冶勒水電站壩基超固結粉質黏土物理力學特性

魏星燦 夏萬洪 黃潤太

摘要：冶勒水電站大壩壩基由超過400m厚的粉質黏土和卵礫石層組成，研究其土體物理力學特性對工程設計和施工具有重要意義。通過物性試驗、靜力和動力試驗對壩基粉質黏土進行物理力學特性研究，結果表明：土體級配良好，屬低液限、超固結、低壓縮性粉質黏土，先期固結壓力為4.5～6.0MPa，壓縮模量為35.7～152.3MPa，變形模量為35.00～80.74MPa；摩擦角為33.70°～35.94°，黏聚力為0.12～0.21MPa，抗剪強度指標高；動剪切模量為568MPa，動彈性模量為1686MPa，動強度參數隨振動次數的增加略有降低，但降幅較小。最終提出了一種特殊土體——超固結粉質黏土的物理力學參數指標。

關鍵詞：超固結粉質黏土；物理特性；動強度參數；冶勒水電站

中圖分類號：TV221.2；TV16 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.029

1 概述

冶勒水電站位于四川涼山州，為大渡河一級支流南椏河流域的龍頭水利水電工程。電站具有多級調節能力，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高125m，壩址區覆蓋層厚度超過400m，屬于超深厚覆蓋層上建高壩情況。超深厚覆蓋層上建高壩需解決的關鍵技術問題多，一直是水利水電工程勘察設計研究的重點和難點。

冶勒水電站壩址位于冶勒斷陷盆地邊緣，壩基由冰水一河湖相沉積的粉質黏土和卵礫石組成，互層狀產出，總體微傾右岸偏下游。根據沉積韻律和巖性特征，壩基巖土體自下而上劃分為5個巖組，見圖1。其中：第一、第四巖組為卵礫石，第二、第五巖組為粉質黏土，第三巖組為卵礫石與粉質黏土互層。

徐奮強等對南京河西地區粉質黏土的物理力學性質指標研究發現，粉質黏土的物理性質指標變異性小，但力學性質指標變異性大；寧寶寬等對沈陽地區粉質黏土的研究和陳紅對珠海唐家地區粉質黏土的研究也有相同的結論；馮道德等對湖南省上更新世（Q3）粉質黏土的研究發現，Q3粉質黏土孔隙比小、含水量不高、壓縮性較小，呈堅硬至硬塑狀態，載荷試驗變形模量E0為19.0～58.0MPa。

冶勒水電站壩基粉質黏土層為上更新統（Q3）地層。為了科學選址和優化設計，迫切需要查明壩基粉質黏土物理力學特性。為此，筆者以冶勒水電站壩基粉質黏土為研究對象，通過物理性質試驗、靜力和動力試驗對壩基粉質黏土進行物理力學特性研究。

2 土體物理性質特征

2.1 土體物理性質

土體物理性質描述其物理特性、物理狀態和三相比例關系等。冶勒水電站壩址區粉質黏土物理性質試驗共完成36組，試驗結果見表1。土樣相對密度為2.68～2.80，干密度為1.67～1.88g/cm3，孔隙比為0.39～0.64；在顆粒組成上，粒徑小于0.075mm顆粒含量為52.0%～92.1%，小于0.005mm粒徑的黏粒含量為12.0%～34.0%，以粉粒為主；在級配上，限制粒徑D60=0.012～0.065mm，有效粒徑D10=0.0012～0.0080mm，不均勻系數Cu=8.3～15.0，曲率系數Cc=0.6～1.3，級配良好；在界限含水率上，液性指數為-0.37～-0.07，屬低液限黏土（CL）。

從圖2中的物理性質試驗結果和平均顆粒分布曲線可知，土體顆粒組成范圍小，曲線總體較平滑，無明顯平直段和陡降段，表明壩址區粉質黏土屬于干密度大、孔隙比小、級配良好、液性指數低的特殊土體。

2.2 土體礦物成分

土體中的礦物類型、數量影響其物理、化學性質，采用X射線衍射和能譜測定對壩基14組粉質黏土進行測定，結果見表2。礦物成分以伊利石為主，其次為蒙脫石，土體中氧化物較多，SiO2含量為37.03%-55.52%，CaO和MgO的含量為3.81%～10.26%。

