胶结碎石土在黏土心墙坝中的应用

刘占涛

(新宾满族自治县水务局南杂木水利站，辽宁 抚顺 113217)

天然碎石土是由岩石风化产生的一种砂石材料，它由岩石不同风化程度的产物混合而成，母岩风化后形成较小的岩块，岩块继续风化形成大的碎石，大碎石再经过一定的物理化学变化之后形成了细砾、砂和细粒，这就是碎石土。受风化程度的影响，碎石土物理力学性质也有很大的差异，由碎石土的成因可以知，其常见于山丘地区[1- 4]。碎石土物理力学性能不够稳定，对于碎石土的一般处理办法是对其进行胶结，最常见的是利用水泥对碎石土进行胶结，试验表明，胶结后的碎石土物理力学性能有很大程度的提升[5- 7]。

伴随着水电行业的发展，对于黏土心墙坝的施工技术研究逐渐受到大家的重视，特别是对于不良地质条件黏土心墙坝的设计和施工开展了许多研究[8- 10]。随着科学技术的发展，本着安全经济的原则，对于一些不良的地质情况，应该多探讨施工方法和工艺，以期提高大坝的安全稳定性能并尽可能地节约投资。

本文以某坝基为碎石土的黏土心墙坝为工程背景，通过对水泥胶结的碎石土进行一系列的室内土工试验获取计算参数，利用Geo- studio有限元分析软件模拟大坝的沉降量和通过坝基的渗透量，探讨胶结碎石土在黏土心墙坝中的应用，以期为相似的工程提供一定的参考借鉴作用。

1 试验材料与试验方法

某拟建黏土心墙坝经过前期勘察发现在基岩上覆盖有平均10m深的碎石土层，如果采用开挖换填的坝基处理技术，开挖量、回填量巨大，不利于投资，因此拟对坝基碎石土层进行胶结。试验所用碎石土取自设计坝基建基面以下1m深处的原状样，主要由砾粒、砂粒以及细粒构成，表1为其颗粒成分组成表。胶结碎石土试验所用水泥为普通硅酸盐水泥P.O32.5。

表1 碎石土颗粒成分组成表

研究表明：在对碎石土进行胶结改良时，水泥掺量为10%左右基本能够满足工程需要，本文胶结碎石土试验水泥掺量定为10%。通过对碎石土以及水泥胶结后的碎石土分别进行密度、含水率、渗透、侧限压缩、无侧限抗压强度等试验，以获得碎石土及胶结后的试验参数。

2 试验结果与分析

通过一系列试验可得碎石土容重为18.3kN/m3，渗透系数为7.8×10-4cm/s，变形模量为25MPa，泊松比为0.18。考虑到水泥龄期的关系，试验时间过早会导致水泥水化作用不充分，试验数据不合理，因此胶结碎石土统一在7d后开展相应的试验研究，胶结碎石土容重为20.2kN/m3，渗透系数为2.3×10-5cm/s，变形模量为72MPa，泊松比为0.15。由胶结前后的试验结果对比可知，通过水泥的胶结作用，碎石土的容重增加，渗透性系数降低了近5倍，变形模量提高了3倍，各方面性能均得到改善。

3 数值模拟

3.1 模型建立

由前期勘察资料可知，基岩上部覆盖平均厚度为10m的碎石土层，大坝坝高40m，黏土心墙厚度为3～9m，迎水面坝坡比为1∶1.5，背水面坝坡比为1∶1.75，正常蓄水位38m，设计洪水位39m，校核洪水位39.5m，正常蓄水位对应的库容为4.78×106m3，筑坝所用黏土心墙及上下游坝料均用当地材料。如图1为利用Geo- studio有限元软件建立的本次数值模拟的黏土心墙坝模型，采用四边形单元，网格剖分一共划分了2709个单元和2798个节点。

