三峡围堰水下抛填风化砂的试验研究

三峡围堰水下抛填风化砂的试验研究

1设计、施工及安全可靠性研究三峡一期的洪水流量为1996年10月，大坝安全运行三年后，该坝分为茅坪溪段、上游水平段、垂直段和下游水平段。轴线长2502.36m，最大坝高42m，基底面积75万2m，设计为四级临时建筑。围堰采用了水下抛填风化砂为主要填料,堰基保留原河漫滩部分淤砂、柔性材料作防渗心墙上接土工合成材料的方案。经过3年运行实践证明,一期围堰的设计、施工是成功的。三峡二期围堰同一期围堰有着许多类似之处,但其难度较一期围堰更大。为进一步给二期围堰的设计、施工和安全可靠性分析提供数据,在一期围堰拆除过程中,对一期围堰水下抛填风化砂、堰基淤砂和柔性材料防渗墙等进行了实况调查和试验研究。这些成果不仅可为二期围堰的设计、施工和安全可靠性分析提供数据,同时也对其它类似工程有一定的参考价值。图1为三峡一、二期围堰平面布置示意图。2研究区为弘扬风化砂的材料、方法及试验成果一期围堰堰体大量采用了当地材料风化砂,其中ΔΔ70m以下为水下抛填,最大抛填深度20m。对这部分风化砂的实况调查与试验研究,不仅可以验证大量室内试验研究成果,同时也为二期围堰深水抛填(60m)风化砂提供有价值的参考资料。实况调查与试验研究选在0+672、0+697和0+702三个断面的背水侧,着重对水下抛填风化砂沿抛填深度颗粒级配、密度的变化及其力学性质进行了实况调查与试验研究。三个断面均采用挖深槽(坑)的方法,沿深度方向,高程每下降50cm,取样一组,均取至抛填风化砂底部堰基淤砂为止,分别进行密度、含水量和颗粒级配分析试验,并取代表性试样进行固结排水三轴剪切试验。2.1深度和风化砂密度的关系现场采用灌砂法共检测密度21个,检测结果及其与围堰施工初期钻孔取样检测结果对比,从对比可以看出,三个断面的干密度测值均随深度增大,干密度减小,表面上看,这一结果似乎不符合土力学自重压密原理。但是,如果考虑到水上施工机械荷载的影响,这一结果与土力学原理并不矛盾,说明在4m水深中抛填风化砂施工,水上施工机械荷载的作用可影响到水下已抛填的风化砂,其影响力随深度增大逐渐减弱。因而,风化砂密度随深度增大呈现减小。21个试样的干密度为1.70～2.06g/cm3,平均1.87g/cm3,均大于1.70g/cm3的水下抛填风化砂干密度设计值,与1993年围堰施工初期,长江科学院在0+665～0+710桩号钻孔取样检测结果:干密度1.66～1.93g/cm3,平均1.81g/cm3相比,表明围堰运行3年后,经堰体自重作用,水下抛填风化砂得到了压密,压密后的平均干密度大于水上填筑风化砂干密度的设计值1.85g/cm3。2.2颗粒级配分析结合现场密度检测,在0+672背水侧和0+697背水侧的两个取样槽(坑),沿高程方向,共取试样15个,进行了颗粒级配分析,两个取样槽(坑)上、中、下三个部位试样的颗粒级配分析结果表明:风化砂在4m水深中抛填,其上下级配变化不大,不存在粗细颗粒分离现象。证明采用端头进占,整体下滑的施工方法进行风化砂水下抛填,不会产生大的粗细颗粒分离。2.3固壁灌浆植入水下抛填风化砂厚度一期围堰防渗墙采用冲击及冲击反循环钻机造孔,在造孔施工中,固壁泥浆在冲击力的作用下,会不同程度浸入到槽孔壁材料中。对泥浆浸入延伸的调查与试验研究,可以进一步了解水下抛填风化砂的工程性质。根据现场拆除暴露情况,对多处断面进行了调查,外观均未见到泥浆浸入风化砂填料延伸的痕迹,但从0+665、ΔΔ68m迎水面和0+637、ΔΔ66m迎水面两处距防渗墙水平距离1m范围的取样试验结果分析看,泥浆不同程度浸入到了水下抛填风化砂中。泥浆浸入水下抛填风化砂的检测结果表明,相同高程距防渗墙水平距离1m范围内取样测得的干密度和小于0.1mm颗粒含量,均高于距防渗墙1.6～3.0m处取样结果,造成这种差异的原因有两种可能,一种是料源风化砂本身的差异所致,另一种则是泥浆浸入造成的。从0+672和0+697断面两个取样槽(坑)15个试样的颗粒级配分析结果看,风化砂中小于0.1mm颗粒含量的最大值为12.3%,平均10.7%,这一结果与一期围堰风化砂料场颗粒级配曲线的包络线范围基本一致,从而可以排除料源发生大的变化的可能性。由此,可以认为距防渗墙水平距离1m范围内,风化砂中小于0.1mm颗粒含量的增高是由于固壁泥浆被挤压浸入造成的,小于0.1mm颗粒的浸入,充填了风化砂中的部分孔隙,使得距防渗墙水平距离1m范围内的风化砂干密度有所提高。这一试验结果表明,在防渗墙施工初期,水下抛填风化砂是比较松散的,防渗墙造孔过程中,固壁泥浆的挤压浸入,对风化砂有一定的挤密作用,挤密的范围约为防渗墙两侧1m左右,经挤密的风化砂干密度,底部平均可以达到1.94g/cm3,中部平均可以达到1.98g/cm3。