掃描電鏡觀察粉質黏土的微觀結構多呈棱角厚片狀結構，大小顆粒彼此充填密實，接觸式或充填式膠結，土質均勻，孔隙小，結構密實。

3 土體力學特性

3.1 土體靜力學特征

3.1.1 壓縮性

土體壓縮性一般采用壓縮系數、壓縮模量和變形模量來表征。利用原狀土樣固結試驗，按式（1）、式（2）求壓縮系數、壓縮模量[5-9]：式中：ei、ei+1分別為i級和i+1級壓力下的試驗孔隙比；e0為初始孔隙比；av為某一壓力范圍內的壓縮系數，kPa-1；pi、pi+1分別為i級和i+1級壓力，kPa；Es為某級壓力下的壓縮模量，kPa。

為獲得壩基粉質黏土的壓縮系數、壓縮模量，對不同部位的粉質黏土進行了19組固結試驗，最大壓力為1.6MPao試驗結果（表3）顯示：土體在0.10～0.20MPa固結壓力時的壓縮系數為0.05～0.11MPa-1，平均值為0.083MPa-1，對應的壓縮模量為10.70～40.00MPa，平均值為20.50MPa，屬低壓縮性土。從土樣的孔隙比e與壓力P關系曲線（圖3）也可看出，曲線整體平緩，未見明顯壓縮變形段，說明土體在地質歷史上遭受過較高的先期固結壓力。利用e-1gP曲線圖解得粉質黏土的先期固結壓力為4.5～6.0MPa，說明該粉質黏土屬于超固結土體。

水電勘察規范規定，土體的壓縮模量取值可從壓力變形曲線上按建筑物最大荷載作用下的應力應變關系選取，也可根據壓縮試驗按固結程度選取。固結試驗結果表明，土體在固結壓力0.8～1.6MPa時的壓縮系數為0.050～0.036MPa-1，對應壓縮模量為35.71～152.38MPa，平均值達95.87MPa。

變形模量E0是在無側限條件下應力與應變的比值。理論上，變形模量和壓縮模量具有一定對應關包括彈性應變和彈塑性應變兩部分，因此變形模量與壓縮模量并不符合上述公式。

實際工程中.土的變形模量一般通過現場載荷試驗確定.利用載荷試驗的P—S曲線起始線性段的應力、應變關系，按式（3）計算土體的變形模量E0：式中：，I0為剛性承壓板的形狀系數；μ為土的泊松比；d為承壓板直徑或邊長，m；P為P—S曲線線性段的壓力，kPa；S為與P對應的沉降，mm。

在已有試驗資料的基礎上，結合工程布置情況，在不同部位選取了5組具有代表性的粉質黏土進行現場載荷試驗。試驗中，承壓板直徑為50.5cm，最小垂直載荷0.1MPa，最大垂直載荷2.2MPa，分級壓力按0.1MPa進行試驗。

從載荷試驗的P—S曲線（圖4）可以看出，試驗土體并無明顯壓縮變形段。采用作圖法獲得粉質黏土的比例界限Pk=0.8～1.1 MPa，對應Pk的沉降量為0.348～1.130mm，取I0=0.785、μ=0.3，計算得變形模量E0=35.00～80.74MPa，平均值為57.00MPa。

3.1.2 抗剪強度

土體破壞形式主要包括拉裂破壞和剪切破壞，作為壩基土體主要考慮剪切破壞，通常可由三軸剪切試驗或現場大剪試驗獲得抗剪強度。針對冶勒水電站壩基粉質黏土的特殊性和重要性，先后開展了2輪三軸剪切試驗和現場大剪試驗，其中三軸剪切試驗25組、現場大剪試驗8組。三軸剪切試驗方法有不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）3種，現場大剪試驗采用天然狀態快剪（Q）、固結快剪（CQ）和飽和狀態固結快剪（CQ）3種方法。

25組三軸剪切試驗結果（表4）顯示，UU試驗的摩擦角、黏聚力較CU試驗值低8%～10%，CU、CD試驗值基本相當，強度參數均高于普通黏性的。三軸剪切試驗過程中，應力應變曲線均有峰值出現，一般呈駝峰型脆性破壞.充分體現了粉質黏土具有超固結壓密的特性。

現場大剪試驗以剪應力峰值作為土樣的抗剪強度，根據抗剪強度和垂直壓力關系曲線，按照庫侖一奈維表達式確定土樣的抗剪強度參數。試驗結果（表5）顯示，土樣摩擦角平均值為33.700～35.940，黏聚力平均值為120～210kPa。

3.1.3 滲透特性

為獲得粉質黏土的滲透系數，按水電工程土工試驗規范要求，采用室內原狀樣進行變水頭滲透試驗，并按式（4）計算：式中：a為水頭管截面面積，cm2；L為滲徑，cm；A為試樣面積，cm2；H1、H2分別為開始、終止試驗時的水頭，cm；t為測讀水頭的起止時間差，s。

