水利工程砂礫石基礎現(xiàn)場抗剪試驗研究

李文濤

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院試驗研究所，新疆昌吉 831100)

1 概述

隨著水電工程建設項目的日益增多，有些情況下工程項目所在地地質情況復雜，壩基、廠房要選在砂礫石基礎上。因此，研究砂礫石基礎的物理力學性質，尋找其規(guī)律對工程尤為重要。本文對新疆柯坪蘇巴什水庫壩址基礎、新疆奎屯河水電站廠房基礎砂礫石進行了砂礫石/砂礫石、混凝土/砂礫石現(xiàn)場抗剪試驗，并獲得了相應的試驗成果。

2 工程實例簡介

新疆柯坪蘇巴什水庫壩址位于柯坪縣城西北約10km的柯坪河出山口處，控制流域面積4428km2。工程建成后，可合理配置柯坪河的水資源，保證蘇巴什河灌區(qū)的用水，促進蘇巴什河灌區(qū)的水土開發(fā);可減少柯坪河的洪水災害，保障人民生命財產安全;并可改善灌區(qū)內生態(tài)環(huán)境。該壩體為混凝土面板堆石壩，基礎為河床砂礫石層，屬泥鈣質膠結，十字鎬掘動困難。對該工程壩址基礎進行了2組混凝土/砂礫石抗剪試驗。

新龍口電站工程區(qū)位于奎屯市南部，奎屯河上游山區(qū)河段，距奎屯市約46km。該工程由攔河閘壩、引水隧洞和發(fā)電廠房等組成，為引水式發(fā)電站，設計引水流量50.50m3/s，裝機容量 140MW，年發(fā)電量 3.80億kw·h。混凝土攔河閘壩建于碎裂玻屑火山灰凝灰?guī)r，引水隧洞和發(fā)電廠房擬建在下游4.50km右岸山體5級階地砂礫石層上，在該山體不同高程內開挖3個平硐，現(xiàn)場進行了3組砂礫石/砂礫石抗剪試驗。

3 試件制備與試驗方法

3.1 砂礫石抗剪(斷)試件制備

本文采用平推法直剪試驗。在新龍口電站廠房基礎平硐內指定的地點，由熟練石匠進行巖石本身剪試體加工，試件試墩尺寸為50cm×50cm×35cm，四周用水泥漿充填振搗密實，外罩用厚20mm的鋼外殼(頂部鋼板可拆卸)包裹。試件尺寸(D)與卵礫石最大粒徑(dmax)比值一般為D/dmax=8～12為宜，考慮到法向應力不宜施加過大，超過砂礫石極限壓力，有可能破壞砂礫石內部結構，使砂礫石被壓密導致抗剪強度值偏高，本次新龍口水電站廠房PD12平硐采用最大法向應力為1.20MPa。而 PD11、PD13平硐最大法向應力為2.50MPa。根據(jù)《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T 5368—2007)要求，試驗最大壓力不宜小于預定壓力的1.20倍，壓力宜分為5級，按最大壓力等分施加。本次試驗試墩砂礫石最大粒徑為150mm，D/dmax=3.30～12之間，由此看出該砂礫石粒徑偏大，試件尺寸(D)與砂礫石最大粒徑(dmax)比值增大，故抗剪強度值偏大，詳見表1、表2。根據(jù)相關試驗規(guī)范及參考資料，采用dmax/3～dmax/4較適宜，結合工程實際，選定2～2.50cm剪切縫，易消除周邊突起卵石的摩擦阻力對試驗的影響。

表1 新龍口水電站平硐砂礫石顆粒級配試驗成果

表2 奎屯河新龍口水電站平硐砂礫石物理力學性試驗成果

在平硐段內沿平行河流方向布點，均勻布置5個試件，先制成0.47m×0.47m×0.35m試件，然后套入50cm×50cm×30cm鋼模板，四周縫隙部分用水泥砂漿充填振搗密實，外殼底部與地基面預留2～2.50cm剪切縫，反力墩亦采用澆注混凝土或砂漿與鋼板相結合安裝為宜，見圖1。

圖1 試件制備示意圖

3.2 混凝土/砂礫石抗剪試件制備

根據(jù)新疆柯坪縣蘇巴什水庫壩基設計大壩配合比參數(shù)，結合巖石試驗規(guī)程的技術要求，混凝土試件尺寸以50cm×50cm×35cm為宜。試件制備采用425高標號水泥二級配澆筑試件。為使試驗成果具有代表性和可用性，清除掉試面上大于60mm粒徑的砂礫石和表層約20～30cm厚的砂礫石(不得擾動原結構面)。用鋼刷清除掉表面松動的礫石，用水沖洗干凈澆筑面后即可澆筑試件。養(yǎng)護28d方可試驗，如果加入速凝劑15d就可開展試驗工作。在距試件兩側100cm處，由地面向下挖反力墩坑槽10m×2.50m×5m(長×寬×深)。然后預埋圓鋼或螺紋鋼地錨澆筑大體積混凝土，如果設計人員對法向應力要求不高，最大應力不大于0.60MPa，可考慮用鋼絲繩碾壓回填砂礫石替代使用，見圖2。

