土石壩填筑后的滲透特性分析

填石壩工程后的滲透特性是評價土石壩施工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。滲透系數(shù)是滲流計算中的一個重要參數(shù),其取值與滲流量的計算和采取的防滲措施密切相關(guān),因此,滲流與滲流控制是土石壩工程中一項重要課題。然而由于測試方法的不同,得出的滲透系數(shù)差別很大,有時甚至達(dá)到一個數(shù)量級以上,且由于土體的滲透系數(shù)并不是各向同性的,即水平方向與垂直方向的滲透系數(shù)并不相同,這不僅直接影響滲透系數(shù)的測定,也使壩殼料滲透特性的分析更加復(fù)雜。土石壩壩殼料要求選用的土料具有良好的排水性能,較高的強度,且能滿足滲透變形要求的粗粒土料,較多采用混合巨粒土或含細(xì)粒的砂、礫等土料。目前,不少學(xué)者已經(jīng)開展了大量有關(guān)土石壩筑壩材料滲透特性方面的研究。劉杰等結(jié)合不少土石壩設(shè)計施工實例對我國近年來土石壩滲流控制理論的發(fā)展作了詳細(xì)的評述。黃燕林通過試驗探索了砂泥巖互層料作為高壩壩殼料的可行性。劉軍對一水庫土石壩壩殼料碾壓試驗中的相關(guān)問題進行了探討,并給出了相關(guān)的經(jīng)驗與建議。謝定松等采用室內(nèi)模型試驗與有限元計算研究了庫水位降落時上有壩殼中自由水面的變化規(guī)律。馬凌云對面板堆石壩墊料層的滲流特性的影響因素進行了研究。從以上研究可以看出,壩殼料的滲透特性是土石壩施工控制的重要指標(biāo)之一。而目前測定壩殼料的滲透系數(shù)的方法有限,僅有《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345-2007)給出的試坑單環(huán)注水試驗方法可采用,但該方法適用范圍有局限性,對于粒徑大于50cm,滲透量較大的巖石風(fēng)化料難以測試,且試驗精度較低,該規(guī)程是否適用于云南省土石壩工程施工中各種筑壩材料的試驗檢測還有待研究。現(xiàn)有的《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)所推薦的常水頭法適用于粗粒土,對于含有巨粒的壩殼料的滲透系數(shù)的評價是否合理也需要進一步的試驗研究。因此,驗證現(xiàn)有的測試方法的可靠性,同時尋找新的客觀、可行、準(zhǔn)確、快速的滲透試驗檢測方法,是很有必要的。本文通過不同土石壩工程采用的各種壩殼料的滲透測試,并與室內(nèi)試驗方法進行對比,從而驗證不同測試方法的優(yōu)勢與局限性,促進云南省土石壩壩體填筑質(zhì)量的控制及檢測方法的發(fā)展,并為云南省水利水電行業(yè)制定適宜的地方標(biāo)準(zhǔn)提供可靠的試驗依據(jù)。1工程背景、主要研究內(nèi)容和方法1.1土石壩壩殼料滲透系數(shù)測試方法本文在云南省內(nèi)的建項目中,共選取代表性水利工程5個,分別為紅河州石屏縣阿白沖水庫、紅河州紅河縣阿扎河水庫、臨滄市臨翔區(qū)鴨子塘水庫、臨滄市鎮(zhèn)康縣中山河水庫、思茅市景東縣青龍水庫。選定碾壓施工完成后的壩殼料作為研究對象,5個土石壩工程壩殼料分別為昆陽群美黨組薄層狀強~弱風(fēng)化粉砂質(zhì)與泥質(zhì)板巖、哀牢山群小羊街組強~弱風(fēng)化二云石英片巖和白云石英片巖、三疊系印支期黑云混合全風(fēng)化花崗巖、奧陶系統(tǒng)中(O2)強~弱風(fēng)化石英粉細(xì)砂巖與泥質(zhì)石英粉砂巖、三疊系石鐘山組中段T3s2強~弱風(fēng)化灰?guī)r。壩殼料采用自動式振動平碾設(shè)備進行填筑,鋪料時采用進占法,鋪料厚度60cm,碾壓8遍,壓實平均層厚約53cm。