基于填筑技术的黏土斜心墙坝水库建设研究

何 明

(新疆昌源水务准东供水有限公司,乌鲁木齐 831700)

0 引 言

随着社会经济的快速发展,水资源的需求不断增加,而可用于供水的天然水资源有限[1-2]。因此,水资源的合理利用和管理变得越来越重要[3-4]。水库作为一种重要的水资源管理设施,能够调节和储存水资源,提高供水的可靠性和安全性[5]。在诸多类型的水库中,黏土斜心墙坝是一种常见的坝型,因其具有较高的强度和稳定性而被广泛应用于水库建设中[6-7]。填筑技术是水库工程建设中常见的一项施工技术,用于水库地基处理、填平地表或筑坝等,通过运输,将地表或地基的高低差填平[8-9]。在黏土斜心墙坝水库的建设中,填筑技术的作用尤为重要[10]。但填筑技术的实施受到多种因素的影响,如填筑材料的质量、施工工艺、气候条件等[11]。此外,填筑过程中还可能产生沉降和变形等物理变化,对水库的安全性和稳定性产生影响[12]。

因此,本文基于填筑技术的视角,对黏土斜心墙坝水库建设进行深入研究,揭示黏土斜心墙坝水库建设中填筑技术的影响机制,研究结果可为优化施工工艺和提高水库建设质量提供理论支持和实践指导。

1 工程概况

本次研究以某水库工程为实例,水库总容量4×108m3,考虑到水库的容量、年降雨量、蒸发量、流域面积、灌溉面积、供水需求等因素,年供水量约1 825×104m3。该水库主要功能以防洪和农业灌溉为主,同时为区域性生态环境及市政供水。水库大坝采用黏土斜心墙坝结构,坝顶高程2 830m,设计洪水位2 823m,正常蓄水位2 820m,死水位2 790m,坝基位2 750m,岩基位2 710m,坝基防渗墙顶高程2 760m。黏土斜心墙坝剖面图见图1。

图1 黏土斜心墙坝剖面图

根据设计水位和下游水位,计算坝体的容积和稳定性,以满足防洪和蓄水需求。坝体容积V的计算公式如下:

V=A×H

(1)

式中:A为坝顶面积;H为坝高。

根据防渗要求、地基条件和施工工艺等,确定黏土心墙的厚度和高度,以满足防渗和稳定性的要求。黏土心墙厚度t的计算公式如下:

t=(α×V)/(10×d)

(2)

式中:α为黏土心墙的容重;d为水的重度。

黏土心墙的材料性质对坝体的防渗和稳定性有重要影响,因此需要选取符合设计要求的填筑材料。黏土心墙高度h的计算公式如下:

h=(γ×V)/(γ1×A)

(3)

式中:γ为黏土心墙的容重;γ1为水的重度。

2 基于填筑技术的黏土斜心墙坝水库建设研究

斜心墙坝的土料铺填过程是水库工程建设中的一项关键技术,其操作顺序和质量控制直接关系到大坝的整体性能和稳定性。首先根据设计要求和施工计划,选取符合标准的土料,并进行严格的筛选和清洗,确保土料中不含有杂质和砂石。将筛选好的土料进行混合,保证土料的均匀性和一致性。一般采用机械搅拌和人工翻拌相结合的方式,使土料充分混合,然后进行土料的铺设。根据设计要求和施工计划,将土料分层铺设在大坝的斜心墙上。在铺设过程中,要严格控制土料的厚度、压实度和含水量等参数,确保每层土料都得到充分压实。同时,采用专业的测量仪器对土料的铺设厚度和压实度进行实时监测和调整。最后,对铺设好的土料进行养护和保护。采取定期浇水保湿、覆盖保护层等措施,以防止土料干燥、开裂或受损。斜心墙坝的土料铺填过程需要严格控制每个环节的质量,确保大坝的安全性和稳定性。同时,加强施工管理和技术监督,保证工程质量达到设计要求和使用寿命。黏土斜心墙坝填筑施工技术流程见图2。

