高土石坝关键技术研究

高土石坝关键技术研究靳国厚郭志杰卢湘中国水利水电科学研究院,北京,10044摘　要　为了提高我国200m级高土石坝的设计和施工水平,电力工业部“八五”国家科技攻关课题针对高堆石坝关键技术、混凝土防渗墙材料及接头型式、防渗墙施工、高土石坝抗震、勘测关键技术和高土石坝施工水力学问题等进行了研究,取得了一些重大研究成果。

这些成果对减少工程投资,加快施工进度,保证工程安全有重要意义。

关键词　高土石坝　防渗墙　抗震　勘测技术　施工水力学　攻关课题 随着土石方开挖、运输和压实大型施工机械的发展,修建以当地材料为主的高土石坝已成为国内外坝工建设的一个重要发展趋势。

土石坝对坝址地质条件适应性强,可就地取材,节省三材,在近期建设和拟建的高坝中,土石坝占有很大比例,如天生桥一级面板堆石坝、小浪底心墙堆石坝、洪家渡面板堆石坝和冶勒心墙堆石坝等。

为了高质量地完成高土石坝的设计和建设任务,电力工业部“八五”国家科技攻关项目开展了200m级高土石坝关键技术研究。

通过5年科技攻关,取得了许多重大成果,这些成果已在工程中得到应用,具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

高土石坝关键技术研究成果,已通过国家计委组织的专家验收,总体水平达到国际先进水平。

1　宽级配砾石土作200m级高堆石坝心墙防渗体材料 结合瀑布沟土质心墙堆石坝工程,对黑马料场宽级配砾石土进行了系统的室内和现场试验,从工程性质、填筑标准、渗透与渗透稳定性、施工质量控制等方面进行综合分析,认为只要将黑马料场的砾石土去除大于80mm颗粒后,其分类即可由原来的不良级配砾GP改变为粘土质砾GC,平均级配中小于5m m及0.1mm的颗粒含量分别为50%和22%,渗透系数达10-5cm/s～10-6cm/s,渗透破坏比降在有反滤保护条件下可达100以上,可满足瀑布沟200m级高土石坝心墙防渗土料的要求。

因此,可就地取材,避免了从远距离运料或采用人工掺和料。

研究中发现,渗透系数随压实密度增大而明显减小。

其压实标准可根据室内标准击实试验结果按细料压实度选用,并用三点快速击实法进行现场控制。

还对宽级配砾石土的变形及强度特性、水力劈裂、抗拉强度及断裂韧度、渗透稳定和反滤料设计进行了系统研究,得出了有规律性的成果。

为验证以上成果,还进行了现场碾压试验,得出与室内试验基本相同的结论。

以上成果为解决瀑布沟高坝心墙防渗料问题提供了科学依据,已在瀑布沟工程初步设计中采用。

2　混凝土防渗墙墙体材料本项研究课题研制了高坍落度、高强、低弹的常规混凝土及低强、低弹和中强、低弹的塑性混凝土两种墙体材料,为提高我国防渗墙成墙质量及解决瀑布沟高坝深墙问题提供了技术基础。

高强、低弹混凝土以水泥等无机材料为主,掺用了少量水溶性有机材料配成,其坍落度大于18 cm,28d抗压强度为51.4M Pa,28d弹性模量为21.5×103MPa,弹强比418,还成功地开发了50、45、40、35、30M Pa5个等级的配比供选用。

在冶勒100m深墙一个槽段的试验中试用,效果良好,力学特性与室内试验基本相同。

瀑布沟工程设计中 收稿日期:1997-04-28 本文为国家“八五”科技攻关专题成果33设计施工水　力　发　电已采用这种高强、低弹墙体材料。

在低弹、低强和低弹、中强两种塑性混凝土的配方中掺加膨润土、粘土等材料后,28d的强度和弹模分别为2.9MPa～4.4M Pa和169.2M Pa～217.9MPa,以及9.25M Pa～9.51M Pa和700 M Pa～1000M Pa,渗透系数及弹强比都满足要求。

