含部分軟巖的堆石料用于高土石壩堆石區基本特性研究

李小泉，李 建，羅 欣

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 科學研究所，四川 成都 610072）

含部分軟巖的堆石料用于高土石壩堆石區基本特性研究

李小泉，李 建，羅 欣

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 科學研究所，四川 成都 610072）

本文主要依據卡基娃、董菁和多諾面板堆石壩及毛爾蓋、兩河口、水牛家等高心墻堆石壩的含部分軟巖堆石料的室內研究成果及工程應用，探討了含部分軟巖堆石料的物理力學性質及軟巖含量對其力學性質影響。結果表明：軟巖含量在30%內的堆石料具有低壓縮性，高抗剪強度，仍可滿足工程要求；提出了軟巖含量在30%以內的堆石料工程特性參數。本研究成果擴大了堆石料的選材范圍，有利于土石壩工程就近取材、縮短工期、降低工程造價等等，成果可供類似工程參考。

含軟巖堆石料；物理力學性質；工程特性

0 引 言

隨著堆石壩技術的不斷發展，擬建堆石壩壩高越來越高，如何因地制宜地采用壩址區附近的堆石料已成為筑壩需普遍考慮的問題。對于這種用量大、整體性能要求較高、采挖邊界條件較復雜的材料，如設計和施工方案考慮不周，極易造成增加工程投資、延長施工期、對環境負面影響等。西南地區高心墻壩或面板堆石壩建設中，在近壩附近常遇砂板巖或變質巖、砂巖及頁巖，這其中的軟巖以夾層或少量單層出現，當采用此類巖石作為堆石料時，其間夾層常無法剔除，工程附近又難以找到其它硬巖堆石料替代料源。因此，這類料源的工程性質研究，對壩的安全性、經濟性和環保性均顯得重要和必要。本文結合卡基娃、多諾、毛爾蓋、兩河口、水牛家、董菁等電站堆石料研究，分析得出軟巖含量宜控制在30%以內，并提出了相應的工程特性參數。

1 已有工程含有軟巖堆石料的地質分布及基本特性

卡基娃、兩河口、水牛家、董菁等電站板巖均有濕抗壓強度小于30 MPa，軟化系數小于0.75等特點，屬軟巖，且實際施工時無法剔除。典型工程軟巖主要為千枚狀板巖、砂質板巖夾砂巖互層，按地質實際統計，軟巖一般不超過40%。幾個工程巖石基本物理力學指標見表1。

表1 典型工程巖石物理力學指標

2 含有部分軟巖堆石料的試驗研究

依據卡基娃、毛爾蓋等工程軟硬巖互層比例，采用風化料占試驗用土料總質量百分比20%、30%、50%的比例分別摻和，并加入全新鮮料和全風化料兩種料進行對照分析。

2.1 級 配

按摻和比為20%、30%、50%、100%摻和風化千枚狀板巖后的試驗用料，其級配曲線見圖1。從級配曲線上可以看出，單獨采用風化料（QTK），其級配偏粗，不滿足設計要求的下包線。實際測試的風化千枚狀板巖小于5 mm顆粒含量略低于新鮮砂巖，所以，隨著風化千枚巖摻量比的增加，小于5 mm含量略為減少；且由于風化千枚巖的摻入，其壓實后的破碎率亦將增大，在摻量20%、30%、50%上包線對應的振動破碎量分別為3.81%、4.49%、4.54%，相應的振動后小于5 mm含量分別為22.96%、23.22%、22.43%。從級配上看，在摻入風化砂巖小于50%的條件下，都能基本滿足設計要求。

圖1 不同比例風化千枚狀板巖摻和后顆分級配曲線對比

2.2 相對密度

對摻和比為0、20%、30%、50%、100%用料在Dr＝0.90時的填筑干密度成果見表2。經分析比較可知：軟巖填筑干密度小于新鮮砂巖，但是在新鮮砂巖中摻入30%以內的軟巖，其干密度隨著摻比的增加而增加，當超過30%時，隨著摻比的增加而減小。這是由于軟巖易破碎，較低摻量下，破碎后細顆粒填充間隙，反而能提高填筑干密度。

2.3 滲透特性

對摻和比為0、20%、30%、50%、100%用料在Dr＝0.90時的滲透試驗成果見表3。經分析比較可知：由于風化料小于0.075 mm的顆粒含量小，按各摻和比摻入后的平均線滲透系數處于i×100cm／s～i×10－1cm／s范圍，均屬強透水性。滲透試驗表明各摻比料滲透性均能滿足設計對堆石料的要求。

