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面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用

邢建营, 关志诚, 吕小龙

邢建营, 关志诚, 吕小龙. 面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(7): 1368-1376. DOI: 10.11779/CJGE202007021
引用本文: 邢建营, 关志诚, 吕小龙. 面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(7): 1368-1376. DOI: 10.11779/CJGE202007021
XING Jian-ying, GUAN Zhi-cheng, LÜ Xiao-long. Overburden treatment for concrete face rockfill dams and its application in Hekoucun project[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(7): 1368-1376. DOI: 10.11779/CJGE202007021
Citation: XING Jian-ying, GUAN Zhi-cheng, LÜ Xiao-long. Overburden treatment for concrete face rockfill dams and its application in Hekoucun project[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(7): 1368-1376. DOI: 10.11779/CJGE202007021

面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用  English Version

基金项目: 

国家重点研发计划项目 2017YFC0404804

详细信息
    作者简介:

    邢建营(1978—),男,河南确山人,高级工程师,主要从事水工建筑物设计和基础处理方面的研究工作。E-mail:40637323@qq.com

  • 中图分类号: TV641

Overburden treatment for concrete face rockfill dams and its application in Hekoucun project

  • 摘要: 深覆盖层上的面板堆石坝通常采用面板—趾板—连接板—防渗墙的防渗系统。由于连接板、趾板及坝体修筑在覆盖层上,填筑和蓄水期引起的覆盖层变形对防渗体接缝位移影响较大。因此,坝基覆盖层处理质量是保证工程安全的关键。针对坝基覆盖层处理问题,结合河口村水库工程,制定了固结灌浆、旋喷桩等多种坝基处理方案。采用非线性有限元法,系统研究了各坝基处理方案对坝体和防渗体接缝变形的影响。计算结果表明,对于固结灌浆和高压旋喷桩,两种方案均能满足设计要求。然而,固结灌浆方案实施困难,且效果不明显,很难达到预期的设计目标。最终选用高压旋喷桩方案,并提出了分区渐变式的新型布置形式。长期现场监测资料表明,加密区能有效降低防渗系统变形,处理后的覆盖层变形较小。
    Abstract: The concrete face, toe-slab, connecting slab, cut-off wall are usually used as the anti-seepage system of concrete face rockfill dams (CFRDs) on deep overburden. As the toe slab and dam body are built on the overburden, the deformation caused by filling and impoundment significantly affects the joint displacement of the anti-seepage system. Therefore, the quality of overburden treatment is the key to ensure the safety of the CFRDs. Aiming at the problem of overburden treatment, considering the Hekoucun project, several treatment schemes for dam foundation, such as dynamic compaction, consolidation grouting and high-pressure rotary spray, are proposed. Using the non-linear finite element method, the effects of various foundation treatment schemes on the joint deformation of anti-seepage system are systematically studied. The results show that consolidation grouting and high-pressure jet grouting pile can meet the design requirements. However, the consolidation grouting scheme is difficult to implement and difficult to achieve the design goal. Finally, the high-pressure jet grouting pile scheme is employed, and a new type of partition gradient layout is proposed. The on-site monitoring results show that the infiltration zone can effectively reduce the deformation of anti-seepage system. After reinforcement, the deformation of the overburden decreases significantly.
  • 黄土的特殊结构性决定了其具有极强的动力易损性和水敏性,工程性能较差。黄土高原地形地貌条件复杂、新构造活动强烈,历史上曾多次发生强震。黄土特殊的工程性质与黄土高原高危的地震活动背景决定了黄土高原地区与黄土有关的地质灾害频发,对黄土地区人民生命财产安全、城乡建(构)筑物和基础设施安全构成了巨大威胁。

    大量的科学研究和工程实践证明,黄土地基改良加固处理可有效解决建筑地基的变形沉降问题,提高建筑地基承载力[1-3]。这些方法可在一定程度上提高黄土地基强度,但也存在一些问题,如资源浪费、环境污染,或者处理成本相对高昂,在一般工程中应用时存在一定的局限性。

