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天然反滤料在恰甫其海工程中的应用
作者:管理员    发布于:2016-05-03 14:06:27    文字:【】【】【

  2反滤料选择原则恰甫其海挡水建筑物为黏土心墙坝,对于当地材料坝,其坝料的选择原则是尽量就地、就近取材,简化施工工艺以达到降低工程造价之目的。反滤料作为黏土心墙坝坝体结构中的一种重要建筑材料,在进行反滤料设计时,应根据其在坝体结构中的作用、防渗土料的工程特性、抗震及施工要求,在满足工程安全的前提下,尽可能采用天然建筑材料。根据本工程特点,在进行反滤料设计时要考虑以下两个因素:该工程防渗土料为风积黄土,土料粒径比较均匀,砂粒(> 3.作为坝体防渗料,抗冲蚀能力较低,这一特性要求反滤料要细一些,对防渗土料要具有较好的反滤保护作用。

  工程区位于北天山西部复杂构造带中,属新礓地震活动较强烈的区域之一,具有地震活动频度与强度均较高的特点。在坝体结构设计时,要按大项防渗体具有自愈能力来考虑,当大坝防渗体产生裂缝或地震造成防渗体错动时,防渗心墙不能与坝壳料直接接触,这就要求在防渗心墙上、下游布置较厚的反滤层,一方面能对防渗体渗流出口进行很好的反滤保护,另一方面能对防渗体裂缝进行充填。

  反滤料作为黏土心墙坝坝体结构中一种特殊的建筑材料,一般工程均采用人工制备料,由于该工程需要反滤料较多,应尽可能采用天然建筑材料作为反滤料,以达到降低工程造价之目的。

  3天然反滤料工程特性地质人员对枢纽附近可用的建筑材料进行了全面的详细调,在距坝址4. 5km处找到了含砾砂岩风化层,从探坑坡面可看出此料场为砂烁石互层,其中砂层大厚度为2.0m,小厚度为0.4m,砾石层大厚度为1.5m,小厚度为0.4m,砾石层为透体,呈水平状分布于砂层中。

  对该料场砂砾混合料进行了24组颗分和8组渗透试验。通过24组颗分成果可看出,大于60mm含量为2,大于2mm含量为28. 13,砂粒含量(<20mm)为71.82,小于1mm含量为65,小于0.1mm含量约为27,平均为4.不均系数Cu =5.1,曲率系数(;=0.94,该天然反滤料为级配不良砂砾混合料。

  85条件下,该料的渗透系数为2.47.3X10-4cm/s,平均为5.0X10―4cm/s,该料作为反滤料透水性偏小。

  心墙防渗土料、天然反滤料、过渡料颗分曲线如所示。

  4天然反滤料在本工程中的适用性论证及评价该天然反滤料为级配不良砂砾混合料,颗粒较细,含泥量偏篼,透水性偏小,与SL251―2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程中对反滤料质量提出的要求相差较大。该天然反滤料能否直接作为反滤料使用,需从被保护土的特征及反滤层的功能方面加以论证。

  4.1规范对反滤料提出的质量要求SL251―2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程对反滤料质量提出以下要求:SL274―2001碾压式土石坝设计规范中,当被保护土为黏性土时,层反滤层设计的方法和准则为:对于小于。75mm颗粒含量大于85的土,滤土性要求反滤层的D15<9木5,当95<0. 4.2天然反滤料与心墙防渗土料层间关系复核反滤层的主要作用是保护防渗土料在渗水作用下的渗透稳定,天然反滤料能否直接使用,主要研究该料对防渗土料是否起反滤保护作用。

  根据57组防渗土料颗分成果统计,防渗土料中小于0.075mm的含量为7792,平均为85,5根据24组反滤料大型颗分成果统计,天然反滤料以细砂为主,小于2皿11含量约占72,小于4.2.1反滤料与防渗土料间滤土性复核410.99mm,满足滤土性要求。

  7mm,满足滤土性要求。

  4.2.2防渗土料与反滤料间排水性复核从以上复核可看出,天然反滤料虽然含泥量略篼,透水性较小,但仍符合SL274―2001碾压式土石坝设计规范对反滤料的质量要求,可作为反滤料直接上坝。

  4.3天然反滤料与过渡料层间关系复核过渡料由埂壳砂烁料筛分而成,大粒径80mm,小于5mm含量为2035,平均为26,含泥量小于3,不均系数Cu=81.1,曲率系数Ct=5.1,为不良级配的砂烁混合料。

  4.3.1过渡料全料与天然反滤料层间关系复核=0.6/0.25=2.4<5基本满足排水要求。考虑到过渡料粗颗粒含量较高,施工过程中过渡料可能产生分离,分离后的过渡料排水性将提高,排水性能可满足要求。

  图i防渗土料、反滤料、过渡料颗分曲线。3.2过渡料粗颗粒与天然反滤料层间关系复核考虑到在施工过程中过渡料易产生分离,过渡料中的细颗粒在渗水作用下有可能流失,为了确保反滤层的安全,需对天然反滤料与过渡料中粗颗粒间层间关系进行复核。