圖2 反力架示意圖

根據(jù)設計要求施加最大垂直荷載，柯坪縣蘇巴什水庫 Pmax=1.20MPa，新龍口水電站 Pmax=1.5～2.50MPa;均按5級施加，分別施加于每個試體上。法向荷載施加采用時間控制，加荷后立即測讀法向位移，5min后再讀一次，即可施加下一級荷載，加至預定載荷后，仍按每5min測讀一次，當連續(xù)兩次法向位移之差不大于0.01mm時，可開始施加剪切載荷。剪切載荷按預估的最大值分8～10級施加，當剪切位移增量為前級位移增量的1.5倍時，宜將級差減半。施加方法以時間控制，每5min加載一次，每級荷載施加前后各測讀變形一次，在全部剪切過程中，垂直荷載始終保持為常數(shù)。當水平荷載讀數(shù)回落或達到穩(wěn)定值，而水平位移急劇增大時，則試件完成剪壞試驗，之后翻轉試體，對剪斷面的特征進行詳細地質描述，并拍照。

4 資料整理分析

根據(jù)剪切面砂礫石粒徑組成級配及膠結狀況，將土體結構分為兩種類型。

第Ⅰ類:柯坪蘇巴什水庫壩基砂礫石屬泥鈣質膠結，石匠用鑿子或電風鎬可掘動，中等磨圓度并有膠結物粘連，含泥量較低，含水率為1.80% ～3%，天然干密度為2.28～2.35g/cm3，相對密度為0.88～0.95，屬弱透水層～微透水層，密實地層。第Ⅱ類:PD11、PD12、PD13平硐通過顆粒分析定名為卵石混合土(SICb)，PD11Q2地層泥鈣質半膠結，用十字鎬或風鎬可掘動。PD12、PD13Q4地層無膠結，用十字鎬可掘動，粒徑大于2mm礫石含量占83.20% ～85.40%，小于2mm砂粒含量占14.60% ～16.80%。中等磨圓度，含泥量較低，含水率為4% ～5.40%，較濕，天然干密度為2.20～2.27g/cm3，相對密度為0.79～0.91，屬密實地層，中等透水層～弱透水層。根據(jù)試驗成果計算出其抗剪(斷)峰值強度參數(shù) f、c，見表 3。

表3 抗剪強度試驗成果

圖3 水電站τ-ρ關系曲線

由現(xiàn)場實際觀察:

第Ⅰ類:柯坪蘇巴什水庫壩基砂礫石f、c值偏高，其原因是砂礫石泥鈣質膠結，其咬合力增大。

第Ⅱ類:新龍口水電站廠房基礎從τ～W0關系曲線看均屬塑性破壞，破壞峰值最大位移值為8～16mm，從試驗結果描述看，試墩翻轉面及底部砂礫石最大粒徑為100～150mm，小于5mm粒徑占10% ～20%，5～20mm大約占20% ～30%;20～80mm大約占30% ～40%;c值偏低，其原因是級配不均勻，礫石及細顆粒呈近水平分布。從該平硐底部25cm深度內看，顆粒較小，主要為小于60mm的砂礫石，250mm以下為較大的砂礫石層，最大粒徑200～300mm，因此f值也偏高。由表1可知第Ⅰ類抗剪參數(shù)值明顯高于第Ⅱ類。將柯坪蘇巴什水庫壩基f、c值與新龍口水電站廠房基礎f、c值利用庫侖定律及圖解法求出其綜合指標值和圖3所示值。

第Ⅰ類:f=0.983～1.035，c=0.57～0.70MPa

第Ⅱ類:f=0.809～0.966，c=0.024～0.148MPa

5 抗剪參數(shù)建議值選取

目前，砂礫石層的抗剪參數(shù)選取尚無標準，相關資料指出:當粗顆粒含量在80%范圍內，三軸試驗測得摩擦系數(shù)隨粗粒(大于φ5mm)含量的增加而增加，咬合力與顆粒組合有很大關系。同時與礫石之間的泥鈣膠結物有關。在垂直應力0.30～1.20MPa作用下直剪與三軸試驗的內摩擦角基本一致，因此，上述試驗成果可作為抗剪參數(shù)的選取值。

f、c值是砂礫石地基重要的抗滑穩(wěn)定參數(shù)。若取值過小，則造成工程上的浪費;若取值超過砂礫石層固有強度，雖增大了安全系數(shù)，實則造成工程不穩(wěn)定的隱患。由于受現(xiàn)場條件和方法、剪切縫及剪切面起伏差高低不等、地層成積規(guī)律、顆粒粒徑大小、環(huán)境濕度、密實程度、膠結物的類型等因素的影響，對峰值抗剪參數(shù)值做適當折減后作為選取參數(shù)值:

混凝土/砂礫石f=0.900～0.932，c=0.55MPa

砂礫石/砂礫石f=0.726～0.839，c=0.145MPa

由于各工程砂礫石成分、形成環(huán)境、構造等不同，各工程抗剪參數(shù)也存在較大差異。因此，設計上應結合工程特點與運行要求，選取符合實際的參數(shù)值。■

［1］ DL/T 5368—2007水電水利工程巖石試驗規(guī)程［S］．北京:中國電力出版社，2007．

［2］ SL264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》［S］．北京:中國標準出版社，2001．