黄石沟粘土心墙堆石坝软岩坝壳料填筑碾压试验研究分析

柴巧玲，孟 鹏

（榆林市黄河东线引水工程有限公司,陕西 榆林 719000）

0 引言

堆石坝最早出现于1850年的美国,到了20世纪60年代,随着重型振平碾及薄层压实技术的应用,使堆石坝的应用范围更广,坝壳料也从新鲜坚硬岩石到风化岩及软岩慢慢过渡。但目前我国的大部分堆石坝均采用硬岩筑坝,软岩用做坝壳填筑材料国内也有不少成功的案例,比较有名的有小浪底、糯扎渡、双江口等大坝,但是这几座大坝的软岩均采用分区布置,并没有布置在主堆石区。

为提高堆石料的压实效果,减少后期沉降量,一般应适当加水,且国内目前大部分堆石坝的坝壳料也是采取加水碾压的方式施工的。关于堆石料填筑过程中是否加水碾压,郭庆国[1]对小浪底水库硬岩堆石料在是否加水及加水量值两种情况下岩石质量、结构特性等进行了研究分析,但至今国内鲜有人针对软岩堆石料是否加水及加水量值两种情况下作出研究分析,因此本文针对此问题进行研究是非常有必要的。

1 工程概况

黄石沟沉沙调蓄水库总库容9870万m3；水库枢纽由大坝、溢洪道和放空洞组成,主要建筑物级别为2 级,次要建筑物为3级。

大坝为粘土心墙堆石坝,顶宽15.0 m,坝顶长度596.70 m,最大坝高97.5 m；大坝上游坡比1∶2.2,设一级马道；下游坡比1∶1.8,设两级马道,马道均宽3.0 m。心墙轴线在坝轴线上游3.0 m处,心墙顶宽8.0 m,底宽55.5 m,两侧坡比均为1∶0.25,心墙底部设0.5 m厚的混凝土盖板；心墙上下游与堆石间依次设两级反滤料及过渡料,水平宽度分别为3 m、3 m、5 m,其中下游堆石区采用部分开挖料。坝体上游采用60 cm厚的干砌石护坡,坝体下游采用12 cm厚的混凝土预制块护坡。

本坝堆石料主要为砂岩、泥岩、泥质页岩、粉砂质泥岩。据试验成果,中细粒砂岩干密度2.14 g/cm3～2.34 g/cm3,平均值2.20 g/cm3；饱和抗压强度19.00 MPa～28.35 MPa,平均值23.33 MPa；冻融质量损失率0～0.08%,平均值0.04%,软化系数0.15～0.52,平均值0.33。粉砂岩干密度2.18 g/cm3～2.45 g/cm3,平均值2.34 g/cm3；饱和抗压强度20.10 MPa～45.35 MPa,平均值32.04 MPa；冻融质量损失率小于1%,软化系数0.31～0.52,平均值0.41。属于软岩筑坝。

2 堆石料加水原因

2.1 填筑加水的目的

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2020）的规定：“堆石料碾压时宜加水,加水量宜通过碾压试验确定。对于软化系数较高的硬岩堆石,应通过碾压试验确定是否加水”。堆石料加水的主要作用,除在颗粒间起润滑作用以便于压实外,更重要的是软化石块接触点,在施工期间造成石块尖角和边棱破坏,使堆石体更为密实,以减少坝体后期沉降量。

2.2 堆石料加水碾压发展历程

查阅《水利水电工程施工手册》,书中对软岩加水碾压问题作以下描述：对于软岩及风化岩石,其填筑含水量必须大于湿陷含水量,最好充分加水,但应视其天然含水量及降水情况而定。如加水碾压将引起泥化现象时,其加水量应通过试验确定。堆石加水量依其岩性、风化程度而异,一般约为填筑量的10%～25%。

郭庆国[1]总结了小浪底水库硬岩堆石料在是否加水及加水量值两种情况下岩石质量、结构特性等进行了研究分析,认为小浪底坝上游坝壳堆石料为硅质细砂岩,平均饱和抗压强度为189 MPa,饱和吸水率平均值为0.185%,软化系数0.83,为极硬岩。曾进行两次加水与不加水的碾压对比试验,结果表明,堆石料在填筑中加水量50%左右,比不加水时干密度增加0.006%、0.013%,影响甚微。经过综合比较,采用不加水方法。