  过渡料中小于5mm的细料流失后,它完全能够对天然反滤料起到反滤保护作用,确保了反滤层的安全。

  4.4反滤试验恰甫其海心墙土料属易冲蚀、易开裂的粉质类风积黄土,反滤料为未进行筛分加工的天然料,过渡料为坝壳砂碑料筛除大于80mm的混合料。为验证大坝结构的抗渗稳定性,委托新疆农业大学水利水电设计研究所,对防渗土料、原级配天然反滤料及过渡料进行大型渗透和渗透稳定性试验,试样容器选用了5450mm、高105cm的大型装置,试验采用原级配料进行,共进行了三组试验。

  4.4.1组为防渗土料与天然反滤料组合为能够反映心墙开裂后裂缝周边土体因受拉力作用而处于疏松状态,装样时采用风干防渗土料松散堆放在反滤层表面,其干密度约为1.251.3g/cm3.试验时先进行浸水饱和,渗流由上而下再进行逐级升高水头,检验反滤层对防渗土料的滤土作用。这是一种不利工况,试验过程中通过防渗土层和反滤层流出的渗水始终为清水,表明反滤料对心墙防渗土料具有良好的反滤作用。当渗透比降达到13以上时也没有发生渗透破坏,由于受仪器的限制未能测得破坏比降,这说明各组反滤料均具有较篼的抗渗能力,它远大于心墙防渗体实际所承受的渗透比降。

  4.4.2第二组为孔洞冲蚀试验采用与组相同的组合,表层为防渗土料,下部为反滤层,所不同的是在防渗土层的中间开出一个6cm的孔洞,让水流不通过防渗体直达反滤层,以此提高冲刷流速,检验反滤层的滤土作用。在渗流发生初期,由于孔洞的透水能力很强,渗透比降难以维持而下降,同时渗透流量也随同下降,表明反滤层滤土作用也同时得以发挥。随着孔洞逐步被游堵,渗透比降则在调整,但渗透量在不断下降。当加大渗透比降时,渗透流量也随之增加,但增加的梯度小于渗透比降增加的梯度。进人稳定渗流期后,在渗透压力作用下,防渗土层进一步被压密,渗透系数降低,渗透流量也减小,整个试验过程中无浑水出现,表明渗透是稳定的。

  4.4.3第三组为组合试验沿渗流通道由上到下依次装入防渗土料、天然反滤料和过渡料,渗流由上向下逐步增加渗透水头,检验其综合反滤效果。试验过程中通过反滤层和过渡层流出的渗水始终为清水,整个试验过程中渗透系数和渗透流量没有发生突发性增大现象,当渗透比降达到55时也没有发生渗透破坏,由于受仪器的限制未能测得破坏比降,这说明各组反滤料具有较篼的抗渗能力,无渗透破坏现象发生,反滤效果良好。由于过渡层的渗透系数较以上两层为大,进人过渡层内渗水容易排除。未经压实的防渗土料承担着总比降的56.1,反滤层承受25,过渡层承受19,这种递减规律也反映了组合反滤层的良好工作性状。

  通过三组原级配天然反滤料大型试验可看出:原级配天然反滤料自身渗透是稳定的;原级配天然反滤料对心墙防渗土料具有良好的反滤作用;当渗透比降达到130以上时也没有发生渗透破坏;组合试验表明,原级配天然反滤料在过渡料的保护下,具有较篼的抗渗能力,反滤效果良好。原级配天然反滤料可作为反滤料直接上坝。

  4.5对天然反滤料的评价对黏土心墙坝来说,坝体结构设计(坝料分区)是以渗流控制为主,反滤料的选择是坝体结构设计的重要部分,要根据防渗土料和坝壳料的工程特性、各种坝料在坝体结构中的功能,在满足坝体结构渗透稳定安全的前提下,就地取材,降低工程造价。反滤层的主要功能是保护防渗土料在渗水作用下的渗透稳定,其主要功能有以下两项:为滤土性要求,要求反滤料自身是渗透稳定的,同时对被保护土具有较好的反滤保护作用,防止被保护的土颗粒在渗流的作用下发生连续流失,即反滤料的有效孔隙尺寸能够限制被保护土的控制粒径通过。

  第二为排水性能,要求反滤料具有一定的排水能力,反滤料的渗透系数应大于被保护土的渗透系数12个数量级,当渗透水流进人反滤层时能够被迅速排除,降低渗透压力,有利于反滤层自身的渗透稳定,同时也能将心墙内的渗水尽快排到下游坝壳,降低心墙内浸润线篼度,有利于坝体稳定。

  天然反滤料由天然沉积的地层开采获得,尽管天然反滤料的级配曲线分布较为离散,这与场料沉积特性及取样点位置有关,在地层中砾石呈透境体状水平分布在细砂中,通过在施工时采用竖向开采、堆放,再装车上坝,可达到拌和之目的,使填筑到坝面上的天然反滤料级配比较均匀。