图2 水库黏土斜心墙坝填筑技术流程图

斜心墙坝体土料碾压的目的是通过机械碾压,提高土料的密实度,从而达到防渗和稳定性的要求。在斜心墙坝体土料碾压过程中,首先需要选择符合设计要求的土料,并进行筛选和清洗,以确保土料的质量。然后将筛选好的土料进行混合,使土料充分均匀。在铺设和碾压过程中,需要使用专业的碾压设备,如振动碾或羊足碾等,对土料进行分层碾压。通过控制碾压设备的行走速度和碾压次数,确保每层土料的密实度达到设计要求。同时,为了防止出现“弹簧土”等质量问题,需要对不合格的土层进行翻新和重新碾压。在碾压过程中,需要加强现场监测和质量控制。通过采用专业的密实度监测仪器,对土料的密实度进行实时监测和调整。同时,为了防止土料干燥和开裂等问题,需要采取保湿和覆盖等保护措施。斜心墙坝体土料碾压是水库工程建设中的一项关键技术,通过严格控制施工质量和加强现场监测,可以提高大坝的防渗性能和稳定性,确保工程的安全性和使用寿命。

在黏土斜心墙坝的填筑施工前,需进行充分的准备工作,包括对施工图纸的详细审查,以确认所有细节和技术要求;制定全面而详细的施工计划,考虑到可能出现的各种情况,并设定明确的时间表;对施工设备进行全面的检查和调试,确保其运行正常,满足施工需求;进行必要的材料采购,确保施工所需的材料质量和数量。对于土料的选取,严格按照设计要求进行选择和采购。在土料进入施工现场前,需进行严格的筛选和清洗,以去除其中的杂质和不合格的部分。同时,将选取的土料进行充分混合,保证各种土料的分布均匀。在填筑过程中,采用分层铺设、分层压实的方法,以确保每层土料都得到充分的压实。并在此过程中,严格控制土料的铺设厚度、压实度和含水量等参数,确保每一层的填筑质量。在填筑过程中,为了保证施工效果,施工单位应将体型较大的颗粒材料铺设在前面,在铺设材料时,施工单位要对相邻位置之间的距离进行合理设计,保证距离的可行性,实现施工的顺利开展。同时,采用专业的测量仪器对填筑质量进行实时监测和调整。填筑完成后,需进行必要的养护和保护措施。定期浇水保湿、覆盖保护层等措施可以防止土料干燥、开裂或受损。斜心墙坝填筑的施工原则作为确保工程质量的重要环节,需严格控制每个环节的质量,并加强施工管理和技术监督,以确保大坝的安全性和稳定性。

3 结果与分析

3.1 基于填筑技术的黏土斜心墙坝碾压试验分析

黏土斜心墙坝是水库工程常用的坝型,其防渗性能和稳定性对于整个水库工程的安全性和使用寿命具有重要影响。因此,在进行黏土斜心墙坝的填筑施工前,需要进行碾压试验,以检验填筑土料的密实度和承载力。其中,所涉及的重要指标有干密度(ρ)、压实度(D)、沉降度(Δh)。大坝干密度是指水库大坝填筑材料在完全干燥情况下,其固体颗粒的质量与总体积的比值。大坝压实度指的是在填筑大坝时,采用压实机械对土料进行压实处理,使土料内部空气和水分减少,密度增加,以达到设计要求的密度指标。大坝沉降度是指大坝在施工或运行过程中,由于多种因素的影响,如地基土层变化、坝体材料的收缩和徐变等,导致大坝的坝顶高程发生的沉降变化。

本次研究分别选取铺土厚度h为30、40、50cm,碾压次数N为6、8、10次3种组合,旨在探讨铺土厚度和碾压次数对土壤压实效果的影响。不同铺土厚度的干密度与碾压次数关系曲线图见图3。

图3 不同铺土厚度的干密度与碾压次数关系曲线图

由图3可知,当铺土厚度为30cm,碾压次数为6时,干密度为1.52;碾压次数为8时,干密度为1.55;碾压次数为10时,干密度为1.58。当铺土厚度为40cm,碾压次数为6时,干密度为1.51;碾压次数为8时,干密度为1.52;碾压次数为10时,干密度为1.53。当铺土厚度为50cm,碾压次数为6时,干密度为1.50;碾压次数为8时,干密度为1.51;碾压次数为10时,干密度为1.51。由上述结果可知,当铺土厚度为30cm、碾压次数为6时,干密度值最高。