    木质素具有良好的黏结性、螯合性和抗腐蚀性,能够有效增强散体材料的胶结强度,且储量丰富可再生。国内外将木质素用于土体加固的研究工作早已开展[4-6],其作为改良剂可以有效降低建筑地基处理的成本,具有良好的经济效益、社会效益和环境效益。然而目前对木质素改良黄土的工程性质研究较少涉及,对木质素改良黄土的加固机理也尚不明确。本文通过相对质量密度、界限含水率、击实和无侧限抗压强度(UCS)等室内试验,较为系统地对比研究了素土和木质素改良黄土的工程性质,并基于扫描电镜试验和X射线衍射测试,分析了改良黄土的细观结构特征和结构参数变化规律,得出了改良黄土的主要矿物成分,并综合物理力学特性试验结果,对木质素改良黄土的加固机理进行了讨论。

    试验所用黄土取自宁夏西吉县,由于黄土地区路基填料遵循就地取材原则,即一般选用去除根植层的浅层黄土作为路基填料,因此本研究中黄土的取土深度为3~3.2 m,按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)[7]测试黄土基本物理性质,结果如表 1所示。黄土中砂粒、粉粒、黏粒含量分别为13.7%,80.2%,6.1%。

    表  1  黄土基本物理性质
    Table  1.  Basic physical parameters of test loess
    密度/(g·cm-3) 含水率/% 塑性指数 最大干密度/(g·cm-3) 最优含水率/%
    1.35 5.2 9.5 1.78 14.6
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    试验所用木质素来源于河南洛阳某造纸厂生产过程中的副产品,为棕褐色粉末状固体,其中包括约60%~80%的木质素及其衍生物、少量纤维素、微量水分和其他杂质,有一定的芳香气味,具有较大黏性,可溶于水,PH值为9.0,呈碱性,无毒性,颗粒状结构。为明确该种木质素的化学成分组成和分子结构,对木质素进行了傅里叶红外光谱分析(FTIR),该木质素中主要含醇羟基(-OH,3385 cm-1)、苯环C=C键(653,780,159 cm-1)、烷烃(C-H(CH2),1417,2974 cm-1)、伯醇(R1-CH2-OH,1051 cm-1)和仲醇(R1-CH(R2)-OH,1090 cm-1)等活性官能团。

    黄土在室内风干、碾碎和过筛(2 mm),根据预先设定的木质素与黄土的质量比(0%,2%,4%,6%,8%),将木质素加入黄土中进行充分拌合,随后根据击实试验得到的不同掺量木质素改良黄土的最优含水率,分别向干拌均匀的混合土料中加入相应质量的蒸馏水,再次充分拌合,密封静置24 h待水分迁移均匀后备用。各类试验均依据《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)进行。

    木质素掺量对改良黄土相对质量密度的影响如图 1所示。掺入木质素后,改良黄土的相对质量密度迅速下降,当掺量为2%时,改良黄土的相对质量密度最小。研究表明,土体相对质量密度和土的矿物成分密切相关,土中含有大量有机质时,土粒相对质量密度会显著减小。由于木质素是造纸工艺中产生的一种有机高分子化合物,当黄土中掺入木质素后,土体内由于有机质含量的增多而导致相对质量密度迅速下降,随着木质素掺量的继续增大,改良土的相对质量密度基本趋于稳定。

    图  1  不同掺量木质素改良黄土相对质量密度
    Figure  1.  Specific gravities of lignin-modified loess

    掺入木质素后,改良黄土的塑限、液限和塑性指数均发生了较大变化,如图 2所示。改良黄土的液限和塑限随木质素掺量增加而减小。木质素掺量从0%增加至8%时,改良黄土的塑限由14.5%降低至9.5%,液限由24%降到16%。塑性指数也呈现出了明显的下降趋势,相较于素压实黄土,木质素掺量为2%,4%,6%,8%的改良黄土塑性指数分别减小了21.1%,25.3%,31.6%,31.6%。由于塑性指数的大小与土体的颗粒组成、矿物成分及土中水的离子成分和浓度以及土颗粒表面的结合水膜厚度密切相关。木质素作为一种含有多种活性官能团有机材料,掺入木质素对黄土的颗粒形态、矿物成分和土中水的离子成分浓度影响较大;木质素包裹在黄土颗粒表面以及胶结颗粒使得颗粒粒径增大,比表面积相应减小;木质素中的阳离子促使改良土中的离子浓度增加,土颗粒表面的阳离子层变薄,使土体内的结合水含量下降,并且木质素促使土颗粒表面结合水膜的厚度减小,多因素耦合共同促使改良黄土塑性指数降低。