經整理分析10組粉質黏土滲透試驗，計算出粉質黏土的滲透系數K=2.76×10-4～5.60×10-9m/s，屬極弱透水層。

為獲得粉質黏土更為準確的抗滲變形能力，開展了4組現場大型滲透變形試驗（表6），試驗水頭高10m，分平行層面和垂直層面進行。滲透變形試驗過程中，土體下游面僅出現局部開裂或鱗片狀剝落現象，未見明顯大變形破壞跡象。

臨界比降最小值7.1，最大達26.1，對應破壞比降分別為12.2和>43.0。現場滲透變形試驗充分反映出粉質黏土具有較強的抗滲透變形能力。

3.1.4 抗液化性

壩基粉質黏土的標貫試驗結果（表7）顯示：地表至5m深范圍內標貫擊數為42-61（92為異常值）；土層埋深5～15m范圍內，標貫擊數為92～106，屬于密實、堅硬狀態土體。

壩址區地震基本烈度為Ⅷ度，根據水電勘察規范對壩基粉質黏土地震液化性進行復判。同時，考慮到標貫試驗點深度與工程運行時試驗點所在深度不一樣，標貫擊數按式（5）修正：式中：N63.5'為實測標準貫入錘擊數；ds為工程正常運行時標準貫人點在當時地面以下的深度，m；dw為工程正常運行時地下水位在當時地面以下的深度，m； ds'為標準貫人試驗時標準貫人點在當時地面以下的深度，m；dw'為標準貫人試驗時，地下水位在當時地面以下的深度，m。

標準貫人臨界擊數按式（6）計算：式中：ρc為土的黏粒含量，%；N0為液化判別標準貫入擊數基準值。

經計算，粉質黏土標貫擊數修正后的最小值

4 土體物理力學參數選取

冶勒水電站壩基超固結粉質黏土的物理性質參數見表1。在力學參數選取中，以靜力、動力試驗為基礎，結合工程地質條件進行修正，其中淺表部變形模量由現場原位試驗整理確定，埋深大于3m的土體變形模量按淺表部變形模量的1.5倍修正；抗剪強度參數以現場原位大剪和室內三軸剪切試驗結果為基礎，按土體的分布位置、性狀進行折減；固結排水剪試驗中的八大非線性參數由工程地質條件、試驗結果、深部變形N63.5min=159遠遠大于Ncrmax=10.5，說明該粉質黏土不具有地震液化的可能性。

3.2 土體動力特性

3.2.1 動模量

土體的動模量包括動剪切模量G，和動彈性模量Ed，可采用動三軸試驗獲得，也可通過現場跨孔試驗測得土體的壓縮波和剪切波，按式（7）、式（8）計算：式中：ρ為土的天然密度，g/cm3；Vs、Vp分別為土體的剪切波速和壓縮波速，m/s。

按現場跨孔試驗測得的粉質黏土聲波計算其動模量，最大動剪切模量為530MPa、最大動彈性模量為1686MPa（表8）。據齊劍峰等、孫德安等對普通黏土的研究，其動剪切模量為40～140MPa。冶勒水電站壩基粉質黏土的動剪切模量為普通黏土的幾倍到十幾倍。

3.2.2 動強度

一般將土體在一定應力循環次數作用下達到某一指定破壞標準的動應力幅值定義為土的動強度，通常采用動三軸儀按等效荷載作用獲得土體的動強度。冶勒水電站壩基粉質黏土動三軸試驗采用Seed建議的6.5、7.0、7.5、8.0震級所對應的8、12、20、30周的特征周次進行，圍壓分別為100、125、150kPa，破壞標準取軸向動應變為5.0%時的強度值。在粉質黏土土樣振動過程中，孔隙水壓力并未隨振動次數的增加而明顯增加，普遍發展非常緩慢，非飽和粉質黏土的孔隙水壓力接近零。試驗結果（表9）顯示，隨著振動破壞周次的增加，動應力比Rσ相應減小。

據楊果林等研究，Mohr-Column強度理論適用包線，求得土樣粉質黏土的動摩擦角φd和動黏聚力cd。

土樣在相同振動周次下，多呈軟化型脆性破壞。動三軸試驗結果（表10）顯示，土樣在相同振動周次下，動強度參數隨固結比的增大而增大，在同一固結比情況下，動強度隨振動次數增加有所降低，但降低幅度不大。指標結合國內外工程類比確定。冶勒水電站壩基粉質黏土力學參數建議值見表11。