荒溝抽水蓄能電站上庫主壩基礎粘土質砂層試驗研究

張軼輝 范恩波 于巖志 張德安

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061)

·水利工程·

荒溝抽水蓄能電站上庫主壩基礎粘土質砂層試驗研究

張軼輝 范恩波 于巖志 張德安

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061)

荒溝抽水蓄能電站工程建設中主壩回填和副壩防滲均需要粘土土料。作為壩基的主要土層，粘土質砂廣泛分布于巖基面上。此次試驗研究即針對取自主壩基礎的粘土質砂層進行三軸、固結、滲透試驗，通過上述試驗提出E-μ模型參數、固結系數、滲透系數，從而驗證以粘土質砂代替常規粘土土料進行上壩填筑的可行性。

荒溝抽水蓄能電站，粘土質砂，粘土

0 引言

荒溝抽水蓄能電站上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程655.60 m，壩頂總長744.2 m，壩頂寬8 m，最大壩高80.00 m。上、下游邊坡均為1∶1.4，下游在高程635 m和605 m各設一級馬道。電站附近場儲量并不豐富。本次試驗研究即針對取自主壩基礎的粘土質砂層進行三軸、固結、滲透試驗，通過上述試驗提出E-μ模型參數、固結系數、滲透系數，從而驗證以粘土質砂代替常規粘土土料進行上壩填筑的可行性。

1 試驗內容

本次試驗研究主要進行了上水庫主壩壩基粘土質砂層5組原狀樣和11組擾動樣的16組顆分曲線繪出1組平均級配曲線，用平均級配曲線的顆粒組成配制土樣進行重型擊實試驗，采用最大干密度乘以0.99來控制制樣干密度進行三軸、固結、滲透試驗。

2 試驗方法

2.1三軸試驗

本次三軸試驗研究試樣為D×H(101 mm×200 mm)的原狀土樣。

1)原狀樣制備：根據SL 237—1999土工試驗規程，具體試驗步驟略。

2)試樣飽和：將制備好的原狀樣裝入飽和器并置于抽氣缸內，進行抽氣。抽氣時間為真空度約達到一個大氣壓后保持1 h。

3)試樣固結：試樣安裝后，裝上壓力室罩并向內注滿水，施加預定周圍壓力使試樣開始固結，繪制排水量與時間關系曲線，固結度達到95%以上，則認為試樣固結完成。

4)本次試驗施加周圍壓力為100 kPa,200 kPa,400 kPa,600 kPa四級。試樣以0.015 mm/min速率均勻加壓下剪切，直至試驗結束。

5)破壞點的確定：當應力應變曲線有峰值時，取峰值為破壞點；當應力應變曲線無峰值時，則取軸向應變15%所對應點為破壞強度。

2.2固結試驗

本次試驗研究固結試樣尺寸D×H=79.8 mm×40 mm。

制樣方法：試樣控制干密度同原狀樣密度，將土料一次性壓入環刀內，飽和方法同2.1。本次固結試驗施加壓力為50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 600 kPa六級，試樣裝入儀器后，因需測定沉降速率，加壓后按下列時間順序測量表讀數：0.25 min,1.00 min,2.25 min,4.00 min,6.25 min,9.00 min,12.25 min,16.00 min,20.25 min,25.00 min,30.25 min,36.00 min,42.25 min,60.00 min,以后每1 h測讀一次。當每1 h百分表讀數差值均不大于0.05 mm時，可施加下一級壓力，直至試驗結束。

2.3滲透試驗及滲透破壞比降試驗

滲透試驗是測定土的滲透系數。滲透破壞比降(滲透變形)試驗是測定土樣在滲流水通過時，試樣的滲透系數和細顆粒隨滲流逐漸流失的破壞比降(管涌)及土體整體浮動時的破壞比降(流土)。

本次試驗研究滲透試樣尺寸D×H=89.4 mm×138 mm。裝樣前將試樣筒壁涂上一薄層凡士林，制樣方法采用擊實法，將制樣土料分三層制備，層間要進行刨毛處理，測定每級水頭下相應時間的滲出水量并測定水溫，計算滲透系數值。

滲透變形判斷公式如下：

流土：Pc≥1/4(1-n)×100;

