煤窯溝水庫(kù)壩殼料特性試驗(yàn)研究

李針龍

（吐魯番地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000）

0 前言

煤窯溝水庫(kù)是新疆吐魯番市煤窯溝河上的一座攔河式小（一）型水庫(kù)，壩型為混凝土面板堆砂礫石壩，采用全庫(kù)盤復(fù)合土工膜防滲。大壩呈“U”型，壩軸線長(zhǎng)度為3120 m，最大壩高44.8 m，壩體結(jié)構(gòu)自上游向下游依次為混凝土面板、過渡區(qū)、墊層區(qū)和砂礫石壩體，前后壩坡坡比均為1∶1.6。壩體填筑總量為160萬m3，為了解壩殼料的物理、力學(xué)特性、滲透特性，須對(duì)大壩筑壩壩殼料進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 試驗(yàn)材料特性及制備

1.1 材料特性

壩殼料C4料場(chǎng)卵礫石成份主要為砂巖、礫巖、凝灰?guī)r、花崗巖等，該料場(chǎng)巖性分布穩(wěn)定，有用層儲(chǔ)量為340萬m3。要求壩殼料Dmax≤500mm，含泥量＜8%，滲透系數(shù)≥10-2cm/s～10-3cm/s，填筑要求Dr≥0.80，填筑層厚度80cm。C4料場(chǎng)級(jí)配情況與同類工程對(duì)比見圖1，可以看出壩殼料級(jí)配情況較好，考慮采用平均線進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 煤窯溝水庫(kù)壩殼料場(chǎng)平均線與同類工程對(duì)照表

1.2 試料制備

粗粒土的試樣制備按《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-053-1999方法進(jìn)行。根據(jù)壩料填筑要求，壩殼料試驗(yàn)級(jí)配曲線通過對(duì)C4料場(chǎng)砂礫料原級(jí)配進(jìn)行超粒徑處理，處理后40 mm～60 mm含量為16.3%，20 mm～40 mm含量為25.6%，10 cm～20 cm含量為18.9%，5 cm～10 cm含量為15.5%，小于5 mm含量為23.7%。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)煤窯溝水庫(kù)工程筑壩壩殼料進(jìn)行常規(guī)大三軸試驗(yàn)。以便進(jìn)行壩體穩(wěn)定和變形計(jì)算工作，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足鄧肯E～μ、E～B模型參數(shù)要求。筑壩壩殼料試驗(yàn)研究主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:

1）常規(guī)物理試驗(yàn)，包括壩殼砂礫料的最大干密度、最小干密度、壓縮、滲透及比重試驗(yàn)。

2）筑壩材料靜力三軸試驗(yàn)，包括壩殼砂礫料靜三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，提供E～B和E～μ模型參數(shù)。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

3.1 相對(duì)密度試驗(yàn)

壩殼料進(jìn)行了兩次平行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用風(fēng)干土料，試樣筒尺寸為φ300 mm×360 mm。最小干密度試驗(yàn)采用固定體積法，試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-054-1999方法進(jìn)行；最大干密度試驗(yàn)采用振動(dòng)擊實(shí)法，以模擬堆石壩現(xiàn)場(chǎng)施工振動(dòng)碾振動(dòng)壓實(shí)，試驗(yàn)采用粗粒料相對(duì)密度儀，試樣頂部靜載14 kPa，振動(dòng)頻率為20 Hz，振動(dòng)歷時(shí)8 min，最大干密度2.32 g/m3，最小干密度1.91 g/m3，試驗(yàn)干密度2.25 g/m3。

3.2 三軸壓縮試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

采用粗粒土三軸儀進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)。對(duì)C4料場(chǎng)壩殼料進(jìn)行飽和狀態(tài)下的固結(jié)排水試驗(yàn)，試驗(yàn)方法及參數(shù)整理均按《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-060-1999方法進(jìn)行。大型三軸試驗(yàn)試樣尺寸為φ300mm×600mm，每組試料四個(gè)圍壓，最大圍壓為800kPa。按試驗(yàn)控制干密度進(jìn)行裝樣，試樣分6層裝入成型筒內(nèi)，每層厚度10 cm，用振搗器夯實(shí)。試樣飽和采用頂部抽氣，試樣內(nèi)形成負(fù)壓，測(cè)計(jì)進(jìn)水量管水位讀數(shù)后，打開進(jìn)水閥。試樣在負(fù)壓作用下，水由下而上逐漸飽和試樣。待試樣上部出水后，停止抽氣，用水頭飽和法進(jìn)行飽和，直至進(jìn)出水量平衡時(shí)，認(rèn)為試樣完全飽和，方可進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試樣飽和完成后關(guān)閉排水閥，施加圍壓，記錄孔隙水壓力變化情況，孔壓穩(wěn)定后，打開排水閥進(jìn)行固結(jié)，記錄排水管體積隨時(shí)間的變化，試驗(yàn)中固結(jié)時(shí)間1 h～1.5 h基本固結(jié)穩(wěn)定，記錄固結(jié)排水量及固結(jié)下沉量。然后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切速率為1.0 mm/min。剪切過程中記錄試驗(yàn)軸向荷載（采用500 kN壓力傳感器進(jìn)行量測(cè)），軸向變形（采用10 cm百分表量測(cè)）、剪切排水量（采用量筒量測(cè)），直至試驗(yàn)破壞。破壞點(diǎn)的確定方法為:當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時(shí)，取峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)；當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線無峰值時(shí)，則取應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)。

