新疆恰甫其海工程粘土心墙坝防渗体土料施工特性精.docx
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新疆恰甫其海工程粘土心墙坝防渗体土料施工特性精.docx
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新疆恰甫其海工程粘土心墙坝防渗体土料施工特性精
2013年第6期
新疆恰甫其海工程粘土心墙坝防渗体土料施工特性
李旨强
[摘要]新疆恰甫其海水利枢纽工程拦河建筑物为粘土心墙坝,文中通过土料的料场复查、碾压试验,总结出了所用土料的施工特性。
在施工过程中,采用了与施工特性相适应的施工方法,起到了很好的质量控制效果。
[关键词]粘土心墙坝;土料;料场复查;碾压试验;施工特性[中图分类号]TV641.2+5
[文献标识码]A
[文章编号]1002-0624(201306-0014-04
(新疆水利水电工程建设监理中心,新疆乌鲁木齐830000
1工程概况
新疆恰甫其海水利枢纽工程是以灌溉为主,兼有发电防洪等综合利用功能的大(I型一等工程,水库总库容17.70亿m3,
控制灌溉面34.95万hm2,电站总装机容量320万kW。
拦河大坝为粘土心墙坝,最大坝高108m,坝顶长362m,
坝顶宽度12m,心墙底宽67.8m,大坝上游坡比1∶2.5,
下游坡比1∶1.7。
土料场分为T1-1土料场和T3-1土料场。
T1-1土料场位于小吉尔格尕朗河左岸五(V级阶地前缘,距坝址约4.0km;T3-1土料场位于小吉尔格尕朗河左岸三(III级阶地前缘斜坡上,距坝址约3.5km。
土料主要由第四系上更新统风积物组成。
2防渗体土料的特性试验
2.1料场勘察2.1.1T1-1土料
通过颗粒分析试验及流塑限试验,定名为低液限粉土~低液限粘土。
具体物理力学性能检测情况如表1所示。
2.1.2T3-1土料
具体物理力学性能检测情况如表2所示。
2.2料场复查
用标准击实试验测定土料最大干密度与其对应的最优含水率。
按土的塑性图分类,两料场土料绝大部分为低液限粘土,个别探井的土料为低液限粉土。
T1-1,T3-1土料的基本物理性质见表3、图1,物理力学性能见表4。
2.3碾压试验2.3.1碾压试验概况
T1-1料场的土料为填筑心墙的主要料源,碾压试验选用主料场T1-1的土料,试验用土料与料场复查土样资料相比,两者基本是一致的,碾压试验采用的土料是反映T1-1土料场土料性质的。
2.3.2试验组合及碾压机具的选择
设计技术要求:
“心墙防渗土料应以最优含水率压实,含水率偏差范围为-2%~+3%,要求压实度P=1。
”在标准击实功能下T1-1土料的平均最优含水量为15.4%,允许含水率偏差为-2%~+3%,故碾压试验控制含水率应为:
13.4%~18.4%。
在碾压试验前,
进行了标准击实和重型击实的对比试验,来论证最优含水率与击实功能的关系,具体结果见表5、图2。
从以上论证结果及以往工程经验来看,最优含水量的变化随击实功能的增加而降低。
而碾压机具的压实功能大
表1T1-1土料物理力学性能检测表注:
1本文中“标准击实”击实功能为592.2kJ/m3,“重型击实”击实功能为2684.9kJ/m3;2力学性试验以0.98压实度作为控制密度,在最优含水状态和饱和状态下分别进行。
试验项目最小值最大值说明
粘粒含量/%13.021.0胶粒含量/%4.512最优含水量/%11.313.4重型击实试验
最优
含水状态下内摩擦角/°3134凝聚力/kPa6090压缩系数/MPa-1
0.070.095属低压缩性土饱和状态下
内摩擦角/°2831凝聚力/kPa3365压缩系数/MPa-1
0.080.12属低~中压缩性土渗透系数/cm·sec-16.17×10-74.32×10-6
易溶盐含量/g·kg-12.925.2中溶盐含量/g·kg-12.132.9有机质含量/g·kg-1
2.6
4.0
工程施工
·14·
DOI:
10.14124/ki.dbslsd22-1097.2013.06.023
2013年第6期
东北水利水电
表4T1-1,T3-1土料的物理力学性能检测表图1料场土料级配曲线图
上线平均级配:
Cu=11.43=1.80
下线
0.010.11
10
0.001
颗粒粒径/mm100
9080706050403020100上线
平均级配:
Cu=11.43下线
0.010.1
1
100.001
颗粒粒径/mm1009080706050403020100小于某粒径百分数/%
表3T1-1,T3-1土料基本物理性质表
试验项目最小值最大值说明
最大干密度/g·cm-3
1.851.93最优含水量/%10.912.5重型击实试验
最优
含水状态下内摩擦角/°3035凝聚力/kPa62111压缩系数/MPa-1
0.050.09属低压缩性土饱和状态下
内摩擦角/°2532凝聚力/kPa2395压缩系数/MPa-1
0.0750.14属低~中压缩性土渗透系数/cm·sec-11.6×10-7
7.4×10-6
易溶盐含量/g·kg
-1
0.28.2中溶盐含量/g·kg-10.913.2有机质含量/g·kg-1
2.2
7.6
表2T3-1土料物理力学性能检测表
注:
力学性试验以0.98压实度作为控制密度,在最优含水状态和饱和状态下分别进行。
于标准击实功能,所以在土料含水量的选择上,取最优含水量的干侧,铺料厚度和碾压遍数的选择根据以往施工经验而定。
选择了含水量11%,13%,15%,17%,铺料厚度25cm,30cm,35cm,碾压遍数6遍、8遍、10遍三者的参数进行组合、试验。
根据长期的施工经验和室内实验结果,结合投入设备
的组合,确定了土料施工工艺流程为:
17t自卸车运输进占法铺料,220hPa推土机平料,16t振动凸块碾碾压,碾压方法为前后错距法,然后取样、刨毛洒水。
碾压速度为2.5km/h,
振动油门为中油门。
2.3.3试验过程及工艺的调整
土料碾压试验共进行3次,试验目的:
确定含水量、铺料厚度、
碾压遍数等施工参数外,对碾压机具、土料压实情况、层间结合情况、及刨毛深度等工艺是否可行进行验证。
第一次试验分两层共36+9个组合进行,通过第一次试验基本确定了施工含水率、铺料厚度和碾压遍数的合理组合。
当含水率低于12%时,
压实干密度较低,无法满足设计指标;当含水率高于15%时,土料中易出现弹簧土和剪切破坏现象,所以施工含水率范围宜定为12.5%~14.5%。
铺
料厚度为25~30cm,振动碾压遍数为10遍。
含水率与压实干密度的关系见图3,含水率、碾压遍数、干密度之间的关系见图4。
在取样检查中发现,土料碾压后存在以下问题:
1由于土料粘粒含量低,凸块碾压实后表面有一层11~13cm厚的松土层,土料的有效压实厚度太薄,不利于机械的合理利用,对施工进度影响很大;2土层结合部位压实密度较低,无法达到设计指标,渗透系数偏大;3土层中自然层面、光面较多;4
凸块碾碾压面不刨毛则在结合面的凸块(aT1-1料场
(bT3-1料场
土料
最优含水状态下
饱和状态下
渗透系数/cm·sec-1
内摩擦角/°凝聚力/kPa压缩模量/MPa压缩系数/MPa-1内摩擦角/°凝聚力/kPa压缩模量/kPa压缩系数/MPa-1T1-1最小值30.025.017.580.0826.015.013.750.092.17×10-6最大值
32.863.019.160.0931.061.017.370.110.1.24×10-6平均值31.151.218.520.08329.232.416.030.0975.59×10-6T3-1最小值27.130.016.820.0725.224.016.520.081.74×10-6最大值
35.075.021.490.0929.560.018.890.098.64×10-6平均值
30.6
54.3
19.15
0.08
27.2
44.0
17.43
0.087
4.76×10-6
项目ρdmin/g·cm-3ρdmax/g·cm-3
d
/g·cm-3ωmin
/%ωmax/%ω
/%标准击实1.751.791.7714.81615.40重型击实
1.83
1.92
1.88
11.2
14
12.48
20
1.60
1.651.701.75
1.80
1.851.90
1.95
2019181716151413121110987轻型击实曲线重型击实曲线干密度/g·cm-3
