李家粱水库引水拉砂筑坝颗粒级配试验研究

张桂芳

(陕西榆林农业学校,陕西榆林 719000)

李家粱水库引水拉砂筑坝颗粒级配试验研究

张桂芳

(陕西榆林农业学校,陕西榆林 719000)

通过颗粒级配试验方法,阐述了从取样、计算、以及颗粒大小分布曲线绘制的全过程。论证了李家粱水库筑坝材料颗粒级配的总体情况,为工程后期建设方案提供了有力的理论依据。

引水拉砂筑坝;级配不良;颗粒级配试验;李家梁水库

水力冲填筑坝是利用黄土山区沟深坡陡、土场高的地形优势,把水抽上山,送到松动了的土场上,土随水流,边流边冲,滚翻跌落,水土交溶,形成稠泥浆,输送至筑有边埂的坝面上,待泥浆脱水固结,便成均匀密实的坝体。这种筑坝方法群众叫“水坠坝”[1]。它工效高、成本低、质量好、施工简便。

坝体填筑可分为边埂填筑、分畦填筑、坝体水力拉砂填筑、坝体填筑质量检测和坝迎水坡土工膜铺设。在进行坝体水力拉砂填筑时要求先拉分畦坝上游坝段,达到控制高度以后,再进行坝下游段拉砂填筑;每次拉砂平均高度是1 m,拉砂区域高差不能大于30 cm;拉砂时必须将上一层的杂物清理干净;每拉砂一次要把坝体与建筑物连接处碾压夯实;拉砂填筑面表层有积水应及时排除;在排水管排出的水跌差超过5 m时应在坝脚处修建消力池;当拉砂筑坝低洼部积水无法消除或某区域淤泥质较厚时可采用干砂吸水法碾压处理,直到干密度达到设计规范要求即可[2]。可见,保证良好的密实度是筑坝的宗旨,选择良好的颗粒级配是质量的关键。

1 工程概况

李家粱水库位于榆林市西北40 km的孟家湾乡曹家粱村附近圪求河下游,地处毛乌素沙漠边缘。该枢纽是以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合利用的水利工程,也是陕西省“十五”重点建设项目。水库库区大面积覆盖风积沙丘,地形西北高,东南低。水库总库容2 340×104m3,调节库容1 690×104m3,多年平均调节水量3 117×104m3。水库建成后,可新增1 333 hm2灌溉面积。工程由拦河大坝与放水建筑物两部分组成,其中大坝最大坝高25 m,坝顶长876m,坝顶宽8 m,坝底长263 m,坝底宽 172.5 m,下游坝坡为 1∶3、1∶3.5、1∶1.5 三级坡 ,坡面为植物防护;上游坝坡为 1∶3、1∶3.5二级坡,坝坡采用复合土工膜防渗混凝土板护坡。工程于2002年8月开工建设,建设总工期为三年[3]。

2 颗粒级配试验

2.1 试验原因

李家粱水库地理位置特殊,地质条件复杂,水库坝址区有丰富的中、细砂,储量和质量满足水力冲填堆筑砂坝的天然要求,也适合当地深厚细砂层地基的要求,而确保良好的颗粒级配是解决水库渗漏有力保障。

李家粱水库引水拉砂筑坝分为两期,一期为自流引水拉砂,二期为抽水站抽水引水拉砂。一期自流引水拉砂后发现砂子分层现象严重,上层为一层泥,厚度不一,最大可达4 cm,说明坝体砂子颗粒级配上存在问题。对本工程而言,坝体砂子颗粒级配不良可能出现以下问题:①可能诱发不均匀沉陷,并由此产生坝体裂缝,进而出现渗漏引起管涌、流土或坝体水饱和,严重时可引起滑坡甚至溃坝;②泥层相对坝体砂子而言是隔水层,其相对抬高了该坝的浸润线,造成反滤体形同虚设,对大坝安全极为不利,而且泥层易软化、泥化、也可诱发滑坡。原因在于一期自流引水拉砂输砂渠比降小,为了增大输砂渠比降,同时提高施工进度,适当改善坝体砂子颗粒级配状况,将一期自流引水拉砂所拉砂筑为边埂后进行二期抽水站抽水引水拉砂。

2.2 试验取样、筛分及参数计算

入水口桩号为0+307,排水口桩号0+570,所以在坝体取样,桩号分别为0+350、0+450、0+550,第一次试验取上述三处及当前土场试样共四组试样,第二次试验在0+550处取一组,试样重500 g～700 g,按中华人民共和国水利部发布的编号为SL237-1999《土工试验规程》中规定用筛析法进行试验,筛子用国家新标准砂石方孔筛,所取试样筛分结果如表1。

表1 颗粒筛分结果表

级配试验所需要计算的参数见表2、颗粒分布曲线见图1。

表2 颗粒级配试验参数计算表[4]

图1 不同部位颗粒级配图[5]

