南告大坝浆砌石容重测定方法探讨.pdf

415 南告大坝浆砌石容重测定方法探讨 南告大坝浆砌石容重测定方法探讨 叶合欣 赖翼峰 广东省水利水电科学研究院 广州 510610 摘 要 摘 要 浆砌石大坝材料容重取值的准确性对于大坝设计复核具有重要的意义 规范建议取值及一些现场试验法 均不适合运行中的大坝 本文以南告大坝为例 探讨了基于钻孔的浆砌石容重测定方法 结果表明是合理的 关键词 关键词 砌石坝 容重 钻孔 浆砌石大坝材料容重取值的准确性对于大坝设计复核具有重要的意义 目前容重的取值方法 可归纳为二种 一是按规范建议范围取值 二是现场测定 虽然文献 1 中有建议取值 但仅局限 于施工期 大坝经过几十年的运行 在地下水长期作用下 坝体材料受到不同程度的溶蚀 特别 是当坝体材料 如砂浆 存在相互连通的蜂窝 孔洞等缺陷时 会形成集中渗漏通道 2 渗漏水 的侵蚀作用将 2 OHCa溶出 对坝体材料造成极大的破坏 从而导致砂浆内部结构变得酥松多 孔 强度降低 这种状况反过来进一步加剧渗漏通道的扩张 其破坏作用也将加大 最后导致砂 浆的溃散 因此浆砌石容重与施工期相比 发生了较大变化 不能直接按规范取值 浆砌石容重 的现场测定方法可采用灌砂法 3 4 需开挖一定体积的浆砌石 这对于运行中的坝体是不允许的 尤其当按深度分别测定时 而通过钻孔来测定则较为方便 但对岩芯采取率及岩芯完整程度要求 较高 本文以南告大坝为例 探讨基于钻孔的浆砌石容重测定方法 1 工程概况 1 工程概况 南告水电枢纽位于广东省陆河县境内的螺河支流均前溪中游 是一座以发电为主 兼顾防洪 的水电站工程 水电站采用混合开发方式 主要水工建筑物由长 240m 最大坝高 78m 的浆砌石重 力坝 长 3 12km 圆形直径 3 00m 的引水隧洞 高 65 00m 的简单式顶部溢流调压井 长 886 91m 的高压引水明钢管及地面发电厂房等组成 工程于 1974 年 11 月动工 1981 年 8 月开始蓄水 2003 年大坝通过了第二次安全定检 被评为正常坝 但需进行大坝防渗加固工作 根据设计单位要求 在坝体补充钻孔进行浆砌石材料容重的检测 2 钻探情况及材料透水性 2 钻探情况及材料透水性 在廊道共布置 4 个钻孔 ZK9 ZK10 ZK17 ZK18 作为浆砌石材料的补充检测孔 采用双套 单动压卡式钻具取芯 取芯率在 70 以上 浆砌石 由灰色砂浆及花岗岩块石组成 岩芯较破碎 多块状 短柱状 少量柱状 砂浆欠 密实 完整性较差 表面粗糙 有气孔及蜂窝 局部见溶蚀现象 块石质坚 较完整 块石与砂 浆胶结一般较差 多分离 其中 ZK9 ZK10 浆砌石属 100 岩芯质量较好 砂浆与块石胶结较牢 呈柱状 长柱状 钻进时孔口有回水 ZK17 ZK18 浆砌石属 50 质量较差 ZK18 孔尤为突出 几乎无一块完整砂浆 两孔钻进时孔口均无回水 注水试验表明 100 浆砌石 ZK9 ZK10 渗透系数 K i 10 3 cm s 平均 2 10 10 3cm s 50 浆砌石 ZK17 ZK18 渗透系数 K 4 42 10 3 1 76 10 1cm s 平均 5 30 10 2cm s 由此 可见 浆砌石材料的透水性与卵砾石等散粒体无异 5 6 3 坝体浆砌石容重现场测定方法 7 3 坝体浆砌石容重现场测定方法 7 通过钻孔来测定容重可与其它检测项目相配合 一举多得 节省了工作量 操作也较为方便 但无法确定的因素如孔隙度 块石与砂浆材料在钻探进程中的磨损度等 很难量化 因此 坝体 416 浆砌石材料容重的测定一直困扰着工程人员 文献 8 曾提出一种方法 这种方法的核心是其基本 假设 在钻探过程中浆砌石磨损率取 2 砂浆磨损率取 10 这种假设与岩芯完整程度有关 也 与浆砌石质量本身有关 但尚缺乏理论支持 当浆砌石质量相差较大时 这种方法处理的数据结 果很离散 特别是当砂浆磨损严重时 计算结果明显偏小 采用这种方法处理的本次检测数据结 果为 50 浆砌石 1 369 1 779t m 3 100 的 1 683 1 771t m 3 显然容重过小 因此有 必要寻求另外途径来解决这一工程实际问题 以下根据浆砌石体材料特性 结合现场钻探情况 引入了取芯率的概念 提出了另外两种检测容重的方法 分析表明结果较为可靠 1 方法一 假设浆砌石体系均质体 在双套钻具抽芯过程中材料磨损均匀 用取芯率修正现场实测数据 再考虑块石与砂浆之间的不规则磨损 如崩落 掉块等 这一指标用综合磨损率 m 来反映 首 先现场分箱测量岩芯质量 m t 及直径 D m 3 直径的测量按下述方式进行 每箱岩芯按深度随机 