  过渡料采用坝壳砂砾料经筛分而成,混合料中小于5mm含量偏低约为26,施工中易产生分离,为确保过渡层对反滤层具有可靠的反滤保护作用,在反滤设计时应对过渡料粗颗粒部分能否对反滤料具有反滤保护作用进行层间关系复核,同时在施工程序上应先填筑过渡料后填筑反滤料,并采用人工清理过渡料靠近反滤层侧的界面,将集中的粗颗粒清除,杜绝过渡料与反滤料接合面部位粗颗粒集中现象的发生,以确保过渡料对反滤料具有可靠的反滤保护作用。

  通过天然反滤料与心墙防渗土料层间关系复核、天然反滤料与过渡料层间关系复核及大型反滤试验,该工程选用的天然反滤料具有以下特点:尽管天然反滤料级配曲线分布较为离散,这与场料沉积特性及取样点位置有关,在施工时可采取立采的开采方式,将反滤料上下层均混合,可使上坝的天然反滤料接近平均级配曲线。

  通常要求反滤料中小于5mm颗粒含量应大于3545,这主要是从反滤层自身的渗透稳定性方面提出的,天然反滤料全料的不均匀系数Cu =5.1,曲率系数(:。=0.94,为不良级配的砂砾混合料。根据前人的研究成果,当砂砾混合料中细料含量达到70以上时,砂砾料中的粗颗粒则“悬浮”在细料之中,此时,砂烁料的工程性质就由细料的工程性质决定。

  恰甫其海天然反滤料级配中小于5mm颗粒含量为6298,平均为78,且主要为直径小于1.0mm的细料,粗颗粒将“悬浮”在细砂中,天然反滤料的工程特性将由细料决定,细颗粒料中小于2mm含量为92. 3,小于1.0mm含量为80. 8,小于0.5mm含量为51. 3,小于0.3mm含童为25.6,小于0.2mm含量为14.1,不均匀系数Cu =3.7,曲率系数Cc=l.29,为级配良好的细砂,是保护防渗土料的优良反滤材料。这种反滤料的渗透破坏形式为流土型,其抗渗能力远大于管涌型,自身渗透稳定性较好,故使用天然反滤料填筑防渗心墙的反滤层在滤土性能方面是可靠的。

  天然反滤料全料中含泥量为27,平均为4,略大于SL251―2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程规定的小于3,同时渗透系数为5. 0Xl(T4cm/s,也小于该规程对天然反滤料渗透系数应大于5.8Xl(r3cm/s的要求。但由于心墙防渗土料为风积黄土,颗粒较细,d15仅为0.004mm,该反滤料主要是保护防渗心墙,防止土颗粒在渗流的作用下发生流失,这一特性要求反滤料要细一些,对防渗土料要具有较好的反滤保护作用。

  另外,防渗心墙的渗透系数为5.0Xl(r6cm/S,天然反滤料全料的渗透系数为5.0X1(T-Cm/S,天然反滤料相对防渗心墙来说仍具有较强的排水能力,经计算满足SL274―2001碾压式土石坝设计规范中对反滤料排水性能的要求。故使用天然反滤料填筑防渗心墙的反滤层在排水性能方面是可靠的。

  天然反滤料对防渗土料能够起到良好的反滤保护作用,并满足排水性要求;过渡料对天然反滤料同样能够起到良好的反滤保护作用,确保了反滤层的安全大型反滤试验表明防渗土料与天然反滤料之间、天然反滤料与过渡料之间具有较好的层间关系,各种坝料间具有较好的反滤保护作用,坝体结构是渗透稳定安全可靠的。

  5结论通过对防渗土料、天然反滤料和过渡料工程性质的分析、计算和反滤试验,并经过两年多的高水位运行可得出以下结论:天然反滤料全料为不良级配的砂烁混合料,从表面看天然反滤料中细料部分主要为细砂,颗粒偏细,含泥量偏大约为4,渗透系数偏小约为SXlOcm/s,均超出SL251―2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程对反滤料质量指标的要求,不是优良的反滤料,但经过分析计算及反滤试验,该反滤料与防渗土料之间既满足滤土性要求,又满足排水性要求,选用天然反滤料直接上坝是合适的。

  在反滤料设计时不能仅仅依靠SL 251―2000水利水电工程天然建筑材料勘察规程对反滤料质量的要求作为能否使用的标准,重点应该是按SL 274―2001碾压式土石坝设计规范中对反滤料性能的要求,即滤土性和排水性来判断天然反滤料能否使用。

  对于天然沉积不均匀的砂确料,可通过在施工时采用竖向开采、堆放再装车上坝,达到拌和之目的,使填筑到坝面上的天然反滤料级配比较均匀。

  由于天然反滤料较细,在施工程序上应先填筑过渡料后填筑反滤料,并采用人工清理过渡料靠近反滤层侧的界面,以保证过渡料和反滤料之间细颗粒接触。

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