根据颗粒大小分布曲线图最后得出的参数为不均匀系数Cu和曲率系数Cc。其中不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况,Cu越大表示土粒大小的分布范围越大,颗粒大小越不均匀,其级配越良好,作为填方工程的土料时,粗颗粒的空隙恰好由中颗粒填充,中颗粒的空隙恰好由细颗粒填充,如此逐级填充使颗粒形成最密致的堆积状态,空隙率达到最小值,堆积密度达最大值。曲线系数Cc是累积曲线的分布范围,反映曲线的整体形状,或称反映累积曲线的斜率是否连续。在一般情况下,把Cu≤5的土看作是均粒土,属级配不良;Cu＞5时,称为不均粒土;Cu＞10的土属级配良好。经验证明,当级配连续时,Cc的范围约为1～3;因此当Cc＜1或Cc＞3时,均表示级配线不连续。从工程上看:Cu≥5且Cc=1～3的土,称为级配良好的土;不能同时满足上述两个要求的土,称为级配不良的土。

2.3 试验结果

由于所取试样粒径在0.075 mm以下土质量与总质量比值均小于10%,无需用密度计法或移液管法进行再分析。根据颗粒大小分布曲线图(图1)得出如下结果(见表2)。

第一次试验四组试样均级配不良。原因在于输砂渠宽度(15 m～20 m)与畦埂间宽(40 m～50 m)骤变使水力要素发生变化,主要是比降不变的前提下湿周骤然变大,从而使摩阻力加大,使砂粒过早沉淀,引起颗粒级配不良,也使泥浆稠度降低,减小了输砂能力。这种情况下必须通过改变畦埂宽度,在0+550处采用与输砂渠等宽约20 m进行分畦,进行引水拉砂再试验。第二次试验结果也表明级配不良,但是曲率系数Cc,较上次试验有所改善。

2.4 泥层和乳皮的处理

针对李家粱水库颗粒级配总体不良的实际情况,施工过程中必须采取措施及时解决每次拉砂后坝体内存在的泥层或乳皮,试图用S型迂回冲填来解决该问题。因排水设在坝体下游,入水口改在下游坝体分畦上,在输砂过程中不排水使泥层淤积在上游坝体区,权且称之为“自然冲填心墙引水筑坝法”[6]。此法适用于坝址河道狭窄、土坝低、分畦少的水力冲填均质坝,而本工程坝址河道宽浅,初期筑坝分畦多,对入水口与水流末端位能差要求高,即上游边埂填筑高度要求高给施工带来很大不便而且很不经济,因而采用推土机筑边埂及畦埂的同时对乳皮进行扰动破坏,对小范围内无法破坏或未能破坏的中下游筑坝区,采取高压水枪喷射成砂井,使筑坝区不存在残存孔隙水。其一有利于加快施工进度,无论是扰动破坏区或喷射砂井区均起到了排水减压作用,加快了筑坝区的固结排水速度,使筑坝周期缩短;其二对大坝安全起了积极作用,有效降低了侵润线,大坝渗流观测正常,大坝已达16 m,但在筑坝期间还未出现高逸出渗流点,说明对乳皮或泥层的破坏和喷射砂井成功地降低了侵润线,而且破坏了滑坡面,同时将接触冲刷、接触管涌、接触流土都拒之于工程建设期与管理期之外。

3 结 语

通过对李家梁水库引水拉砂筑坝颗粒级配的反复试验,得出最终结论均为土粒级配不良。根据库区特殊的地质条件以及颗粒级配的具体情况,施工过程中必须采取相应工程措施适当缓解颗粒级配不良的现状,及时处理建设期间出现的各种隐患,提高坝体的密实度。

[1]华东水利学院.水工设计手册(第四卷)[M].北京:水利电力出版社,1984:43-45.

[2]胡再强,陈存礼.粉煤灰坝料水力冲填试验研究[C]//岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集.北京:中国科学技术出版社,2002.

[3]陕西省水利电力勘测设计研究院.李家粱水库枢纽工程初步设计修改报告[R].西安:理工大学出版社,2003:1-60.

[4]南京水利科学研究院.SL237-1999.土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999:43-48.

[5]土肥站.质地颗粒大小分配半对数曲线电脑制作方法及计算[EB/OL].福建农业信息网.(2010-03-19)[2012-06-29].http://www.fjagri.gov.cn/html/hypd/trfl/xzq/2010/03/19/48355.html.

[6]刘志诚,李 鹏.粉煤灰水力冲填筑坝技术室内模拟试验研究[J].水利与建筑工程学报,2003,1(4):52-54.

Research on Grading Test in Water-diversion Sand-pull Dam Building of Lijialiang Reservoir

ZHANG Gui-fang
(Yulin Agricultural School of Shaanxi Province,Yulin,Shaanxi719000,China)

The whole process of sampling,calculation and drawing for particle size distribution curve is elaborated here through grading test.Then,the overall situation about the particle size distribution of lijialiang Reservoir'damming materials is demonstrated in detail,thus to provide a strong theoretical basis for the later construction scheme of the project.

water-diversion sand-pull dam building;poor grading;grading test;Lijialiang Reservoir

TV141+.1

A

1672—1144(2012)05—0184—03

2012-04-25

2012-05-26

张桂芳(1975—),女(汉族),陕西吴堡县人,讲师,主要从事农田水利工程专业教学与科研工作。