测量三处直径 每处读数三次 然后取均值作为该箱的平均直径 这样 每箱岩芯天然容重可按 下式计算 4 2 iii i i Dl m 各孔浆砌石天然容重为 im ii l l 1 式中 m 综合磨损率 取 2 i 第i箱岩芯天然容重 t m 3 i m 第i箱岩芯质量 t 现场测定 i D 第i箱岩芯平均直径 m 现场测定 i 第i箱岩芯平均取芯率 现场测定 i l 第i箱岩芯长度 m 现场测定 检测结果汇于表 1 中 2 方法二 由于块石系弱 微风化花岗岩 质坚 砂浆相对较软 在抽芯过程中砂浆受到磨损程度最为严 重 假设块石磨损可忽略不计 取芯率的高低完全反映砂浆沿深度磨损程度的轻重 同样考虑块 石与砂浆之间的不规则磨损 仍按 2 的综合磨损率计 这样 每箱浆砌石岩芯的容重可按以下式 子计算 总 实总 实 V m m 1 式中 实 浆砌石实际容重 t m 3 417 实总 m 浆砌石实际总质量 t 总 V 浆砌石总体积 m 3 可用现场测定的直径 D 计算 每箱浆砌石实际总质量由两部分组成 实砂石实总 mmm 式中 石 m 块石质量 t 现场测定 实砂 m 砂浆实际质量 t 砂浆实际质量应考虑取芯率 的高低 可按下式计算 砂 砂 测砂 总砂实砂实砂 1 m VVm 式中 实砂 V 砂浆实际体积 m 3 与取芯率有关 测砂 m 现场测定的砂浆质量 t 取芯率 砂 砂浆容重 t m 3 室内测定 将浆砌石容重按每箱岩芯长度加权平均 然后按孔平均 计算结果如表 1 表 1 浆砌石容重现场测定表 t m 3 指标 方法一 方法二 平均 标号 钻孔 天然 饱和 天然 饱和 天然 饱和 50 ZK17 ZK18 2 224 2 261 2 126 2 161 2 175 2 211 100 ZK9 ZK10 2 250 2 299 2 202 2 250 2 226 2 275 3 与现场测定的天然容重相对应的饱和容重 sat 的计算 与现场测定的天然容重相对应的饱和容重 sat 可按下式计算 以方法二为例 总 砂实砂石石 V VV satsat sat 石总实砂 VVV 式中 石 V 块石体积 m 3 sat 石 块石饱和容重 室内测定 t m 3 418 实砂 V 砂浆实际体积 m 3 sat 砂 砂浆饱和容重 室内测定 t m 3 根据方法一 二的天然容重之间的关系 可换算出与方法一天然容重相对应的饱和容重 详 见表 1 从以上两种方法的基本假设及数据处理过程可知 方法二较为合理 它考虑了浆砌石体块石 与砂浆材料的不均匀性 但数据处理复杂 方法一将浆砌石视为均质体 数据处理相对简单 因 取芯率与岩芯实际体积是线性相关的 因此引入了取芯率的概念是是合理的 这使结果更接近实 际 两种方法计算的结果相对误差仅为 2 1 4 4 因此建议采用二者结果的平均值作为本次检 测结果 即 50 100 浆砌石天然容重分别取 2 175 2 226t m 3 饱和容重分别取 2 211 2 275t m3 基本上达到原设计值 2 200t m 3的要求 为了进一步分析浆砌石材料的组成 表 2 给出了以方法二为例的浆砌体中块石 砂浆 空隙 所占体积百分比 其中空隙体积占 4 45 这与坝体材料酥松多孔及强透水特性是相一致的 空 隙的产生主要有以下原因 施工质量 如胶结材料没有捣实 形成较大的人为空隙 受石料 不规则影响 一些不平的表面受施工条件限制个别部位难以填实 砂浆材料本身的泌水 收缩 等原因 在其内部产生气泡及接触面形成空隙 在地下水长期作用下 浆砌石受到不同程度的 溶蚀 坝体日益酥松 据统计 2 南告大坝自 1986 2000 年 流失的 2 OHCa累计达 414t 表 2 浆砌石体中块石 砂浆 空隙所占体积百分比 标号 块石 砂浆 空隙 50 49 18 44 26 6 56 100 45 72 51 94 2 34 平均 47 45 48 10 4 45 4 结论 4 结论 浆砌石大坝材料的真实容重在工程上是一个非常重要的数据 它直接关系到大坝安全定检的 结论 加固方案的设计 国家资金的合理分配 最终关系到大坝的安危 文中提出的基于钻孔的 两种方法 二者计算结果甚为一致 也较为合理 这为南告大坝下阶段加固设计提供了依据 也 为类似工程浆砌石容重的测定提供参考 但综合磨损率 m 的取值还值得进一步探讨 参考文献 参考文献 1 中华人民共和国水利水电行业标准 浆砌石坝设计规范 SL25 91 2 广东省水利水电工程质量检测中心站 南告水库大坝材料性能室内试验及材料溶蚀机理和对 策研究报告 R 广州 2002 6 3 中华人民共和国行业标准