成果曾在小浪底围堰防渗墙上应用。

此外通过室内三轴试验,研究了塑性混凝土的力学特性和渗透特性,建立了损伤力学模型,提出了相应的设计方法和安全判据。

3　瀑布沟高土质心墙堆石坝应力变形计算及心墙与防渗墙接头型式研究 瀑布沟坝高186m,坝基冲积层最大厚度75.36 m,考虑坝、防渗墙及地基联合作用的计算十分复杂,而坝与墙的连接型式又是防渗体系的关键因素和薄弱环节,对其应力状态和安全有决定性的影响,因而在设计中考虑了通过廊道连接的刚性接头、软接头、空接头及直接插入心墙等4种连接型式。

在分别通过有限元计算、离心模型试验及大比尺土工槽模型试验进行试验和分析论证后,认为插入式方案墙体受力状态简单,墙体应力可不超过30M Pa,其数值比空接头略大,比刚性连接小得多。

由于空接头防渗结构不可靠,软接头施工复杂,填料选择困难,难以满足高水头作用下的防渗要求,推荐采用直接插入的连接型式。

研究成果表明,在墙顶及周围一定范围设置高塑性粘土区,对改善接头部位的应力及变形状况有明显效果。

此外,还通过坝、墙及地基联合作用的有限元计算,论证了插入深度、高塑性土范围等的影响。

这些成果为高土质心墙堆石坝提供了合理的设计参数。

在三维有限元计算中还开发了全弹塑性的数学模型和计算程序。

用离心模型进行深厚覆盖层上高坝的试验在国内外也是首次进行。

4　以冲击反循环钻机为中心的深厚覆盖层中混凝土防渗墙造孔成套技术 CZF系列冲击反循环钻机是在原有冲击钻机的基础上,创造性地解决了双绳同步卷扬机构的关键技术,研制出CZF1200及CZF1500两种新型冲击反循环钻机,既保持了冲击钻机的优点,又能提高工效,适应大规模工程及深墙要求,是适合我国国情的优质高效防渗墙造孔主机。

CZF型冲击反循环钻机的配套机具,包括泥浆循环净化系统、排渣管快速接头、适用于各种地层的不同钻头、砂石泵真空自动启动装置、用于墙段接头孔造孔的液压可张式双反弧钻头等。

其中泥浆循环净化系统可减轻或避免泥浆对环境的污染,有很大的环境效益;液压可张式双反弧钻头解决了过去接头孔造孔速度慢、质量不能保证的问题。

根据主机和配套机具的情况,开发出以钻吸式出渣为主及两钻一抓等槽孔钻凿、泥浆循环、双反弧钻头造接头孔、采用优质膨润土泥浆等一系列施工工艺,与特殊地层钻进及孔内事故处理方法等一起,形成了一套完整的槽孔钻凿工艺,并为以上工艺编制了相应的施工技术规程。

研制成功的CFJ型超声波槽孔检测仪可以一次检测槽深、槽宽、倾斜度、孔底淤积厚度等4项参数,实现了自动测量、数字显示,并自动打印记录,试用结果证明其技术性能良好。

上述机具及工艺已全部转换为生产力,在小浪底、三峡工程、北京地铁等重点工程中应用。

迄今已推广使用冲击反循环钻机30台,累计完成造孔进尺近2.65万m,其工效为老式冲击钻机的2倍～3倍,并为解决三峡二期围堰防渗墙及冶勒水电站100m级深墙造孔问题提供了技术保证。

5　高土石坝抗震研究结合瀑布沟、小浪底等5座200m级高土石坝,进行了坝料和地基土动力工程性质以及动力分析和抗震措施的系统研究。

对粗粒土防渗体材料的动力特性、砂土液化、动力分析方法、地震破坏准则、抗震措施等都有创造性的成果。

在试验室测试技术方面,在大、中型动三轴仪上增加一些附加装置,可以用波速法和局部轴向应变测试法测定小应变范围内的粗粒料动力特性,并试验研究其影响因素,得出应采用优质材料、提高填筑密度、增加土体围压、控制渗流等来减少坝体的地震变形。

通过砂料液化试验研究,认为提高粗料含量,使其具有强透水性,并有良好排水边界,以及采用振动碾将砂料压实到相对密度0.8,是防止砂料液化和变形的两项主要工程措施,并得出各种条件下应力和残余剪应变关系。