3 大坝堆石料碾压试验对比分析

根据设计单位提供的《大坝坝体填筑料现场碾压试验要求》,进行了一次不加水与两次加水碾压试验,三次试验选用的石料均为20 MPa～30 MPa软岩。

依据《大坝坝体填筑料现场碾压试验要求》,填筑料质量压实指标见表1。

表1 填筑料设计压实指标及技术参数

3.1 试验内容

三次试验均在1#弃渣场渣顶高程1020 m平台进行。每块试验场地尺寸约为40 m×40 m。碾压设备选用26 t振动平碾,碾压遍数为2遍静碾+10遍振动碾,堆石料选定108 cm铺料厚度,根据《大坝坝体填筑料现场碾压试验要求》,加水量选用5%、8%及11%三种进行对比试验,其中第一次加水方式采用洒水车在对已铺筑填筑料进行洒水,第二次利用“门型加水装置”对每车石料进行均匀洒水,加至规定水量后停止。

按2 m×2 m的方格网,测量各网点铺料前、后及加水或不加水碾压后高程,用试坑灌水法测各块堆石压实后密度,用筛分法测颗粒级配等资料,测试结果见表2。

表2 堆石料加水与不加水压实变形碾压对比试验成果分析表

3.2 试验成果对比分析

3.2.1 压实变形方面比较

由表1可以看出,实测20个点,不加水试验沉降变形值为7.9 cm。第二次试验在坝面加水时,5%、8%、11%三种加水率情况下,沉降变形值分别为9 cm、9.8 cm、8.2 cm；第三次试验在料车上加水时,5%、8%、11%三种加水率情况下,沉降变形值分别为8.5 cm、9 cm、9.3 cm。

试验结果表明,加水对软岩的压实效果有明显作用,更易压实,加水后沉降变形值明显增加,但并不是加水量越大,碾压效果就会越好,适量的加水是可以起到积极作用,便于压实,但是过量的加水并不能起到更好的作用。

3.2.2 设计指标方面比较

由表3 可以看出,加水后＜5 mm粒径含量明显增加,虽然孔隙率变化不大,但是渗透系数明显降低,以致不满足设计要求,因此加水后对软岩压实产生了较大影响。

表3 堆石料加水与不加水设计指标碾压对比试验成果分析表

从以上两个分析表中我们可以看出：加水确实对软岩的压实效果起到明显作用,更易压实。但是在坝面上加水或者是料车上加水,级配组成、渗透系数及孔隙率变化均不大,说明软岩对是否加水有一定敏感,但是加过量水容易造成浪费,并未起到明显作用；当在料车上加水时,由于损耗严重、不易控制,且容易造成环境污染,无法准确计算出加水量值,因此参考意义不大。

4 结语

综上所述,我们对粘土心墙堆石坝坝壳料加水碾压上有些片面的认识,尤其要区分硬岩和软岩。具体观点如下：

1）针对硬岩,堆石料加水可以在颗粒间起润滑作用,便于压实外,能减少坝体后期沉降量。但是软岩本身容易压实,尤其是介于20 MPa～30 MPa的砂岩,软化系数仅为0.15～0.52,在26 t碾压设备2遍静碾+10遍振动碾时,孔隙率、渗透系数、级配组成等指标值均满足设计要求,加水后,由于软化了接触点,所以压实更密,造成＜5 mm粒径含量级配及渗透系数反而不满足设计要求。

2）对于软岩,在坝面加水,推平的过程中,由于部分岩石已被压碎,水很难渗入到下层；在料车加水时,当加水量超过一定限度后,超过限度的部分水并未起作用,而是白白地渗流掉了,且渗入比较及时,但是渗漏严重,能软化岩石接触面,因此料车加水比坝面加水更易碾压,碾压后渗透系数更小,但漏损严重不经济,且污染环境,建议采用坝面加水会更容易控制加水量。

3）坚硬岩石的开挖料,新鲜,坚硬,强度高,透水性强,碾压和浸水对颗粒性质基本不变,不需加水填筑。软弱岩石的开挖料,压实中颗粒破碎,浸水后软化崩解,性质变异,需加水填筑。凡是吸水率＞2%、软化系数＜0.7～0.8,饱和无侧限抗压强度＜30 MPa的岩石,属软弱岩石类,抗压强度低,开采中及压实后细颗粒多,透水性低,颗粒易碎,受水的影响较为敏感,故填筑中应考虑加水,尤其是软化系数＜0.1～0.6的软岩,更重视加水问题,其加水量宜通过软岩筑坝专题试验报告确定。

鉴于此,对于软岩筑坝的堆石坝,由于软岩有遇水软化、崩解、失水干裂的特性,填筑中经机械碾压颗粒有被压碎的特点等,皆使颗粒由大变小,由粗变细,由强透水性变为弱透水性,颗粒组成和物理力学性质皆发生变化,它既没有坚固性、稳定性,更没有耐久性,因此在碾压过程中应充分考虑加水问题,而且最好在坝面通过洒水车洒水的方式进行,加水以润湿石料为原则,减少内摩擦角,以达到最大压实度,减少后期沉降量,如果通过碾压试验能让其喷洒水强度与渗透强度相同,则碾压效果最好,从而保证大坝稳定运行。