3不同高程和参数下的淤砂干密度检测结果葛洲坝水库蓄水后,三峡坝址处淤积了大量淤砂,厚约2～18m。该淤砂在水下处于饱和状态,平均干密度1.40g/cm3,比重2.65～2.76,孔隙比0.9～1.09,平均相对密实度0.43,属均匀细砂。一期围堰施工时,为减少开挖量,争取工期,保留了堰基大部分淤砂,只在围堰两侧堰角采取挖除淤砂、回填石渣,设置反滤层和堆石压重等措施,运行实践证明,这些措施是成功的。本次试验研究着重了解淤砂在上部自重作用下的压密情况。结合现场拆除,在0+672桩号背水侧距防渗墙水平距离4m处,开挖取样槽,取样槽顶高程66m(抛填风化砂与淤砂界面),底部高程56.1m(淤砂层底部与河床沉渣界面),在不同高程上检测密度试样12个,同时取代表性试样进行室内比重、颗粒级配分析试验。密度检测结果及其与施工前期检测结果对比,见表1。围堰运行三年后淤砂干密度及其与施工前期检测结果对比表1从表1可以看出,围堰运行3年后,在上部自重作用下,淤砂的平均干密度由施工前期的1.40g/cm3,提高到1.50g/cm3(相对密实度0.73),达到密实状态。经自重压密的淤砂干密度沿深度方向,表现为上、下部高于中部,这主要是由于位于沉渣持力层上的底部淤砂在上部自重作用下得到压密,而上部淤砂则受抛填风化砂动载和水上填筑施工机械荷载的作用得到压密,去除抛填风化砂动载和水上填筑施工机械的作用,这一结果符合土力学自重压密原理。为了解围堰施工期堰基淤砂的密度,在0+622迎水面、ᐁ65m处,进行了防渗墙造孔固壁泥浆挤压浸入淤砂延伸的取样调查研究,其调查研究的试验方法与风化砂中浸入泥浆的调查方法相同。研究结果表明,造孔固壁泥浆浸入淤砂的距离小于50cm,如果去除防渗墙造孔过程中,冲击钻头对槽孔壁淤砂的扰动影响,这一浸伸距离并不大,说明堰基淤砂经上部自重作用,在防渗墙施工期就已基本达到密实状态,这从淤砂代表性试样的排水固结ΔV∼t√V∼t曲线也可以看出,80mm高的试样固结在2小时内就可以完成,而90%的排水量是在5分钟以内完成的(见图2),这进一步验证了保留堰基淤砂层不会产生淤砂震动液化的结论。4材料的复合为适应堰基淤砂及水下抛填风化砂的变形要求,又便于围堰运行后的拆除,一期围堰防渗墙采用了以风化砂内骨料、加入粘土、水泥、水和化学添加剂复合而成的柔性材料。这种材料具有一定强度,弹模小,防渗性能好等优点。在围堰拆除过程中,对防渗墙的实际成墙厚度、槽段连接以及三年后防渗墙的实际力学性质进行了实况调查和试验研究。4.1槽段连接调查结合现场拆除暴露情况,在0+450～0+702桩号,对不同高程的15处防渗墙断面进行了实际成墙厚度测量,测量结果,厚度80～110cm,平均88cm,满足墙厚80cm的设计要求。一期围堰防渗墙采用分槽段浇筑,槽段之间采用套接形式形成连续墙。槽段连接的调查,由于受现场拆除暴露部位的局限,仅在0+460和0+630两桩号处进行了调查。两处接头均可见明显的接缝,其中0+630桩号处接头,接缝中央有泥皮、岩屑。这种接缝在高水头作用下(一期围堰最大挡水水头25.6m,二期围堰为85m),将可能成为渗流通道。因此,二期围堰防渗墙槽段接头应采用更加安全可靠的接头形式。4.2防渗墙柔性材料干密度从现场多处拆除暴露的断面和加工后试样的表面看,柔性材料中不同程度混有未搅拌开的风化砂团块和超径风化岩块,使得防渗墙柔性材料个别地方不够均匀,从0+622桩号ΔΔ60、ΔΔ65、ΔΔ68m处试样干密度为1.691.75、1.84g/cm3的测试结果可以看出,其干密度相差较大。因此,二期围堰施工中应加强质量控制,进一步提高防渗墙的施工质量。4.3室内加工设计指标测定防渗墙柔性材料力学性质试验,采取现场取大样室内加工的方法,分别测定了3年龄的抗压强度、抗折强度、初始切线模量和渗透系数,除初始切线模量稍大,其余各项指标均满足设计要求。5防渗墙施工密度通过对一期围堰运行3年后的工程实况调查与试验研究表明:(1)采用端头进占、整体下滑的风化砂水下抛填施工方法,不会产生大的颗粒级配分离现象。(2)水下抛填风化砂在上部自重作用下可得到压密,压密后的风化砂干密度平均值可达到1.87g/cm3,大于水上填筑风化砂干密度设计值1.85g/cm3。(3)水下抛填风化砂在施工初期,密度较低,防渗墙造孔过程中,固壁泥浆受挤压可浸入到风化砂中,浸入延伸距离约在1m左右。泥浆的浸入对风化砂有挤密作用,挤密后的风化砂密度有较大提高,底部平均可以达到1.94g/cm3,中部平均可达到1.98g/cm3。(4)堰基淤砂在自重作用下压密变化符合土力学原理,压密后的平均干密度为1.50