表2 Dr＝0.90時密度成果對比

表3 摻入風化巖堆石料平均線Dr＝0.90時滲透成果對比

2.4 強度特性

對摻和比為0、20%、30%、50%、100%用料通過直剪試驗獲取的抗剪強度參數成果見表4。經分析對比可知：新鮮砂巖堆石料強度最高；單獨采用軟巖，雖然其級配與各摻和比下的級配有一定的相似性，但由于其母巖本身的差別，其強度最小；隨著摻量比的增加，強度參數呈現減小的趨勢。但含有一定比例軟巖的用料，其強度遠高于軟巖，如卡基娃含30%軟巖料摩擦角為43.7°，遠高于軟巖的32.3°。

2.5 壓縮特性

對摻和比為0、20%、30%、50%、100%用料的壓縮成果見表5。經分析比較可知：

（1）軟巖料壓縮模量遠遠低于新鮮砂巖，不能直接作為堆石料使用。

（2）新鮮料摻入軟巖，在壓力大于0.8 MPa以后，摻和料出現不同程度的破碎，表現為模量降低。因此，為避免摻和堆石料在高應力下發生較大變形，宜填筑在距壩頂50 m高度范圍以內。

（3）摻和風化砂巖在30%之內時，因隨著摻比的增加，填筑干密度增大，壓縮模量也相應增加；但當摻比增加到50%時，壓縮模量降低，這是由于軟巖含量過高導致在加載過程中母巖產生較大程度破碎、細粒含量增加。

（4）含有一定比例軟巖堆石料在飽和狀態下，壓縮模量低于非飽和狀態，這是由于軟巖在浸水狀態下產生濕化變形。說明在填筑過程中應充分加水碾壓，以減小后期變形。

表4 摻入風化巖堆石料平均線Dr＝0.90時抗剪強度參數成果對比

表5 摻入風化巖堆石料平均線Dr＝0.90時壓縮試驗成果

2.6 含有軟巖堆石料高壓大三軸試驗成果

表6、表7為幾個典型工程軟巖含量為30%內的堆石料力學試驗成果，成果表明該軟巖含量的堆石料力學強度指標依然能達到較高水平，滿足工程要求。但值得注意的是，其破碎率仍舊較高，故在實際工程中，應注意破碎率對強度和透水性的影響。可在一般經驗范圍內讓含有軟巖的堆石料級配設計得偏粗一些（如采用下限級配），具體偏粗多少，可以根據試驗確定。兩河口堆石料高壓大三軸試驗前后級配對比見圖2。

3 結語及建議

（1）西南地區尤其四川境內砂巖常伴有板巖或千枚巖夾層，主要存在于沉積巖和變質巖中，實際開采時，難以剔除，為達到經濟及縮短工期等目的，通過試驗研究并用于壩內合適部位，具有較大工程意義。

（2）幾個典型工程試驗成果表明：當軟巖含量在30%之內時，與純硬巖堆石料的強度、變形和滲透性質相差不大，作為堆石料能滿足工程設計要求，但宜采用一定的施工控制措施。含軟巖堆石料的試驗成果，可供類似工程參考。

（3）軟巖強度相對較低，壓實后顆粒破碎較多，破碎后的顆粒填充了堆石間的空隙，因此除強度、變形外和透水性也是需研究的重要問題。設計壩料級配曲線宜按通常工程經驗所推薦的下限級配進行。

表6 大三軸試驗成果

表7 堆石料高壓大三軸試驗后破碎率測定

圖2 兩河口堆石料高壓大三軸試驗前后級配對比

［1］付軍，周小文.面板壩軟巖料的工程特性［J］.長江科學院院報，2008，25（4）：67－72.

［2］柏樹田，周曉光，晁華怡.軟巖堆石料的物理力學性質［J］.水力發電學報，2002，（4）：34－44.

［3］彭成，郭德發，王慶.面板堆石壩軟巖料的應用分析［J］.石河子大學學報（自然科學版），2008，26（5）：611－615.

TV41

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1003－9805（2015）01－0084－04

2013－06－17

李小泉（1965－），男，重慶萬州人，教授級高級工程師，從事巖土試驗研究工作。