    图  2  不同掺量木质素改良黄土界限含水率
    Figure  2.  Atterberg limits of lignin-modified loess

    木质素改良黄土的轻型击实试验结果如图 3所示,由图可得最大干密度、最优含水率随木质素掺量的变化规律。随着木质素掺量的增加,改良黄土的最大干密度不断增加,最优含水率总体呈现出下降的趋势。考虑到土体的击实特性和其内部结构具有密切联系,当木质素和黄土充分搅拌并经过压实处理后,木质素本身所具有的黏结性和螯合性会使黄土中的细小颗粒紧密黏结形成团聚体,同时,细小的木质素颗粒具有填充黄土孔隙的作用,减小了黄土孔隙体积,最终导致最大干密度的增加,这一点也在后续基于扫描电镜的细观结构分析中得到证实。此外,由于木质素自身所具有的吸附、分散、电性、表面自由能降低等作用,使土体内部原来被颗粒包裹的游离水释放出来,因此随着木质素掺量的增加,改良黄土的最优含水率下降。

    图  3  木质素改良黄土最大干密度-最优含水率关系曲线
    Figure  3.  Compaction curves of lignin-modified loess

    通过对不同掺量和养护龄期的木质素改良黄土进行UCS试验,结果如图 45所示。

    图  4  不同养护龄期下抗压强度和木质素掺量的关系曲线
    Figure  4.  Relationship between UCS and lignin content of modified loess with different curing ages
    图  5  不同木质素掺量下抗压强度和养护龄期的关系曲线
    Figure  5.  Relationship between compressive strength and curing time of modified loess with different lignin contents

    图 4可知,在养护龄期为7,14,28 d的条件下,改良黄土的无侧限抗压强度随着木质素掺量的增加均呈现出先增加后减小的趋势。而在养护龄期为1 d时,木质素改良黄土的抗压强度均低于素压实黄土。木质素掺量为2%时,改良黄土的抗压强度达到最大,并在养护龄期为28 d时达到最大值184 kPa,相较于素压实黄土的抗压强度提高了32%。掺量为4%,6%,8%的改良黄土抗压强度在所有养护龄期下均低于素压实黄土,表明木质素掺量的持续增加并不会持续增强土体强度。因此,将工业副产品木质素用于改良黄土时应当严格控制掺量,当掺量大于2%后反而难以起到改良加固的效果,抗压强度降低。因为适当的木质素加入可以有效地胶结颗粒和填充孔隙,并增强土体双电层吸附作用从而提升黏聚力,增强抗压强度。但当掺量过大时,木质素本身黏结性和螯合性会促使木质素优先与自身结合,而不是胶结颗粒和填充孔隙,由胶结作用转变为“润滑作用”导致无法有效加固土体;同时土颗粒间的木质素颗粒增多,会加大土颗粒间的距离,导致颗粒间的引力降低,土体颗粒更易于滑动,反而降低土体内部黏聚力和抗压强度。

    图 5可得,不同木质素掺量的改良黄土的无侧限抗压强度均随着养护龄期的增加而增加。其中,木质素掺量为2%的改良黄土抗压强度的变化最为明显:养护龄期为1 d时,改良黄土的抗压强度为103 kPa,低于素压实黄土;养护龄期为7 d时,改良黄土的抗压强度迅速增加,强度较养护龄期1 d时提升49%;养护龄期为28 d时,改良黄土的抗压强度达到最大,相较于养护龄期为1 d时改良黄土的抗压强度提升78%。且随着养护龄期的增加,素压实黄土抗压强度未发生明显变化,掺量4%,6%,8%的抗压强度提升极为有限,且均小于素压实黄土的抗压强度。因此,改良黄土养护龄期不宜过短,短期养护情况下木质素还未与黄土充分反应结合,改良加固效果十分有限。

    结合无侧限抗压强度试验结果,选择养护龄期28 d下的掺量为0%,2%,4%,6%,8%的改良黄土试样以及2%掺量下养护龄期为1,7,14,28 d的改良黄土试样进行扫描电镜试验。图 6为不同掺量的木质素改良黄土在养护28 d后的放大500倍的细观结构图像。图 7为木质素掺量为2%的改良黄土在不同龄期下的放大500倍细观结构图像。

    图  6  养护龄期28 d不同掺量改良黄土细观结构图像
    Figure  6.  Microfeatures of lignin-modified loess
    图  7  掺量2%不同养护龄期改良黄土细观结构图像
    Figure  7.  Microfeatures of lignin-modified loess with lignin content of 2% under different curing ages