不同碾压次数的铺土厚度与压实度关系曲线图见图4。

图4 不同碾压次数的铺土厚度与压实度关系曲线图

由图4可知,当碾压次数为6次,铺土厚度为30cm时,压实度为96.8%;铺土厚度为35cm时,压实度为96.4%;铺土厚度为40cm时,压实度为96.2%。当碾压次数为8次,铺土厚度为30cm时,压实度为97.2%;铺土厚度为35cm时,压实度为96.8%;铺土厚度为40cm时,压实度为96.5%。当碾压次数为10次,铺土厚度为30cm时,压实度为97.3%;铺土厚度为35cm时;压实度为96.8%,铺土厚度为40cm时,压实度为96.7%。由上述结果可知,当铺土厚度为40cm、碾压次数为8时,干密度值最高。

不同碾压次数的铺土厚度与沉降度关系曲线图见图5。

图5 不同碾压次数的铺土厚度与沉降度关系曲线图

由图5可知,当铺土厚度为30cm,碾压次数为6时,沉降度为2.9cm;碾压次数为8时,沉降度为3.7cm;碾压次数为10时,沉降度为3.8cm。当铺土厚度为30cm,碾压次数为6时,沉降度为3.7cm;碾压次数为8时,沉降度为4.5cm;碾压次数为10时,沉降度为5.8cm。当铺土厚度为30cm,碾压次数为6时,沉降度为3.9cm;碾压次数为8时,沉降度为5.0cm;碾压次数为10时,沉降度为6.0cm。由上述结果可知,当铺土厚度为30cm、碾压次数为6时,沉降量曲线趋于平稳。

综上所述,在基于填筑技术的黏土斜心墙坝水库建设中,当铺土厚度为30cm、碾压次数为8次时,沉降量趋于平稳,表现出相对较好的性能。

3.2 基于填筑技术的黏土斜心墙坝渗透系数试验分析

渗透系数是评估土体渗透性能的关键指标,渗透系数的大小直接关系到大坝的渗流情况和稳定性。通过测试,可以获得黏土心墙坝在不同压力下的渗透系数,从而深入了解其渗透性能,为设计提供重要依据。为了确保水库工程建设的稳定性和安全性,在填筑过程中,采用现场单环法与室内变水头进行对比分析。

现场单环法是一种直接在现场进行渗透试验的方法,通过在心墙表面放置一个单环,测量在不同水头压力下的渗透流量,从而得到心墙的渗透系数。室内变水头渗透试验是在实验室中进行,通过模拟不同水头压力下的渗透情况,得到心墙的渗透系数。虽然该方法需要较长时间,但可以快速得到试验结果,满足施工进度要求。通过将现场单环法与室内变水头渗透试验进行对比分析,可以更好地了解心墙在不同施工条件下的渗透性能,从而指导施工。其中,土料分别选取黄色黏土、红色黏土以及现场混合料,测试结果见表1。

表1 基于填筑技术的黏土斜心墙坝渗透系数试验结果

由表1可知,单环法在上述各种土料中测定的渗透系数结果均比室内渗透试验结果高,其中采用红色黏土土料的单环法渗透系数最高,为7.0×10-6,且平均值为6.5×10-6。而室内变水头法在红色黏土土料渗透试验中的渗透系数最高,为5.9×10-8,平均值为4.5×10-8。由此可知,采用红土土料的单环法透水性能较强,即水能够更容易地通过该材料。在黏土心墙坝的填筑工程中,采用红土土料的单环法进行渗透系数控制,可以更好地反映实际施工条件下的心墙渗透性能。

4 结 论

为了提升水库的建设技术水平及水资源的利用效率,本次研究着力于探究基于填筑技术的黏土斜心墙坝水库建设。首先,对黏土斜心墙坝的碾压试验进行了深入分析。结果显示,当铺土厚度为30cm、碾压次数为6时,干密度为1.52g/cm3,表明填筑土料在此条件下的密实度较高。当碾压次数为8次、铺土厚度为30cm时,压实度为97.2%,显示出良好的承载能力和稳定性。此外,当铺土厚度为30cm、碾压次数为6时,沉降量曲线趋于平稳,表明在此条件下,大坝的沉降量已经达到相对稳定的状态。然后,对黏土斜心墙坝的渗透系数进行了试验研究。结果表明,采用红色黏土土料的单环法渗透系数最高,为7.0×10-6cm/s,且平均值为6.5×10-6cm/s,表明红色黏土土料具有较好的防渗性能,对于保证大坝的稳定性和防止水资源流失具有积极作用。

综上所述,基于填筑技术的黏土斜心墙坝水库建设应采用单环法的红土土料进行试验,以提高水库的建设水平和水资源的利用效率。同时,在施工过程中,应注重铺土厚度和碾压次数的控制,以获得最佳的填筑效果和稳定性。