狮泉河水电站粘土心墙掺合料压实度试验研究

狮泉河水电站粘土心墙掺合料压实度试验研究

1粘土与40mm砂料掺合工艺石泉河水水库最大坝高32m，旁路高差4488m，长1907.45m，宽6.00m。上下水库的坡度分别为1.2.2和1.2.0。粘土心墙和下游边坡均为1.0.25。心墙主要由反滤材料和塔纳波粘土1:1的混合料制成。针对塔那波料场粘土天然含水量低、分散性等特点,根据设计要求粘土和≤40mm砂砾料按质量比1∶1的比例进行掺合,通过大量的试验,采取如下掺合工艺:第一步,在粘土堆料场用反铲挖沟,沟间距3m,沟深2～3m,然后向沟里灌满水,进行自然渗透1～2d后,用反铲进行充分拌和,使粘土含水量均匀,并达到或超过最优含水率。砂砾料进行灌水,使其湿透,达到饱和状态。第二步,测定充分拌和后的粘土含水率、干容重,测定天然状态砂砾料(≤40mm)含水率、干容重。第三步,根据两种料的干容重换算铺料厚度,采用先铺一层砂砾料,铺料厚度约0.8m,再铺粘土料,铺料厚度1.2m。第四步,用装载机拌和,拌和4～6遍。本工程反滤料最大干密度2.12～2.15g/cm3,塔那波料粘土最大干密度1.84g/cm3。2含砂量对最大干密度的影响由于掺合料的最大干密度受反滤料与粘土料的掺合比例、反滤料含砂率的影响较大,因此拟通过本试验确定掺合质量比在(46～54)∶(54～46)范围变化时,反滤料含砂量变化对最大干密度的影响程度及相关参数。3测试方法(1)确定混合材料的原因由于粘土料质量稳定,掺合料料源主要受反滤料质量影响,从料场取砂料偏多(基细)和砂料偏少(基粗)两种基准料。(2)掺合质量比的确定设计掺合质量比为50∶50,考虑由于现场施工因素的影响,试验掺合质量比在(46～54)∶(54～46)范围变化,即确定:46∶54、48∶52、50∶50、52∶48、54∶46等5种掺合比例。(3)砂料掺加比对由于从料场取料有砂料偏多(基细)和砂料偏少(基粗)两种基准料,在基细料中掺加约6%的砂作为砂料较多料(掺细),在基粗料中掺加约6%的细石(2～4cm)作为砂料较少料(掺粗),将砂料偏多(基细)和砂料偏少(基粗)两种基准料按1∶1进行掺合得到砂料平均的料(基混)。如上操作,可以得到5种不同含砂量的掺合用反滤料:掺细料、基细料、基混料、基粗料、掺粗料等。(4)控制级配细考虑掺合比例一定的情况下,反滤料中的粘土含量基本不变,含砂量直接影响其最大干密度,因此控制级配按掺合料中<5mm以下颗粒百分含量进行控制较合理。4含砂量对最大干密度曲线的影响根据理论分析:在掺合比例一定的情况下,如出现含砂量(<5mm以下颗粒百分含量)过低的情况下,细颗粒主要用于填充粗颗粒孔隙,因此其最大干密度主要受掺合比例(粗颗粒与细颗粒的比例)影响,含砂量对最大干密度影响较小,因此含量在低于某一值(A1)时颗分最大干密度曲线趋于一条水平线;在掺合比例一定的情况下,如出现含砂量(<5mm以下颗粒百分含量)在一个合理范围的情况下,掺合料级配连续,因此其最大干密度主要受含砂量和粘土量的影响,<5mm以下颗粒百分含量对最大干密度影响较大,因此含砂量在某一范围(A1～A2)时颗分最大干密度曲线趋于一条斜线;在掺合比例一定的情况下,如出现含砂量(<5mm以下颗粒百分含量)过高的情况下,掺合料级配以细颗粒为主,因此其最大干密度主要受掺合比例(细颗粒砂与粘土的比例)影响,含砂量在高于某一值(A2)时颗分最大干密度曲线趋于一水平线。在掺合比例变化的情况下,掺合料最大干密度颗分曲线随反滤料的比例变化,上下浮动。5实验数据分析5.1试验设计及试验结果在反滤料与粘土料掺合比例、掺砂(石)量一定的情况下,调整掺合料的含水率(6%～15%)变化,每一组做5种不同含水率的干密度试验,通过绘制含水率最大干密度变化曲线,求取每一组试验的最大干密度。根据试验数据求出每一组不同颗分的最大干密度和最优含水率,共做25组(越多越逼近真实值)试验,以每组<5mm以下颗粒百分含量(%)作X点,以每组最大干密度为Y点,绘制XY散点图,从而分析出颗分最大干密度关系;以每组<5mm以下颗粒百分含量(%)作X点,以每组最优含水率(%)为Y点,绘制XY散点图,从而分析出颗分最优含水率关系。试验原始数据统计见表1。5.2种散点的关系根据在现场反滤料、粘土质量分析,反滤料含砂量变化相对较大,因此在进行颗分最大干密度分析时,主要考虑<5mm、<2mm、<0.075mm三种颗粒含量的变化对最大干密度的影响。根据<5mm、<2mm、<0.075mm三种压实最大干密度颗分曲线分析,三种散点关系线都较好,<2mm、<0.075mm的散点图离散大于<5mm的散点图离散。因此考虑掺合比例及反滤料含砂率(即<5mm、<0.075mm的百分含量)的双重影响,而且掺合比例相对稳定,试验决定用<5mm的颗粒百分含量控制掺合料最大干密度。5.3掺砂量与粘土含量的关系根据原始数据得出的颗分最大干密度散点及关系见图1。理论分析表明,A1、A2不在此试验范围内,实际施工时<5mm颗粒百分含量也控制在(A1,A2)内,因此试验不必求证A1、A2。当A=68%时、最大干密度为2.114g/cm3,当A=82.2%时、最大干密度为2.073g/cm3。由于掺合比例不同,含砂量与粘土含量的变化对最大干密度的影响变化在±0.02g/cm3之间,即在最大干密度的1%范围内变化。如图1,平均(掺合比例50∶50)最大干密度颗分关系为式中,X为<5mm颗粒百分含量(%);Y为最大干密度(g/cm3)。5.4y干部yx-ymin/2试验结果由以上的散点关系图分析,在试验的掺合比例变化和砂率变化范围内,最大干密度Y的变化在±0.02g/cm3之间,即YMAX-YMIN=0.04g/cm3。本试验所求的关系曲线实际为平均最大干密度(掺合比例1∶1),即Y=(YMAX-YMIN)/2。当YMAX按98%的压实度控制时,因为Y>2.0g/cm3,所以0.98YMAX≤1.00YMIN,即0.99Y≤1.00YMIN。所以,由此分析根据设计和规范的98%压实度的控制要求,当所求的颗分最大干密度关系计算的平均最大干密度按99%的压实度控制时,压实度能保证满足设计和规范要求。5.5最优含水率的估计根据原始数据得出的颗分最大干密度散点及关系见图2。由图2可知,最优含水率与颗分没有很明确的关系,但最优含水率主要是在一个范围内波动,因此可以根据颗分及最优含水率分布图求出最优含水率的上限与下限:最优含水率为9.30%～10.20%。6复合式反滤料与粘土料掺合比例的控制(1)最大干密度受掺合料掺合比例及反滤料含砂率的双重控制,即受掺合料中<5mm颗粒百分含量及<0.075mm颗粒百分含量的双重控制。因此在反滤料与粘土掺合比例一定或比例变化较小的情况下