    根据图 6(a),经过压实后的素黄土尽管结构较为紧密,但颗粒间依然存在大、中孔隙,且颗粒间连接以搭接为主,颗粒间团絮状胶结物质及团粒较少。根据图 6(b)~(e),木质素使得土体内团絮状胶结物质和团粒明显增多,说明木质素对黄土颗粒起到了良好的胶结作用,加固了颗粒骨架,且细小的木质素颗粒填充了黄土中的孔隙,使得改良土的孔隙率减小,从而增强了土体强度。

    根据图 7,养护龄期为1 d和养护龄期为7,14,28 d的改良黄土在团絮状胶结物质和团粒数量上有较大差异,且在养护龄期大于7 d时改良黄土的颗粒之间逐渐形成了一种网状结构胶结物,即颗粒之间分布的细密纤维状物质(图 8)。根据无侧限抗压强度试验结果,养护龄期为7 d时,木质素掺量为2%的改良黄土无侧限抗压强度较养护龄期1 d时显著增大,说明木质素对黄土的孔隙填充、颗粒胶结以及网状结构胶结物产生和稳固需要一定的时间。此外,此种网状结构胶结物不仅可对黄土颗粒起到黏结和锚固作用,从而使土骨架强度得到提升,还可填充于孔隙之内,增加土体的密实度,对未充分填充的孔隙起到支架作用,进一步增加了土体结构的稳定性和强度。

    图  8  2%掺量改良黄土胶结物及团粒
    Figure  8.  Cementation of lignin-modified loess

    利用PCAS孔隙图像识别与分析系统[8]对不同木质素掺量和养护龄期的改良黄土SEM图像进行统计分析,得出木质素改良黄土的孔隙率,如图 9所示。根据图 9(a),养护龄期28 d条件下素压实黄土的孔隙率为16.5%,掺入木质素后,孔隙率显著下降,在掺量2%时达到最低值为10.2%,随后逐渐增加。根据图 9(b),随着养护龄期的增加,改良黄土孔隙率呈现出逐渐下降的趋势,从养护1 d到28 d,孔隙率从13.3%逐步降为10.2%。此结果证明木质素可有效填充孔隙,降低孔隙率,增加密实度,且木质素掺量和养护龄期对其孔隙填充效果有显著影响。孔隙率分析结果与前文抗压强度和细观结构定性分析结果具有一致性。

    图  9  木质素改良黄土孔隙率
    Figure  9.  Apparent void ratios of lignin-modified loess

    木质素改良黄土试样的X射线衍射试验结果如图 10所示。图中给出了养护龄期28 d条件下木质素掺量为0%,2%,8%的X射线衍射图像。通过对X射线衍射图进行对比分析发现,不同掺量木质素改良黄土的衍射峰值出现位置基本相同,且没有新衍射峰值出现,表明相较于原状土,木质素改良黄土并未生成新的矿物成分。

    图  10  改良黄土X射线衍射图像
    Figure  10.  XRD results of lignin-modified loess

    基于SEM试验和XRD试验结果,并结合木质素改良黄土工程性质以及前人研究所得,木质素改良黄土的加固机理和木质素与黄土颗粒的相互作用密切相关。木质素加入黄土后,其细小的颗粒俱充盈于黄土中原有的大、中孔隙中,致使改良黄土的孔隙率明显下降,大、中孔隙转变为小、微孔隙,土体趋于密实、强度提高。由于木质素具有良好的黏结性和螯合性,能够有效改善散体结构胶结性能,从而促使黄土中细小的颗粒黏结形成团粒且木质素附着于黄土原有颗粒的连接处,使得土颗粒之间的的胶结作用进一步增强,从而有效提升了黄土的骨架强度。此外,网状结构胶结物对黄土颗粒起到黏结和锚固作用,并填充于孔隙内增加土体的密实度,还可对未充分填充的孔隙起到支架作用,进一步增加了土体结构的稳定性。木质素改良黄土中的黏土矿物含量有较大增加,其所具备的良好胶结性可提升颗粒间的胶结强度,增强改良黄土强度。此外,改良黄土通过水解作用和仲醇羟基上的氧原子质子化作用,促使木质素的正电荷和颗粒表面的负电荷中和,缩小了双电层厚度,且木质素携带的Na+水解后与土中的Ca2+进行离子交换,也有助于土体细微颗粒形成团粒,从而改善土体的胶结性。

