保护。施工中承包商将原设计 的二期面板施工改为一期, 使垫层坡面保护层大 面积长期暴露在空气中,并遭受到暴雨冲刷、冻 融、施工中的滚石及人为破坏。
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