含水率/%土料
液限/%塑限
/%
比重
粘粒含量/%不均匀系数曲率系数
最优含水率/%最大
干密度
/g·cm-3T1-1最大值27.817.02.72223.525.503.2017.01.83最小值25.314.42.705
14.27.341.4614.01.73平均值26.515.72.713
18.1
13.942.1815.21.77T3-1最大值27.317.32.71924.5030.003.1316.11.83最小值23.112.32.70119.00
10.220.9713.01.71平均值25.415.12.71121.6719.621.91
14.8
1.78
表5标准击实与重型击实结果对比表
图2T1-1土料标准击与重型击实对比曲线
工程施工
·15·
2013年第6期
▲▲
▲▲▲▲1.9019
18
17
16151413
12111020
1.881.861.841.821.801.781.761.741.721.70含水率W/%
干密度ρd/g·cm-3
配置含水率W=11%区数据配置含水率W=13%区数据配置含水率W=15%区数据配置含水率W=17%区数据
干密度ρd/g·cm-3
14含水率W/%
17
16
1518
13
12
11
10
1.85
1.841.831.821.811.801.791.781.77n3=10
n2=8
n1=6
底部有虚土存在,若刨毛深度要达到13cm才能起作用,既不合理,也不经济。
针对以上问题调整碾压机具进行了第二次试验,采用16t凸块碾先振碾8遍,
然后用平碾封面碾压2遍的工艺。
平碾选用了16t振动平碾静压和14t气胎碾两种,目的在于消除表面松土层,提高结合部位的压实密度,减小刨毛深度,增加土料有效的压实厚度。
从试验结果来看16t振动平碾为刚性体,静碾后土料表层产生明显的破坏,该机械组合不可取;14t气胎碾碾压效果较好,但第一层与第二层土料结合部位的压实密度略低,同时土层中的层面、光面未得到消除。
随之对机具组合和碾压方法组合进行了研究和调整,根据土料的成因和矿物组成分析,该土料中主要成土矿物质,形状呈片状,成土的地质年代较短,气候干燥,片状相对要大些。
在碾压试验中,只用凸块碾振碾,片状的矿物在激振力的作用下,容易成为水平向的排列,故往往出现自然状的水平向层面。
相反,先用凸块振动碾静压,片状的矿物在静力作用下,相互拥挤,成水平向排列的现象相对要少,再振动碾压,自然层面就会少些。
试验表明,先静碾再振碾,不仅土层上、下部压实效果好,而且自然层面少于只振碾的方法。
在研究中,曾设想,恢复80年代羊脚碾与气胎碾联合碾压的组合方式。
但根据施工实践和对碾压机具工况分析,凸块碾质量较羊脚碾大,压强比羊脚碾大;目前国内外普遍淘汰了羊脚碾,采用凸块碾静碾优于羊脚碾。
所以决定用凸块碾先静压、再振压,然后用气胎碾碾压收面的方法进行第三次试验,试验机具和碾压方式组合采用了16t凸块碾先静压4遍再振压6遍然后用气胎碾碾压2遍收面的方法。
从试验结果和探坑检查情况来看,结合部位压实干密度满足设计要求,渗透系数符合要求,层面比以前试验明显减少,无明显的光面出现,基本解决了以前
土料试验中存在的问题。
3次试验成果见表6。
表6铺料厚度30、碾压10遍含水量13%±1%
条件下3次试验结果汇总
3防渗体土料施工特性分析
3.1土料基本特性
土料为低液限粉土~低液限粘土,标准击实功能测得的土料最大干密度为控制密度,测定两料场土料的压缩和渗透性能。
T1-1土料场的土料,属低~中压缩性土,T3-1土料场的土料,则属低压缩性土;土料的渗透系数均小于1×10-5cm/s。
通过对土样采用蒸馏水和河水进行针孔试验、土块试验等结果,该土样采用分散性综合评价应为非分散性土。
3.2土料的施工特性及施工参数的确定3.2.1土料的施工特性
1
土料采用重型击实仪进行试验,该土料在低含水率下有较高的压实性,干密度可达1.85g/cm3以上;与标准击实仪结果比较,干密度可提高8%,说明该土随击实击数的增加,最大干密度增大而最优含水量减小,土样有较高的强度,较低的压缩性及渗透性能。
2
土料适于碾压机械施工的含水率在标准击实试验的干侧,并且适宜范围较窄,在12.5%~13.5%。
