岩土定向爆破坝坝体结构与渗透特性的研究

来源:岩土工程师    发布时间:2013-04-22    岩土工程师辅导视频    评论

  云南省柴石滩水库大坝可行性论证阶段定为定向爆破坝,而初步设计审定的却是面板堆石坝,坝型改变的原因之一,是缺乏未做防渗体的爆破坝直接挡水(特别是高水头)可靠性的工程实践与经验.据此,作者选择典型爆破坝、云南省己衣水库大坝进行了直接挡水(特别是高水头挡水)的实践与原型观测,为发展定向爆破筑坝技术提供科学依据.己衣水库大坝1978年5月采用定向爆破筑坝技术一次爆破筑成,平均堆积高度83.6m,最低马鞍点高74.2m,爆后基本上未进行坝面整形与防渗处理.
  1 原型观测的主要内容与途径www.Examda.CoM考试就上考试大
  1.1 坝体探井 在坝体上人工开挖4个试验探井,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ顺序布置在原顺河向河槽纵剖面上,Ⅰ井位于坝顶坝轴线上,Ⅰ~Ⅱ、Ⅱ~Ⅲ 间平面距离分别为 63.5m 与 59.5m,Ⅳ 井布置在Ⅰ 下游侧 30m 右岸坡上
  1.2 坝体渗流量 在坝上游面岸坡设水位尺测量库水位,用下游坝脚处专门建筑截水墙与量水堰观测坝体渗流量.
  1.3 坝内渗流水面 在坝体上钻了5个坝内渗流水面观测孔,单孔最深 73.2m,孔分布于探井同一纵剖面,水位量测误差估计不超过1cm.
  2 坝体结构特性的研究与分析
  2.1 坝体土石料颗粒组成 探井试验段总计113段,每段出井土石料全部按粒径分级(或筛分)和称重,实测资料绘制的113条颗分曲线,其不均匀系数 Cu 与曲率系数 Ce的变化范围很大,不同探井或同一探井不同试验段颗分曲线的差异明显.图1为各井的平均颗分曲线与坝体(总平均)颗分曲线,可见其颗粒组成普遍偏粗,并呈现向下游增大的趋势.坝体粗粒与细料含量:各井 d>1000mm 粗粒平均含量范围是3.20%~34.81%,平均为19.5%;细料d<5mm 变化范围是11.44%~14.66%,平均值 13%.
  2.2 土石料干密度 表1示出了各井土石料干密度与其他特性指标的平均值.由表1看出:各探井平均干密度比较接近,数理统计分析实测数据呈正态分布,有90%的试验段干密度在1.88~2.32t/m3 之间.干密度随探井深度的变化列于表2.由表2看出:表层干密度比其下两层的明显偏小,其孔隙率呈现相反的变化.
  2.3 渗透系数 探井每挖深 3~5m 用单环注水法测定坝体渗透系数,共测得35组数据,实测结果见表3.由表3知:4个探井平均渗透系数值相差约2倍,但35组渗透系数变化范围为3.0×10-3~7.2×10-1cm/s,相差240倍,说明其透水性变化很大.
  2.4 坝体与岸坡基岩的结合 Ⅳ# 探井深 23.07m~25.47m 处系坝体与岸坡基岩结合段.现场实测该段土石干密度2.26t/m3,d<5mm细粒含量 24.05%,皆较坝体的平均值为高,未见架空现象,其结合状况良好,但发现岸坡基岩面渗水.
  3 坝体渗透特性
  3.1 降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时时程关系  图2示出了1993年度试验期间降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时过程线,可见库水主要源于降雨的地表径流、库水位与渗流量的时程有基本同步的变化趋势,渗流量主要源于库水.
  3.2 不同的坝体水头h及渗流量Q的累计持续时间t(d) 表4给出了坝体不同水头和不同渗流量的累计持续时间 t(d),足见坝体高水头挡水持续时间相当长.
  3.3 单宽坝体渗流量q的分析研究 1993年度试验实测坝体渗流量与相应的水头数据共127对,以此为基础进行单宽坝体渗流量的分析研究.首先根据己衣坝爆前坝址地形图,求得该坝坝轴线断面面积与坝高的关系(即坝体渗流过水断面面积与水头的关系)为:
  (1)
  式中:A——坝轴线坝体断面面积,m2;h——坝体水头,m;
  用相等水头h的等效矩形断面棱柱河槽替代己衣坝轴线实际断面天然河槽,则等效矩形河槽宽B(m)为:
  (2)
  则实测不同水头 hi的单宽坝体渗流量qi为
  (3)
  进而应用最小二乘法拟合求得了单宽坝体流量q与水头h关系的经验表达式为:
  (4)