在土石壩施工現(xiàn)場碾壓面上對不同類型的壩殼料,采用不同的測試方法進行滲透系數(shù)對比試驗。測試點選在施工碾壓完成后的完整碾壓面上,由于表層料經(jīng)碾壓機械反復(fù)碾壓,顆粒較細(xì),密實度高,不能代表整個碾壓層的密實程度,因此試坑單環(huán)注水試驗(簡稱“單環(huán)法”)在碾壓面以下1/3處深度處埋環(huán)(約碾壓面以下17cm)。而對于試坑直接注水法(簡稱“試坑法”),先在選定的試驗點,采用試坑灌水法測定密度指標(biāo)后在原坑內(nèi)進行試坑直接注水試驗,要求開挖的試坑無大的空洞,測試過程中無垮塌、掉塊;試坑注水后,當(dāng)水滲透到試坑頂部以下1/3處時開始測度(與單環(huán)法埋環(huán)深度一致)。在進行滲透試驗的同時,對每個試坑中挖出的樣品稱重,測顆粒級配、密度、含水率、比重試驗。1.2試坑土層滲透系數(shù)按照《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345-2007)中試坑單環(huán)注水試驗的要求,進行了現(xiàn)場單環(huán)滲透試驗,試坑單環(huán)注水試驗儀器見圖2,是環(huán)直徑50cm,高20cm。并按照規(guī)程中給出的計算公式進行滲透系數(shù)的計算,公式如下:式中:Q為注入流量,L/min;F為試環(huán)面積,cm2;k為試驗土層的滲透系數(shù),cm/s。參照單環(huán)法進行試坑直接注水試驗,試坑直接注水現(xiàn)場圖見圖1。考慮到試坑直接注水試驗中水是通過試坑側(cè)面和底面同時滲流,滲流速率較單環(huán)法快,基于此,需要考慮試坑側(cè)面水的滲透,假定開始測試時在時間t內(nèi)試坑中的水位由H1下降到H2,則土層中的滲入流量為:式中:A1為試坑的平均底面積,A1=πd2/A,其中d為試坑的平均直徑。考慮側(cè)面滲透后,試坑土層的滲透系數(shù)估算值如下:式中:kp為試坑測得的滲透系數(shù)估算值;A2為試坑的平均側(cè)面積,為了驗證上述方法測試的可靠性,進一步在現(xiàn)場同一測試點附近取樣,進行室內(nèi)粗粒土常水頭試驗,試驗方法及滲透系數(shù)的計算均完全按照規(guī)范《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)的要求進行。2試驗結(jié)果與討論2.1顆粒分析試驗結(jié)果通過室內(nèi)土工試驗,統(tǒng)計分析同一土石壩試驗區(qū)不同試驗點壩殼料的基本物性指標(biāo),結(jié)果見表1。從表中可以看出,按照《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)對各試驗點的壩殼料定名,其中兩個試驗點為卵石混合土,另外三個分別為含細(xì)粒土砂、含細(xì)粒土礫、混合土卵石。從顆粒分析試驗結(jié)果來看,試驗點1與試驗點2的平均巨粒含量分別為35.9%、22.8%,屬于巨粒混合土;試驗點3的平均礫粒含量為24.3%,而粗粒含量達(dá)到93.1%;試驗點4的粗粒含量為90.1%,但礫粒含量達(dá)到77.0%,與試驗點3的土樣相比,同為粗粒土,但有所差別;試驗點5的巨粒含量達(dá)到52.8%,且漂石粒含量18.6%,屬于混合巨粒土,與試驗點1與2的顆粒相比要大。各個試驗點顆粒級配的差異將影響壩殼料的滲透性,因此,壩殼料顆粒組成的測定對滲透特性的分析很有必要。2.2結(jié)果的測試方法分析為了研究不同測試方法獲得的土石壩壩殼料滲透系數(shù)的差異,在同一個試驗點分別進行了現(xiàn)場單環(huán)注水與試坑直接注水試驗,同時取現(xiàn)場土料回實驗室進行了粗粒土的滲透試驗;為了確保測試結(jié)果的可靠性,在同一試驗區(qū)進行了多次的滲透試驗,為了便于對比分析不同測試方法對滲透系數(shù)的影響,取各種方法測試結(jié)果的平均值進行作圖分析,見圖2。