管涌：Pc<1/4(1-n)×100。

其中，Pc為土的細粒顆粒含量，以質量百分率計；n為土的孔隙率(以小數)。

16組顆分曲線的平均級配的細粒顆粒含量為44.3%，孔隙率n值為0.189。

Pc=44.3%>1/4(1-n)×100=18.9%,屬于流土形式破壞。

3 試驗資料整理方法

3.1三軸飽和固結排水剪切試驗資料整理方法，即E-μ模型和E-B模型參數的整理

3.1.1E-μ模型參數的整理

1)切線彈性模量Et的求解。

根據康德納的建議，三軸試驗的應力應變曲線近似為雙曲線，即在σ3等于常量時：

(1)

經坐標轉換后，雙曲線轉換為直線關系，可得截距a、斜率b，其表達式為：

(2)

式中：(σ1-σ3)——主應力差，kPa；

εi——軸向應變，%；

a——初始切線模量的倒數,kPa-1；

b——主應力差漸近線(σ1-σ3)ult的倒數,kPa-1。

K,n分別為彈性模量系數和彈性模量指數，由logEi—logσ3曲線確定。

根據土力學中摩爾—庫侖破壞標準理論：

(3)

其中，c，φ分別為土料的凝聚力和內摩檫角。

曲線上任一點的切線彈性模量Et，其表達式：

(4)

2)切線泊松比μt的求解。

假設軸向應變εi與側向應變εr也成雙曲線關系，即：

(5)

變換坐標型式，式(5)可改寫成直線關系：

(6)

式中：εr——側向應變，%；

εi——軸向應變,%；

f——初始切線泊松比；

D——軸向應變漸近值的倒數。

3.1.2E-B模型參數的資料整理

體積模量是平均法向應力P與體積應變εv之比，用B來表示，它與E和μ之間存在如下關系：

(7)

(8)

鄧肯等人假定，B與應力水平(σ1-σ3)無關，僅僅隨固結壓力σ3而變化，對同一σ3，Bt為常量，由式(8)可見，這相當于假設與(σ1-σ3)成比例關系。

根據這種假定，對于同一σ3，如果繪制(σ1-σ3)—εv關系曲線應為一直線。事實上，它不是直線，鄧肯等人取應力水平S=0.7相應的點的主應力差和所對應體應變εv值來計算B值。即:

(9)

(10)

通過E-B模型的計算繪圖后，即可求出體積模量系數Kb和體積模量指數m。

3.2固結試驗計算公式

壓縮系數:

(11)

式中：ei——某一級壓力下的孔隙比；

pi——某一壓力值,kPa。

壓縮模量:

(12)

其中，e0為試樣的初始孔隙比。

固結系數:

(13)

4 試驗研究成果

采用上述整理試驗資料的方法，對荒溝抽水蓄能電站主壩壩基粘土質砂進行三軸飽和固結排水剪切試驗資料計算、分析，提出模型參數壓縮系數av1-2=0.128 9 MPa-1，屬于中等壓縮性土。

按原狀樣的平均干密度制備的土樣進行滲透試驗其滲透系數為2.13×10-5cm/s，其范圍值接近于粘性土的指標。

本次荒溝抽水蓄能電站上庫主壩上壩料試驗研究表明：粘土質砂層大于10 mm顆粒含量為3.9%，未形成骨架作用，其特性接近于粘性土。

5 結語

荒溝抽水蓄能電站上庫主壩粘土質砂層的試驗研究結果均接近于粘性土的指標，其各項物理力學參數均符合設計單位的控制要求，粘土質砂可作為工程需要的粘土使用。

[1] SL 237—1999，土工試驗規程[S].

[2] GB/T 50123—1999，土工試驗方法標準[S].

MaindamfoundationofclayeysandtestresearchofHuanggoupumped-storagepower

ZhangYihuiFanEnboYuYanzhiZhangDe’an

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun130061,China)

Huanggou pumped power station construction dam backfilling and vice dam are claymaterial storage. As the main soil dam foundation, clayey sand is widely distributed in the rock surface, such as clay sand can be used as the engineering needs of clay, which can not only prevent soil field land, mining, long distance transportation of trouble, greatly reduce the soil material cost, and also can reduce theamount of waste slag dam excavation. This experimental study is taken from the main dam foundation for clay sand to three axis, consolidation, permeability test, the test proposed by E-μ model parameter, the coefficient of consolidation, permeability coefficient, which verifies the feasibility of clayey sand instead of conventional clay soil dam filling material.

Huanggou pumped storage power station, clay sand, clay

1009-6825(2017)30-0203-02

2017-08-13

張軼輝(1980- )，男，工程師

P641

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