3
土料通过标准击实与重型击实,及标准击实与碾压机械压实土层的对比观察发现:
在过大的击实功能下,容易产生层间或层内层面。
4
土料在碾压机械碾压后,有较高的强度,适应坝体变形的能力较低,故需含水率控制在合适的范围,保证土的可塑性,使土料能够适应坝体变形。
5
渗透临界比降值偏低,略低于一般粘性土。
使土料的抗冲蚀能力低于粘性土。
反滤层的防护是保护好渗流出口,提高土料的抗冲能力,有效地防止渗流破坏的最有效最直接的措施。
根据土料及反滤料的特性进行了关于渗流破坏的试验研究,其实际情况结论如下:
①对防渗土料在无反滤层保护下的渗透破坏试验,土层厚8cm,出口反滤为20~40mm砾石,它的破坏比降为60。
②防渗土料在反滤层保护下的渗透试验,
试验密度控制为1.75g/cm3,土层厚为20cm时,作用水力比降为80,渗流4个月之久,试样无渗透破坏痕迹,若施工时采用低
试验设计指标ρd/g·cm-3上部ρd/g·cm-3结合部位ρd/g·cm-3压实厚度/cm刨毛深度/cm光面、层面结合部位渗透系数K20碾压组合第一次1.751.821.68315.613较多3.55×10-516t凸块碾10遍第二次
1.75
1.81
1.743
24
3~5
较多
8×10-6
16t凸块碾8遍+
14t气胎碾第三次1.751.811.768233~51个2.28×10-6
16t凸块碾静压4遍+16t凸块碾振碾4遍+18t气胎碾2遍
图3防渗体土料碾压试验干密度与含水率关系图
(N=10遍,h=30cm
图4铺土厚度30cm含水量、碾压遍数与干密度关系曲线
工程施工
·16·
2013年第6期
东北水利水电[收稿日期]2012-12-17
含水压实提高干密度,抗渗比降还可以提高。
③假定防渗体产生裂缝进行室内模拟试验,采用渗变仪准30cm测试,在土样内设宽5mm、长18cm、高30cm一条狭缝渗流通道,作用水头40.0kPa下渗流,10min在内峡缝处很快湿化崩解愈合,细颗粒很快充填反滤层孔隙空间,提高水头至1200cm,渗透系数仍保持有n×10-5cm/sec。
说明该土料产生裂缝自愈性能较好,在高水头作用下也有较好的抗冲蚀性能。
3.2.2施工参数的确定
1
心墙土料的压实采用16t拖式振动凸块碾,行驶速度2~5km/h
(1档中油门。
先静碾4遍后,再以相同的行驶速度振动碾压6~8遍,平行碾压方向搭接宽度为1/10碾筒长度(20cm;再用25~30t气胎碾以2~5km/h的行驶速度碾压2遍,
以消除凸块碾碾压所形成的松土层。
2土料含水率不小于12%,控制在最优含水率的干侧碾压。
3
铺土厚度30cm左右,进占法卸料。
4
铺土前,对下一层压实土表面先刨毛洒水,再用17t自卸汽车进占法上土,220HP推土机摊铺。
5
上、下游反滤料与心墙土料填筑方法,采用“先砂后土”
法,每填两层土,用16t光面振动碾骑缝振碾4~6遍,保证心墙填筑断面尺寸符合设计要求,土砂结合部位密实。
3.3施工参数的调整
3.3.1土料的制备及上坝前后的施工过程
土料制备采用高坡溜土,人工洒水,堆土牛的制备工艺。
土牛高度15m;土料含水率控制范围12.5%~13.5%,小于最优含水率1%~2%;接触性土料含水率14%。
粘土心墙坝工程土料对水敏感,土料施工含水范围窄小,为满足土料填筑要求,开采时利用推土机积料,按不同季节、温度、湿度、气象条件对土料进行二次制备堆存使用。
上坝前,由专人负责对土料的含水率进行检测,符合要求方可。
采用装载机立面开采,15t自卸车水平运输上坝。
心墙土料填筑分为3个阶段:
895~921m高程用“自卸车+皮带机”运输土料上坝,土料主要是采用皮带机系统将土料从围堰后930m平台垂直运输至心墙基坑。
921~955m从上游围堰930m平台修一条施工道路至上游的砂砾石区,采用自卸车直接上坝。
955~985m从上游围堰度汛955m断面起坡,至985m高程贴上游坡修一条施工道路,采用自卸车直接上坝。
985m高程以上土料从下游制备场取料,采用自卸车直接上坝。
3.3.2施工过程参数的调整
2004年5月28日,在粘土心墙施工的联合检测过程中,发现每铺土层之间存在结合面结合不良的现象。