图1 胶结碎石土黏土心墙坝模型

由地质勘查资料结合本文的试验数据结果可以得到本次数值模拟的参数取值，表2为本次数值模拟的参数汇总表。利用Geo- studio应力变形模块以及渗透模块，模拟碎石土层坝基在胶结前后的水平方向以及竖直方向的沉降量，以及通过坝基的渗漏量。

表2 胶结碎石土黏土心墙坝数值模拟参数汇总表

3.2 沉降量数值模拟结果与分析

图2为碎石土层胶结前后黏土心墙坝水平方向位移，由数值模拟结果可以看出，以坝轴线为分界，上游坝坡会发生向上游的位移，下游坝坡会发生向下游的位移。如果直接在碎石土层上修建黏土心墙坝时，上游坝坡最大的水平位移为20cm，下游坝坡最大的水平位移为15cm；而将碎石土层胶结之后，利用胶结的碎石土层作为坝基，上游坝坡的最大水平位移为10cm，下游坝坡的最大水平位移为5cm。通过碎石层胶结前后上下游坝坡的位移结果对比分析可知，碎石土层胶结后，大坝的水平位移显著减少，上游坝坡的水平位移降低了50%，下游坝坡的水平位移降低了67%，原因在于碎石土层胶结后变形模量得到了显著的提高，因此变形量会减少。

图2 碎石土层胶结前后黏土心墙坝水平方向位移

图3为碎石土层胶结前后黏土心墙坝竖直方向位移，由数值模拟结果可以看出，大坝在竖直方向上会发生比较大的沉降。如果直接在碎石土层上修建黏土心墙坝，由于自重的作用，不仅黏土心墙和坝料会发生沉降，碎石土层也会由于上覆土的自重而产生沉降。在碎石土层的最大竖直方向的位移达到100cm，而大坝的最大竖直方向的位移能够达到200cm，如此大的沉降量在工程上是不允许的，沉降量过大会导致防渗心墙与坝料之间的接触变差，进而影响大坝的防渗效果。将碎石土层胶结后，利用胶结的碎石土层作为坝基，从图3中可以看出，在上覆土重的作用下，胶结碎石土层基本不发生变形，且大坝最大的竖直方向上的沉降量也降为120cm。通过碎石层胶结前后大坝竖直方向的沉降量结果对比分析可知，碎石土层胶结后，大坝的竖直方向上的沉降量显著减少，相比于未胶结前，胶结后的大坝竖直方向的沉降量减少了40%，这是由于碎石土层胶结后其变形模量得到了显著的提高，在上覆土层的自重荷载作用下胶结碎石土层的沉降量很小，因此大坝的整体沉降量显著降低。沉降量的降低有助于大坝的快速施工和大坝在施工期的安全稳定性能。

图3 碎石土层胶结前后黏土心墙坝竖向沉降量

3.3 渗漏量数值模拟结果与分析

图4为利用Geo- studio软件中的Seep模块，模拟碎石土层胶结前后通过黏土心墙坝坝基的渗漏量。由图4胶结前后的对比结可知，在胶结前通过坝基的单宽渗漏量为2.63×10-5m3/s，而对碎石土层胶结后，通过大坝坝基的单宽渗漏量为2.48×10-6m3/s。从结果可知，对碎石土层胶结后通过大坝坝基的单宽渗漏量降低了接近10倍，这说明胶结后的碎石土层对大坝的渗漏量的控制作用是很明显的，这是由于水泥的水化作用，将碎石土层中颗粒胶结了起来，减少了水流的渗透通道，提高了碎石土层的渗透性能。

图4 碎石土层胶结前后通过坝基的单宽渗漏量

4 结论

本文通过对碎石土进行一系列的室内土工试验，并利用Geo- studio有限元软件对坝基为碎石土层的黏土心墙坝进行竖直模拟，结论如下。

(1)碎石土层在胶结后，各项物理力学性能指标均得到了很大的提升。

(2)碎石土层胶结后，其黏土心墙坝的水平方向和竖直方向的位移均明显减少。

(3)碎石土层胶结后，通过黏土心墙坝坝基的单宽渗漏量显著降低。

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