    (1)相较于素压实黄土,木质素改良黄土的相对质量密度明显降低,液塑限和塑性指数均有所降低。随着木质素掺量的增加,改良黄土的最大干密度逐渐增加,最优含水率总体下降。

    (2)养护龄期28 d、木质素掺量2%的改良黄土抗压强度明显大于其他养护龄期和掺量下的改良黄土。木质素改良黄土应当严格控制掺量和龄期,当掺量过大和养护龄期过短时,会削弱木质素的改良加固效果。

    (3)木质素对黄土的改良加固机制包括木质素对黄土的填隙作用、胶结作用、黏土矿物强化作用、离子交换和双电层吸附作用。

  • 图  1   河口村大坝典型剖面

    Figure  1.   Typical section of Hekoucun CFRD

    图  2   覆盖层处理方案平面布置图

    Figure  2.   Layout of overburden treatment scheme

    图  3   三维有限元模型

    Figure  3.   Finite element meshes

    图  4   有限元计算坝体变形

    Figure  4.   Dam deformations by FEM

    图  5   防渗墙位移(m)

    Figure  5.   Displacements of cut-off wall (m)

    图  6   防渗墙应力(MPa)

    Figure  6.   Distribution of stress of cut-off wall (MPa)

    图  7   坝基沉降变形分布曲线

    Figure  7.   Distribution curves of settlement of dam foundation

    表  1   坝基处理范围

    Table  1   Treatment scope of dam foundation

    加固方案坝轴线上游方向坝轴线下游方向
    固结灌浆+振动平碾从防渗墙上游7 m向下游50 m范围内,对砂砾石地基固结灌浆70 m范围内振动平碾
    旋喷桩+振动平碾防渗墙和趾板下部布置5排旋喷桩,向下游再布置9排旋喷桩70 m范围内振动平碾
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    表  2   接触单元和缝单元汇总

    Table  2   Summary of contact and joint elements

    物理接触有限元模型
    覆盖层–趾板Goodman单元
    覆盖层–防渗墙Goodman单元
    覆盖层–连接板Goodman单元
    垫层料–面板Goodman单元
    特殊垫层料–面板Goodman单元
    面板–面板缝单元
    面板–趾板缝单元
    趾板–连接板缝单元
    连接板–防渗墙缝单元
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    表  3   邓肯-张E-B模型参数

    Table  3   Parameters of Duncan-Chang E-B model

    坝料类型γ/(kN·m-3)φ/(°)Δφ/(°)knRf Kb m
    主堆石21.553139400.350.835000.20
    次堆石20.552127000.250.813500.15
    垫层料22.0551212000.450.856000.2
    过渡料21.9541210000.480.95000.15
    库区堆渣20.0529.97200.440.652500.50
    砂卵石层21.2440.79130.330.852250.29
    壤土夹层16.52302640.250.851340.4
    夹砂层16.32803000.50.891500.4
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    表  4   覆盖层E-B模型参数(固结灌浆)

    Table  4   E-B parameters of overburden (consolidation grouting + dynamic compaction)

    覆盖层γ/(kN·m-3)knRf Kur c/kPaφ0/(°)Δφ/(°)Kb m
    砂卵石层(固灌)21.511500.420.85160004426000.28
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    表  5   旋喷区域E-B模型参数(旋喷桩)

    Table  5   E-B parameters of overburden (rotary jet grouting pile + replacement)

    覆盖层γ/(kN·m-3)knRf Kur c/kPaφ0/(°)Δφ/(°)Kb m
    砂卵石层(密孔)21.511500.420.85230004415500.28
    砂卵石层(疏孔)21.511000.420.85220004415000.28
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    表  6   各坝基处理方案下接缝位移

    Table  6   Deformations of joints with various foundation treatment schemes (cm)

    位置变形方案1方案2方案3
    周边缝错动35.229.021.1
    相对沉降28.427.122.9
    张开25.722.819.4
    趾板–连接板错动50.836.428.8
    相对沉降0.80.60.2
    张开15.311.410.6
    连接板–防渗墙错动25.018.114.0
    相对沉降52.247.039.0
    张开40.317.415.5
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    表  7   高面板堆石坝周边缝变形安全控制值[19]

    Table  7   Safety controll values for displacement of peripheral joints of high concrete faced rockfill dams[19]

    坝高/m沉降/mm张拉/mm剪切/mm
    100453030
    200604040
    300805050
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-31
  • 网络出版日期:  2022-12-05
  • 刊出日期:  2020-06-30

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