3.2.2 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)得到試樣的主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?及體應(yīng)變?chǔ)舦與ε1之間關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2、圖3，試樣在不同應(yīng)力條件下的摩爾圓及強(qiáng)度包線，見圖4。

圖2 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（飽和CD）

圖3 體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 固結(jié)排水剪總應(yīng)力強(qiáng)度包線

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度定律，四組破壞應(yīng)力圓的公切線即為土的抗剪強(qiáng)度線，可以得到線性強(qiáng)度指標(biāo)。然而根據(jù)粗粒土三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，在壓力較大的應(yīng)力范圍內(nèi)，無粘性土的強(qiáng)度和法向應(yīng)力的關(guān)系并不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著圍壓的增大而有所降低的，材料強(qiáng)度包線表現(xiàn)出明顯的非線性特征，為準(zhǔn)確表達(dá)壩料在不同應(yīng)力條件下的φ值，采用如下公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

式中:φ為某應(yīng)力圓切線與橫坐標(biāo)的夾角；φ0壓力為一個(gè)大氣壓時(shí)的內(nèi)摩擦角某應(yīng)力，為試驗(yàn)值；Δφ為試驗(yàn)值；σ3為周圍壓力；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表1 三軸試驗(yàn)（排水剪）強(qiáng)度指標(biāo)

壩殼料飽和狀態(tài)下三軸試驗(yàn)E～μ模型參數(shù)見表2，E～B模型參數(shù)見表3。

表2 E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)表

表3 E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)表

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果修正

整理試驗(yàn)結(jié)果得到鄧肯E～μ雙曲線模型參數(shù)K、n、Rf、C、φ、G、F、D，將模型參數(shù)代入 E～μ 雙曲線理論公式，可得到主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?理論關(guān)系曲線及體應(yīng)變?chǔ)舦與軸向應(yīng)變?chǔ)?理論關(guān)系曲線，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論關(guān)系曲線與試驗(yàn)關(guān)系曲線偏離較大，因此須對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正。

具體方法是以試驗(yàn)曲線為真值，通過微調(diào)模型參數(shù)使理論曲線逐漸逼近試驗(yàn)曲線，二者擬合較好時(shí)所對(duì)應(yīng)的一組模型參數(shù)即為修正模型參數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與近期試驗(yàn)室做的同類工程進(jìn)行比較，見表4。可以看出煤窯溝水庫(kù)壩料修正后E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）與同類工程比較相似，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

表4 同類工程壩殼料E～μ模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）對(duì)照表

修正后E～μ模型主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖5、圖6。

圖5 修正后E～μ模型主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場(chǎng)）

圖6 修正后E～μ模型體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場(chǎng)）

將模型參數(shù)中 K、n、Rf、φ0、Δφ 代入 E～B雙曲線模型中，同樣可得到理論主應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?關(guān)系曲線，同時(shí)將參數(shù)中Kb、m代入理論公式計(jì)算出相應(yīng)的體應(yīng)變?chǔ)舦，將試驗(yàn)曲線與理論曲線進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)上述試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修正，得到修正后E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）參數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與同類工程進(jìn)行比較，見表5。可以看出煤窯溝水庫(kù)壩料修正后E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）與同類工程比較相似，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

表5 同類工程E～B模型參數(shù)（固結(jié)排水剪）對(duì)照表

修正后主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線及體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線，見圖7、圖8。

圖7 修正后E～B模型應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲（C4料場(chǎng)）

圖8 修正后E～B模型體應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線（C4料場(chǎng)）

3.3 比重及壓縮試驗(yàn)

小于5 mm細(xì)粒土的比重采用比重瓶法測(cè)定，大于5 mm粗粒土采用虹吸筒法測(cè)定，試驗(yàn)比重為2.74。壓縮試驗(yàn)儀器采用粗粒土壓縮儀，壓縮儀容器的直徑為500 mm，高為400 mm，最大垂直壓力為2.0 MPa。壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)，煤窯溝水庫(kù)C4料場(chǎng)壩殼料干燥狀態(tài)下壓縮系數(shù)為0.007 MPa-1，壓縮模量為186.1 MPa，飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)為0.007 MPa-1，壓縮模量為 174.7 MPa。

3.4 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備采用直徑30 cm垂直滲透儀，從底部先使試樣飽和并排氣，保持水頭不變，出水30 min后開始記錄，按體積法測(cè)定滲透流量3次，改變水頭后重復(fù)上述試驗(yàn)，計(jì)算得出平均滲透系數(shù)1.85×10-2cm/s。滲透實(shí)驗(yàn)成果表明所選用的壩殼料均具有自由排水性能，滿足填筑堆石壩體的有求。

4 結(jié)論

1）煤窯溝水庫(kù)壩殼料場(chǎng)（C4料場(chǎng)）試料經(jīng)過超徑處理后最大干密度為2.32 g/cm3，最小干密度為1.91 g/cm3，相對(duì)密度控制在0.85，對(duì)應(yīng)干密度為2.25 g/cm3。

2）通過對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修正，可看出煤窯溝水庫(kù)壩料修正后與同類工程比較相似，試驗(yàn)結(jié)果是可信的，E～μ、E～B試驗(yàn)參數(shù)滿足大壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算要求。

3）在100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)，可看出C4料場(chǎng)壩殼料浸水飽和后壓縮性變化不大。

4）從滲透試驗(yàn)成果可以看出:C4料場(chǎng)壩殼料滲透系數(shù)在10-2cm/s數(shù)量級(jí)以上，可以滿足自由排水要求。