圖2給出了不同試驗點壩殼料采用不同的測試方法獲得的滲透系數(shù)對比直方圖,從圖中可以看出,采用室內(nèi)常水頭試驗測得的滲透系數(shù)最小,現(xiàn)場試坑直接注水測得滲透系數(shù)最大,現(xiàn)場單環(huán)法測得的滲透系數(shù)更接近室內(nèi)測試結(jié)果。3種不同測試方法獲得的滲透系數(shù)存在差異,主要原因在于,從現(xiàn)場水滲透的過程來看,試坑直接注水的滲透面積最大,在垂直方向和水平方向均有滲流發(fā)生,這與土石壩運行過程中壩殼料中的滲流狀態(tài)較為接近;而單環(huán)法滲流是在頂部保持常水頭條件下試驗土層中發(fā)生的三維流動,這與室內(nèi)常水頭滲透試驗條件相似。三種不同的測試方法所獲得的滲透系數(shù)量級在10-1~10-3,均滿足規(guī)范對壩殼料滲透系數(shù)的要求。除試驗點4外,其余四個試驗點現(xiàn)場單環(huán)法測得的滲透系數(shù)和室內(nèi)試驗在同一個量級。試坑直接注水法測得的滲透系數(shù)與單環(huán)法測得的結(jié)果的倍率在1.36~5.80之間,兩者較為接近。而與常水頭測得的結(jié)果倍率變化在2.5~41.6之間。2.3試驗測試方案上述不同測試方法獲得的滲透系數(shù)的差異可以從試驗測試方法與壩殼料本身的物理性質(zhì)方面進行分析討論,獲得更為深刻的認(rèn)識。由于粗粒土常水頭試驗儀器尺寸的限制,允許試驗土料的最大粒徑為60mm,其中超徑部分一般采用等量替代級配方法,采用60mm以下的粒徑代替超徑部分,確保<5mm顆粒的含量不變化,因此,采用等量替代方法后,室內(nèi)常水頭試驗所測得的滲透系數(shù)偏小。從表1中的顆粒分析結(jié)果可以看出,除了鴨子塘水庫粒徑大于60mm的顆粒含量極少,采用全料級配進行室內(nèi)常水頭試驗外,其余均需采用等量替代的方法。考慮到室內(nèi)常水頭滲透試驗結(jié)果偏小,試驗點1與試驗點2,試坑直接注水測得的滲透系數(shù)與單環(huán)法相比相差3~5倍,因此,試坑直接注水法可以替代單環(huán)法進行壩殼料的現(xiàn)場滲透檢測。試驗點3壩殼用料為砂土狀全風(fēng)化料,室內(nèi)常水頭試驗采用的是全料級配進行滲透試驗,單環(huán)試驗結(jié)果和室內(nèi)常水頭試驗結(jié)果較為接近。由于全風(fēng)化料滲透系數(shù)較小,當(dāng)采用試坑直接注水法時,水在試坑內(nèi)滲透速度慢,須有足夠的水頭差才能進行滲透系數(shù)的計算,測量時間長;其次,現(xiàn)場壩殼料顆粒成砂土狀,較為松散,在試坑水長時間浸泡下,容易垮塌,影響滲透系數(shù)的準(zhǔn)確測定,因此,該試驗點不適宜用試坑法,建議仍使用埋環(huán)法。試驗點4室內(nèi)常水頭試驗比現(xiàn)場試驗小1個量級左右,這與中山河壩殼風(fēng)化料的級配有直接關(guān)系,其小于5mm顆粒含量平均為31.9%,大于60mm顆粒平均占9.4%,大于60mm顆粒被替代后,小于5mm顆粒含量不變,且現(xiàn)場機械碾壓后干密度大,當(dāng)室內(nèi)試驗按現(xiàn)場干密度制樣后,部分顆粒將破碎,導(dǎo)致細(xì)料增多,5~60mm顆粒被小于5mm顆粒包裹后,顆粒間的孔隙充填得更加密實,孔隙率變小,滲透通道減少,導(dǎo)致常水頭滲透系數(shù)大幅變小。建議中山河水庫滲透系數(shù)值采用現(xiàn)場試坑直接注水或埋環(huán)法的試驗結(jié)果,更加符合現(xiàn)場壩料實際情況。