分析主要原因:
施工单位购置了1台新16t拖式凸块碾,据有关资料显示,新凸块碾的中油门相当于旧凸块碾的中高油
门。
同等油门下,无形地增加了其碾压的激振力所造成。
土料本身的特性不易改变,为了解决此问题,只能从施工参数上进行调整解决。
在施工现场选择了几种组合做了小区域施工参数改进试验。
具体选用组合及质量检测情况见表7所示。
表7试验性生产情况汇总表
注:
采用新16t拖式凸块碾,铺料厚度均为新铺土厚度,干容重均能达到设计要求的1.75g/cm3。
通过4种组合试验对比分析决定:
将原来的心墙土料施工参数改进为第4种组合的施工参数。
通过改进后的心墙土料联合检测发现层间结合得到改善。
3.3.3施工质量检测
1
心墙土料填筑取样4166组,干密度最大值1.88g/cm3、最小值1.75g/cm3、平均值1.79g/cm3、标准差0.02、离差系数0.01,干密度离差系数小于0.1,强度保证率98.3%,均满足要求。
2
填筑土料的颗粒级配如图5所示。
图5心墙土样联合检测颗粒分析曲线
通过土样的颗粒级配曲线看出:
整个粘土心墙填筑过程土料级配的变化不大,施工控制情况良好。
[参考文献]
[1]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].[2]SDJ213-83,碾压式土石坝施工规范[S].[3]SL237-1999,土工试验规程[S].
[4]新疆伊犁恰甫其海水利枢纽工程筑坝料试验报告(施
工阶段、优选勘察[R].
[5]新疆恰甫其海工程土料场复查报告[R].[6]新疆恰甫其海工程土料碾压试验报告[R].
组合
编号结面面处理铺料厚度
/cm行驶速度
碾压参数
层间结合效果
1封面、刨毛352~5km/h
(1档中油门静4振6层间结合较好2不封面、不刨毛35静4振6
层间有4~5cm
剪切破坏层3不封面、不刨毛302~5km/h(凸块碾转速1800~
1900r/min静4振84
不封面、刨毛
30
静4振8
层间结合良好
粒径d/mm
小于某粒径之总土重百分数/%
工程施工
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No.62013(TotalNo.347WaterResources&HydropowerofNortheast
Reliabilityanalysisofstabilityofearthdamslope
ZOUQiao-qiao
[Abstract]Basedonthelimitbalancetheoryandtheconventionalsafetycoefficient,thelimitperformancefunctionisbuiltedtoanalyzethereliabilityofearthdamslopestabilitywithfirstordersecondmomentmethod.TakingthestrengtheningandeliminatingdangersprojectofQinghereservoirforexample,thepaperdiscussestheinfluenceofsoilrandomvariablemeananditsvariationcoefficientonstabilityindexes,drawstheconclusionthatthestabilityevaluationforearthdamslopeusingfixedvaluesafetycoefficientcombinedwithstabilityindexesismoreaccurateandreasonable.
[Keywords]earthdam;damslope;reliability;analysis
Applicationofwellpointdewateringmethod
inwaterdistributingstationconstruction
WANGLi-m
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- 新疆 工程 粘土 心墙坝 防渗 体土料 施工 特性