防渗体土料在高应力和复杂应力条件下的动强度、抗裂和加筋土动力特性研究表明在围压1.5 M Pa范围内,土的动强度仍保持线性关系;主应力轴偏转、中主应力等因素对动强度有明显影响,并给出了可供设计应用的校正值;土料加筋对抗裂有明显的优越性;并提出了饱和土体的动力广义弹塑34水　力　发　电　1997年第10期性模型及其参数测定方法。

在砂土液化方面,主要研究了砂土结构性以及饱和砂在循环应变和复杂应力状态下的动力特性。

表明原状砂和重塑砂的动力特性有明显的差异,为此提出用原位剪切波速模拟砂土结构性影响,控制室内试验的试样制备,并提出了以循环稳定时的累积孔压或累积应变值不超过允许值作为门槛应变的新概念。

通过对高土石坝动力分析中的几个关键技术问题的研究,开发了可在微机上运行的三维有限元总应力和有效应力静动力分析程序;提出了一套包括抗滑安全系数、震陷量、液化度和断裂准则在内的地震破坏准则;提出和论证了几种高土石坝的切实可行的抗震措施。

通过试验研究和计算分析,论证了瀑布沟高土石坝坝基砂土层在坝体荷载下不会液化及坝体防渗体及大坝不会出现严重地震破坏,但局部裂缝的可能性不能排除的结论。

6　勘测新技术及其综合应用研究紧密结合二滩、锦屏、桐子林、东风等工程,进行了大量试验室及现场试验研究和理论分析,研制了定向取心装置、密度探头、3000系列测井仪、钻孔水位自动观测仪等新设备,形成了砂砾石层取心、地应力测试与分析、高分辨率工程地震勘探、电磁波层析成像、岩石裂隙结构面计算机处理系统、钻孔原位密度测试及自振法测岩土渗透系数和钻孔地下水位长期监测系统等项新技术。

在坝基工程地质、水文地质勘探方面更新了勘测手段,解决了常规勘测手段难以解决的地质问题,提高了勘探速度和测试精度。

在岩体裂隙网络统计和岩体力学参数测定方面,利用数学形态学、分维几何学原理,通过计算机对现场摄录图象进行处理,生成三维岩体裂隙网络,进而进行岩石力学参数的预测。

利用定向取心及钻孔岩心试验室试验进行地应力测试和推算,结果与现场测试相近。

利用技术含量高的工程物探技术,如地震勘探技术及地震波、电磁波层析成像技术等,对岩溶及岩体地质结构勘探的精度和速度有进一步提高。

这些成果具有重要理论意义和实用价值。

7　各种型式内消能工的研究研究了导流洞改建为永久泄洪洞的许多型式。

突扩式空板洞的研究,首次系统量测了各种型式孔板及多级孔板的流场、消能特性、孔板初生空化数及其缩尺影响,为优化多级孔板洞提供了依据;采用消涡环消除孔板角隅空化,不仅可防止孔板空蚀破坏,还增加了孔板的消能效果。

这些研究使我国在孔板洞的布置、体型设计、水力计算及数值计算等方面达到国际先进水平。

研究成果用于小浪底等工程的孔板洞,节省了大量投资,并降低了出口流速,增加了安全性。

旋涡式竖井泄水道研究,针对我国国情解决了大泄量、高落差、大能量的导流洞改建为永久泄洪洞的技术问题,研究证明采用压力短进水口、旋流竖井和导流洞所构成的旋涡式竖井溢洪道在技术上是可行的。

研究提出了进水口旋涡式竖井的优化体型,这种体型使流态稳定、消能可靠、改善了空化特性。

为导流洞的永久利用开拓了一条途径。

涡旋式内消能工有两股水流同时进入消能室,此两股水流系由内旋和外旋引水道分别引入。

这种布置可将巨大能量在短距离内消煞,研究成果表明,从沿程时均压力分布、流速分布、脉动压力、掺气和排气过程及消能方面看,涡旋式内消能工是一种导流洞永久利用的途径之一。