對影響堆石料工程特性因素的分析研究

趙曉菊

(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024)

1 概述

隨著面板堆石壩在抽水蓄能電站中的廣泛應用，作為壩體填筑材料的堆石，其工程特性(強度性質、變形性質及滲流特性)的研究尤為重要。堆石料的壓縮主要是在垂直荷重的作用下顆?？朔Σ磷枇χ匦屡帕械倪^程;抗剪強度主要由滑動摩擦強度、剪脹效應和擠碎作用以及重排列作用的效應幾部分組成;滲透性是指水在土的孔隙中流動的過程和性質，而級配、密度及母巖的性質及風化程度對于上述的每一部分均會產生一定的影響，從而使堆石混合料的強度和變形產生變異［1］。筆者以幾座蓄能電站試驗資料為依據，著重分析了控制密度、顆粒級配及母巖的風化程度對壩料工程特性的影響。

2 控制密度對堆石料工程特性的影響

對于相同級配，堆石料密度的大小表示其孔隙比的大小，密度越大，孔隙比越小，顆粒間咬合的越緊密，起著有利于抗剪強度的作用。試驗選用十三陵抽水蓄能電站面板堆石壩主堆石區、次堆石區和墊層區材料，試驗級配及密度見表1，試驗結果見表2、3，圖1。

試驗結果顯示，對于同一級配、同一母巖、同一應力狀態下，隨著密度的增大，其沉降變形減小，模量增大，抗剪強度增強，滲透性減小。

表1 試驗級配、材料及密度表

表2 三軸試驗抗剪強度指標及滲透試驗指標表

3 級配對堆石料工程特性的影響

表3 滲透試驗指標表

資料表明:粒徑大于5 mm 的粗料為70%左右時，粗、細顆粒形成最佳組合，粗料形成完整骨架，細料又能填滿孔隙，細料和粗料相互充填的最密實，孔隙最少，表現出壓縮沉降變形量最小，抗剪強度最大，滲透系數最小，滲透破壞比降較大［2］。

圖1 s-P 曲線示意圖

試驗選用文登抽水蓄能電站面板堆石壩墊層區和堆石區材料，均為石英二長巖。三種試樣裝樣過程中分裝層數、每層試樣振動時間相同，即對試樣擊實功率相同，從而使得試樣的密實度相同，用以研究母巖相同、密實度相同、應力狀態相同時級配對堆石料工程特性的影響。試驗級配見表4，試驗參數見表5、6、7，圖2、3、4。

試驗結果顯示，墊層料細粒含量比堆石料高，達到28.1%，接近30%，因此粗、細顆粒能夠達到較好的咬合效果，粗、細骨料可以共同承擔骨架作用;而對于堆石料，由于細顆粒含量少，細顆粒不能完全充填粗顆粒骨架形成的孔隙，孔隙率較大，由粗骨料承擔骨架作用。

表4 試驗級配及試驗后顆粒級配表

(1)在壓縮過程中，粗骨料承擔骨架作用時粗顆粒的棱角容易出現應力集中而產生破碎、引起骨架顆粒發生移動重新排列至穩定位置而使試樣發生沉降變形，試驗結果表現出堆石料沉降變形大，墊層料沉降變形小，模量高。

表5 三軸試驗抗剪強度指標表

表6 破壞強度值表

表7 文登水電站滲透及滲透變形試驗成果表

圖2 s-P 曲線示意圖

(2)用強度指標表示，墊層料φ值較大，應力～應變曲線及體積變形曲線顯示在σ3=200、400 kPa 時三種料應力～應變曲線較接近。隨著σ3的增加，墊層料總體表現為應變軟化性，而堆石料曲線則表現為應變硬化性，并且三種料應力～應變曲線差距越來越大，說明因母巖強度較高，在圍壓σ3較低、剪切應力較小時，級配的優勢并沒有顯現出來。隨著圍壓增大，堆石料的顆粒破碎增加，抗剪強度也隨之降低，級配對強度和變形的影響明顯的表現出來。體變曲線顯示墊層料在剪切過程中均發生了剪脹，而堆石料隨著圍壓的變化，顆粒破碎較明顯，阻礙了剪脹效應的發揮，體變曲線由剪脹型逐步過渡到剪縮型［3］。

圖3 應力應變關系曲線圖

圖4 ε1～εv關系曲線表圖

表8 試驗級配及試驗后顆粒級配表

(3)從試驗結果可以看出:堆石料、墊層料滲透系數逐漸減小，破壞水力比降逐漸增大，而墊層料的破壞水力比降大于44.2。堆石料和過渡料的破壞型式為管涌型。由于墊層料細骨料能較好的填滿混合料的孔隙，混合料中的孔隙少可使其滲透系數小，破壞水力比降大;而堆石料由于細料含量少，細料填不滿粗料的孔隙，孔隙多反映出滲透系數較大［4］。同時，由于細粒含量少，一部分細顆粒不是互相緊密接觸的，甚至有的顆粒處于自由狀態，粗顆粒不能完全制約細顆粒，導致其抵抗滲透破壞的能力較低，土體中的細顆粒在孔隙通道中移動并被帶出土體以外，形成管涌破壞。

4 母巖的風化程度對堆石料工程特性的影響

試驗采用呼和浩特抽水蓄能電站堆石區材料、筑壩材料，均為片麻狀黑云母花崗巖，試驗級配、密度均相同，只是風化程度為微新～弱風化和強風化兩種，試驗參數見表8、9、10，圖5。

表9 三軸試驗抗剪強度指標表

表10 滲透及滲透變形試驗成果表

圖5 s-P 曲線示意圖

從試驗結果可以看出，母巖風化程度的大小直接影響著堆石料的工程特性，風化程度越高，其沉降變形越大;模量低，強度值越低;制樣過程中風化程度越高，破碎量越大并增加了細粒含量，則滲透性減小。試驗后顆粒級配表也反映出強風化料由于制樣過程、飽和浸水軟化過程及試驗過程細料的大量增加而使其工程特性次于微新～弱風化料。

5 結語

試驗研究結果表明:控制密度、顆粒級配及母巖的風化程度對堆石料的工程特性影響較大。密度大，堆石混合料中粗、細顆粒咬合的程度越好，母巖風化程度越低，堆石體可以得到較小的沉降變形、較高的抗剪強度。

［1］傅志安，鳳家驥.混凝土面板堆石壩［M］.武漢:華中理工大學出版社，1993.

［2］郭慶國，編.粗粒土的工程特性及應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.

［3］柏樹田，崔亦昊.堆石的力學性質［J］.水力發電學報，1997，58(3):21-30.

［4］劉杰，編.土的滲透穩定與滲流控制［M］.北京:水利電力出版社，1992.