  相关系数r=0.994.
  式(4)由己衣坝实测资料推演求得,分析中以水头为主要参数,并计入了渗透过水断面影响;依据可靠,计算简便,具有工程应用价值.
  3.4 坝体挡水度η作者提出并引入了“坝体挡水度的概念,定义为坝体水头h 与坝高 H 之比(即η=(h)/(H)).在正常高水位水头作用下,坝体处于最大容许的工作状态,称此工况为”正常高水位挡水度 η“.简称”正常挡水度η“,以正常挡水度η0为指标,几个高土石坝工程η0 与己衣坝试验η的比较结果见表5,不过己衣坝高以最低马鞍点高度暂代,正常高水位水头也以蓄水最高水头代表.
  3.5 坝内渗流的水面分布,水头损失与流态
  3.5.1 坝内各观测渗流水位历时变化过程  观测孔位置如图3,图4示出了实测的降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程, 可见接近上游面的Ⅰ、Ⅱ孔,其渗流水位总变化幅度与库水位总变化幅度相近,而距上游面愈远的孔水位总变幅就愈小.
  图4 降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程
  3.5.2 典型库水位(坝体水头)条件下坝内渗流水面分布与水头损失   以最高与每下降近5m的库水位为典型工况,给出了坝内渗流水面的实测数据(见表6),表里括号中数字是各孔渗流水位的降低值,忽略渗流流速水头,该值即沿程的损失水头.表中并以位于最下游的5# 孔为例,求得其区间渗流沿程损失达(0.76~0.83)h,平均约为0.80h.典型水头渗流纵剖面图见图5
  3.5.3 坝内渗流的空间分布与流态问题 以7#孔实测渗流水位,与同时实测1、2孔的数据用内插法求7 孔投影点的数值进行对比分析,粗略求得渗流水面横比降为15.2%.此值可能偏大,但揭示与证实确有横比降存在,爆破坝内渗流水面是一空间分布曲面.
  坝体 1991 年挡水过程表明:(1)连日降雨或暴雨,库水位猛涨且水质浑浊,渗流随之急增与变浑;库水位不涨或较稳定,渗水变清澈但所见库水仍较浑.(2)下游面形成明显、稳定的集中渗流通道与出逸口.(3)静置3组不同日期、不同库水位与渗流量的库水与渗水样品、发现其固体沉淀物有明显差异,渗水沉淀物不由水库带来,而源于集中渗流通道与出逸口;库水沉淀物造成坝体内淤灌效应.综上宏观现象进而推测:坝内渗流流态可划分为上游、中间及下游3个区间,在上游区为接近紊流态向中间区逐渐变为接近层流态,中间区属接近层流动区,下游区又由接近层流向接近紊流变化;总之,坝内渗流为沿程变化而非固定的过渡区流态.
  3.6 爆破坝渗透稳定的机理与己衣坝防渗处理的设计原则 己衣爆破坝由于地形、地质和爆破条件等诸多因素作用,在爆破成坝过程中,造成了坝体土石颗粒组成连续、组配良好,具有一定的密实度与孔隙率;土石颗粒由于重力分选堆积效应,还造就了坝体中间部位颗粒组成普遍较细,上、下游部位颇粗,且构成牢固的骨架体系;这样的坝体结构组成与其空间分布,构成了爆破坝渗透稳定的机理,也是其固有特性.
  己衣坝两个年度直接挡水达到或极接近常规土石坝正常高水位.坝体在全过程中运行正常、安全可靠,表明坝体具有足够的挡水强度与渗透稳定性;同时坝体渗流量较大,库容小、来水少,水库当年汛末蓄至最高水位,至次年春灌时库水所剩约1/10,因此必须采取仅仅为减少渗流量的工程防渗措施. 此系应成为定向爆破堆石坝体防渗处理的设计原则.
  4 结 论来源:www.examda.com
  (1)通过直接开挖坝体探井,研究了坝体结构特性,探讨爆破坝渗透稳定机理.
    (2)坝体两个年度直接挡水最高水位分别达66.55和68.54m,按“挡水度”概念已达到常规土石坝正常高水位,坝体运用正常,表明未做防渗体的爆破坝具有足够挡水强度与可以直接挡水,也增大了实测资料与研究成果的工程应用价值.
  (3)通过坝内渗流水位实测与分析,初步查明渗流水面为空间曲面,水头损失平均达80%,流态为沿程变化而非固定的过渡区流态.
  (4)给出了爆破坝单宽坝体渗流量的计算方法与经验表达式,提出了己衣坝续建中坝体防渗处理的设计原则,具有工程应用价值.本原型研究是在已建成13年的己衣坝上进行的,观测时坝体变形已趋稳定,但早期资料未取得,因此引用本成果时需予注意.

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