花岗岩风化砂料作为土石坝筑坝材料的探索
刘云贵
【摘 要】针对在花岗岩风化区修建的水利枢纽工程，通过分析天然状态下花岗岩风化砂的物理力学参数，结合现场物理力学试验，对采用花岗岩风化砂作为土石坝填筑料进行探索研究。
【Abstract】For the water conservancy project in weathered granite zone， paper analyzes the physical and mechanics parameters of weathered granite under the natural state， combing the on-site physical mechanics test， explores the weathered granite using as the filling material in earth and rockfill dam.
【关键词】花岗岩；风化砂；土石坝 ；填筑料
【Keywords】granite；weathered sand； earth rockfill dam； filling material
【中图分类号】TV5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0173-02
1 引言
目前，在具有多种筑坝材料的情况下，土石坝的坝体分区设计一般根据就地取材和挖填平衡原则进行。针对土石坝工程，本文通过设置不同分区及坝體材料配置方案，针对各方案进行渗流以及坝坡稳定性分析，从而对坝体分区方案进行优化设计研究，选择既可以满足渗流稳定要求，又可以节省工程造价的方案，从而达到合理配置各个分区土质材料以及安全经济的目的[1]。
2 工程概况
某水库工程是一座以灌溉为主并兼顾农村生活供水的水利工程，设计总库容351.32万m3，最大坝高57.94m。根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。
3 填坝材料试验成果
3.1 料场地质概况
经过勘探料场整体岩性为燕山晚期白垩纪侵入岩（r53（b））中细粒黑云母花岗岩，风化强烈且风化不均匀，局部地区全风化层埋深达15.0m左右，厚度13.50m，风化较深，呈砂土状，强度低。由于本地区岩性风化较强烈，导致开采的主要用料为强风化夹少量全风化及弱风化花岗岩，因此，在施工开采时，应尽量选择全风化中下部、强风化、弱风化上部的岩层来作为坝壳料，主要用料为强风化为主，满足其质量技术
要求；由于花岗岩风化不均匀，局部地段全风化和覆盖层较深，全风化和覆盖层弃料太多，建议对弃料采取合理运用置于前坝坡，清除覆盖层表面的腐殖层，以满足其质量技术要求。
3.2相对密度试验
采用相对密度试验测定最大干密度值，相对密度仪，用松堆法装入样品，装满后找平称重，算出最小干密度；然后在总压力14KPa下振动8min，测读试样高度，算出最大干密度；根据制样密度计算相对密度值。
3.3 比重及渗透试验
比重试验：大于5mm的粗粒料采用虹吸筒法，小于5mm的细粒料采用比重瓶法进行试验，根据粗细粒含量求得风化料的加权比重。
渗透试验：采用试样筒直径30cm、高30cm的渗透仪，用人工锤击至所要求的高度，再用常水头进行饱和，待其试样饱和出水后，用常水头法进行试验。
3.4 三轴剪切试验
试验采用SZ30-4B3型2000KN全自动大型三轴仪进行剪切试验、数据采集以及数据处理皆为自动化，求得试验参数。剪切试验状态为固结排水（CD）剪切，按围压100KPa、200KPa、400KPa、800KPa四级施加荷载。
4 渗流稳定分析
4.1 渗流计算
大坝渗流分析计算采用河海大学开发的Autobank7的渗流分析计算。计算组合情况：
按以下四种工况计算：
工况一：正常蓄水位+下游无水
工况二：设计洪水位+下游无水
工况三：校核洪水位+下游无水
工况四：校核洪水位骤降至正常蓄水位
计算实际选取大坝最大断面为计算代表断面，采用校核洪水位情况下的等势线及流线，计算大坝渗透稳定；采用正常蓄水位下的稳定渗流计算主坝渗透流量。
通过计算，各水位情况的计算成果见下图：
根据计算结果，坝体砂壤土最大渗透比降为0.42，风化砂土最大渗透比降为0.13，黏土防渗墙最大渗透比降为16.00，出逸点处的最大渗透比降为0.36。
4.2 稳定计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求，坝坡抗滑稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算程序采用Autobank7程序计算，根据计算成果表可得，大坝上游坝坡安全系数在“校核洪水位快速降至死水位以下”工况时最小，为1.38，大于规范要求值1.15；下游坝坡在“校核洪水位形成稳定渗流”工况时最小，为1.33，大于规范要求值1.15；特殊工况为“设计洪水位形成稳定渗流+Ⅶ度地震”工况时安全系数最小，为1.15，大于规范要求值1.10。大坝体型结构设计满足规范要求。
5 结语
本文通过分析计算填坝材料的渗流稳定，得到土石坝坝料分区优化方案，验证方案可行性。通过试验分析得到以下结论 ：
第一，土石坝近上下游两侧以及坝底处的材料对土石坝的稳定性能影响最为显著，因此这些部位应该优先选择强度较高的材料进行配置；而坝体中心部位和近下游处的材料对土石坝的渗流逸出点位置影响较为显著，因此在这些部位应配置防渗性能好的材料，在坝体近下游处应该优先选择透水性能好的材料进行配置[2]。
第二，本文得到的最终优化方案能够在满足坝体安全及结构要求的前提下，更为有效地发挥材料防渗及抗滑稳定功能。
【参考文献】
【1】陈志波，朱俊高.土石坝心墙材料分区优化设计[J].河海大学学报：自然科学版，2009，36（6）：790-795.
【2】刘倬昀，辛全才，张帆.土石坝坝料分区优化研究[J].水力发电，2014（12）：35-37.