試驗點5的壩殼料屬于強透水材料,3種試驗方法測得的滲透系數(shù)相差不大,均為同一量級,說明滲透系數(shù)較大(>1×10-2cm/s)的材料3種試驗方法均適用;但按《水利水電工程注水試驗規(guī)程》(SL345-2007)中試坑單環(huán)注水試驗操作步驟中保持水深10cm,波動幅度不應(yīng)大于0.5cm的要求,較難得到滿足,在該試驗點進行單環(huán)注水試驗要求較一般試驗點更為苛刻。主要在于該試驗點的壩殼料滲透系數(shù)大,滲透流速快,須在很短的時間內(nèi)讀出水頭差,從而計算出滲透流量,保證測量的準(zhǔn)確性,為了獲得可靠的測試結(jié)果,試驗點5宜采用試坑直接注水法進行滲透試驗測試。根據(jù)以上試驗測試及分析,可以得知不同測試方法具有各自的適用性,具體闡述如下:在現(xiàn)場檢測條件允許下,可以采用試坑直接注水法代替試坑單環(huán)注水法進行壩殼料的現(xiàn)場滲透測試。由于試坑直接注水法進行滲透系數(shù)檢測無須安裝,可利用試坑灌水法檢測干密度的試坑使用,檢測速度快、試驗操作便捷、試驗結(jié)果得出時間快,試驗結(jié)果不受試驗面影響,從坑四周及底部均有滲流,更符合壩料在實際運行中的滲流狀態(tài);而首先單環(huán)注水試驗要求試驗面須選擇相對平整的地方,在現(xiàn)場對碾壓面需要進行適當(dāng)?shù)男拚?才能保證水平埋環(huán),容易擾動試驗面。其次,鐵環(huán)外要用黏土填實,確保四周不漏水,若有少量滲水,不易觀察,但對試驗結(jié)果影響較大;此外,單環(huán)法試環(huán)直徑僅25~50cm,對于堆石等大粒徑壩料,測環(huán)內(nèi)顆粒的組成對測試結(jié)果影響較大,不適宜采用該方法進行測試;單環(huán)注水法要求保持水深10cm,對堆石或滲透系數(shù)較大的風(fēng)化壩料,注入水后較難保證恒定的水位深度,對測試結(jié)果有一定影響。室內(nèi)常水頭試驗滲透模式為垂直方向的平行流,采用現(xiàn)場干密度、顆粒級配指標(biāo)進行室內(nèi)重塑制樣,室內(nèi)試驗儀器及制樣方法會對試驗結(jié)果有所影響。首先采用錘擊方式與現(xiàn)場碾壓機械振動密實有所區(qū)別,導(dǎo)致的物質(zhì)組合結(jié)構(gòu)不盡相同。其次,現(xiàn)場碾壓機械功率大,要達(dá)到現(xiàn)場碾壓后的干密度導(dǎo)致室內(nèi)人工制樣都比較困難,在錘擊作用下造成顆粒破碎,級配組成會有所變化;再次受儀器尺寸影響,室內(nèi)試驗儀器最大允許粒徑為60mm,超徑部分,采用等量替代級配方法,采用小于60mm以下粒徑代替大于60mm粒徑,保證<5mm含量不變,這種替代方法其實采用的是間斷級配,模擬現(xiàn)場級配進行試驗,因此常水頭試驗結(jié)果偏小,當(dāng)試驗料小于5mm含量大于30%,且含有大于60mm粒徑時,常水頭試驗結(jié)果偏小的幅度更大。盡管試坑直接注水試驗?zāi)壳盁o規(guī)范可循,但通過大量工程實踐,檢測結(jié)果可真實反映碾壓后壩料的滲透情況,效果良好。只要在其適用的檢測范圍內(nèi),其檢測速度,可操作性及實用性對工程現(xiàn)場檢測是適用的。3現(xiàn)場實測結(jié)果對比通過5個土石壩施工現(xiàn)場的壩殼料進行現(xiàn)場滲透測試,得到了以下結(jié)論:(1)不同的測試方法及壩殼料級配的差異,導(dǎo)致各種方法測試的滲透系數(shù)存在一定的差別,采用室內(nèi)常水頭試驗測得的滲透系數(shù)最小,現(xiàn)場試坑直接注水測得滲透系數(shù)最大,現(xiàn)場單環(huán)法測得的滲透系數(shù)更接近室內(nèi)測試結(jié)果。(2)三種測試方法有其各自的適用性:試坑法直接注