【摘 要】针对在花岗岩风化区修建的水利枢纽工程，通过分析天然状态下花岗岩风化砂的物理力学参数，结合现场物理力学试验，对采用花岗岩风化砂作为土石坝填筑料进行探索研究。
【Abstract】For the water conservancy project in weathered granite zone， paper analyzes the physical and mechanics parameters of weathered granite under the natural state， combing the on-site physical mechanics test， explores the weathered granite using as the filling material in earth and rockfill dam.
【关键词】花岗岩；风化砂；土石坝 ；填筑料
【Keywords】granite；weathered sand； earth rockfill dam； filling material
【中图分类号】TV5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0173-02
1 引言
目前，在具有多种筑坝材料的情况下，土石坝的坝体分区设计一般根据就地取材和挖填平衡原则进行。针对土石坝工程，本文通过设置不同分区及坝體材料配置方案，针对各方案进行渗流以及坝坡稳定性分析，从而对坝体分区方案进行优化设计研究，选择既可以满足渗流稳定要求，又可以节省工程造价的方案，从而达到合理配置各个分区土质材料以及安全经济的目的[1]。
2 工程概况
某水库工程是一座以灌溉为主并兼顾农村生活供水的水利工程，设计总库容351.32万m3，最大坝高57.94m。根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。
3 填坝材料试验成果
3.1 料场地质概况
经过勘探料场整体岩性为燕山晚期白垩纪侵入岩（r53（b））中细粒黑云母花岗岩，风化强烈且风化不均匀，局部地区全风化层埋深达15.0m左右，厚度13.50m，风化较深，呈砂土状，强度低。由于本地区岩性风化较强烈，导致开采的主要用料为强风化夹少量全风化及弱风化花岗岩，因此，在施工开采时，应尽量选择全风化中下部、强风化、弱风化上部的岩层来作为坝壳料，主要用料为强风化为主，满足其质量技术
要求；由于花岗岩风化不均匀，局部地段全风化和覆盖层较深，全风化和覆盖层弃料太多，建议对弃料采取合理运用置于前坝坡，清除覆盖层表面的腐殖层，以满足其质量技术要求。
3.2相对密度试验
采用相对密度试验测定最大干密度值，相对密度仪，用松堆法装入样品，装满后找平称重，算出最小干密度；然后在总压力14KPa下振动8min，测读试样高度，算出最大干密度；根据制样密度计算相对密度值。
3.3 比重及渗透试验
比重试验：大于5mm的粗粒料采用虹吸筒法，小于5mm的细粒料采用比重瓶法进行试验，根据粗细粒含量求得风化料的加权比重。
渗透试验：采用试样筒直径30cm、高30cm的渗透仪，用人工锤击至所要求的高度，再用常水头进行饱和，待其试样饱和出水后，用常水头法进行试验。
3.4 三轴剪切试验
试验采用SZ30-4B3型2000KN全自动大型三轴仪进行剪切试验、数据采集以及数据处理皆为自动化，求得试验参数。剪切试验状态为固结排水（CD）剪切，按围压100KPa、200KPa、400KPa、800KPa四级施加荷载。
4 渗流稳定分析
4.1 渗流计算
大坝渗流分析计算采用河海大学开发的Autobank7的渗流分析计算。计算组合情况：
按以下四种工况计算：
工况一：正常蓄水位+下游无水
工况二：设计洪水位+下游无水
工况三：校核洪水位+下游无水
工况四：校核洪水位骤降至正常蓄水位
计算实际选取大坝最大断面为计算代表断面，采用校核洪水位情况下的等势线及流线，计算大坝渗透稳定；采用正常蓄水位下的稳定渗流计算主坝渗透流量。
通过计算，各水位情况的计算成果见下图：
根据计算结果，坝体砂壤土最大渗透比降为0.42，风化砂土最大渗透比降为0.13，黏土防渗墙最大渗透比降为16.00，出逸点处的最大渗透比降为0.36。
4.2 稳定计算
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求，坝坡抗滑稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算程序采用Autobank7程序计算，根据计算成果表可得，大坝上游坝坡安全系数在“校核洪水位快速降至死水位以下”工况时最小，为1.38，大于规范要求值1.15；下游坝坡在“校核洪水位形成稳定渗流”工况时最小，为1.33，大于规范要求值1.15；特殊工况为“设计洪水位形成稳定渗流+Ⅶ度地震”工况时安全系数最小，为1.15，大于规范要求值1.10。大坝体型结构设计满足规范要求。
5 结语
本文通过分析计算填坝材料的渗流稳定，得到土石坝坝料分区优化方案，验证方案可行性。通过试验分析得到以下结论 ：
第一，土石坝近上下游两侧以及坝底处的材料对土石坝的稳定性能影响最为显著，因此这些部位应该优先选择强度较高的材料进行配置；而坝体中心部位和近下游处的材料对土石坝的渗流逸出点位置影响较为显著，因此在这些部位应配置防渗性能好的材料，在坝体近下游处应该优先选择透水性能好的材料进行配置[2]。
第二，本文得到的最终优化方案能够在满足坝体安全及结构要求的前提下，更为有效地发挥材料防渗及抗滑稳定功能。
【参考文献】
【1】陈志波，朱俊高.土石坝心墙材料分区优化设计[J].河海大学学报：自然科学版，2009，36（6）：790-795.
【2】刘倬昀，辛全才，张帆.土石坝坝料分区优化研究[J].水力发电，2014（12）：35-37.
