老均質壩擴建穩定計算抗剪強度指標選擇

劉洪雨

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 德陽 618000)

1 概述

SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規范》D.1.1及DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設計規范》E.1.1都給出了土石壩穩定分析時抗剪強度指標的選擇方法，對于新建土壩穩定計算時可以直接按實際工況選擇對應的強度指標，但老壩體加高擴建時強度指標選擇就有許多爭議，爭議的焦點就在于運行多年的老壩體是否已經完全排水固結，計算時是不是該用固結強度指標。通過對多座老均質土壩勘察試驗發現許多運行多年的壩并沒有完全固結，由于固結剪切指標與不排水剪切指標相差很大，若老壩體沒有固結而在擴建設計穩定計算時錯誤地選擇了固結剪切強度指標則會對工程帶來很大安全隱患甚至會引起壩體滑坡破壞。

2 老壩體土物理特性

擴建的老壩體一般是20世紀60—70年代所修建的，由于當時施工水平的限制許多壩體內存在低密度、低強度、高壓縮性的土層，有些壩體內排水系統失效導致運行多年并未完全固結，這些壩體土很難滿足現有規范對均質壩設計、施工的要求。通過對多座老均質壩勘察資料分析發現這些老壩體土有以下特性：

(1)壩體填筑土黏粒含量高，為18.5%～50.3%，液限含水量為23.4%～43.7%，塑性指數為8.4～22.7，屬低液限黏土，試驗結果證明原壩料不能滿足均質壩土料的滲透方面要求。

(2)壩料壓實度普遍偏低，勘察的水庫中壓實度最大的為99%，最小的為90%，平均為95%，不能滿足SL 274—2001中要求的3級中低壩及3級以下的中壩壓實度應為96%～98%的要求。

(3)壩體土飽和度高，為84.1%～100%，平均達到95.9%，壩體處于基本飽和狀態，說明壩體排水系統可能失效，土體無法排水固結。

3 老壩體土抗剪強度試驗結果分析

下面列出兩座老壩體實測抗剪強度指標，分析說明老均質壩擴建穩定計算時應如何選擇抗剪強度指標。

3.1 龔家堰水庫

龔家堰水庫工程位于彭山縣黃豐鎮共和村，屬岷江二級支流龔家堰溝，為已建的小(1)型水庫，總庫容323×104m3。大壩于1958年4月開工建設，1959年12月竣工，壩型為均質黏土壩，壩頂高程473.64m，最大壩高26.30m，壩軸線長80.00m。工程擴建前勘測階段在原壩體上布置了4個鉆孔，上游編號ZK201、ZK202，壩軸線編號ZK203，下游編號ZK211，隨鉆孔深度共取了13組原狀樣。壩體原狀土的抗剪強度指標通過直剪試驗及三軸試驗確定。

考慮到原壩體基本處于飽和狀態，直剪試驗采用3種試驗方法：①原狀樣狀態快剪，其控制條件為壩體經50年運行實際固結程度條件下的天然干密度和天然含水率，不再飽和不再固結的快剪試驗。由于試樣本身含水率較高，基本飽和，因此原狀樣狀態快剪指標實質是為不固結不排水剪強度；②飽和固結慢剪，試樣抽氣飽和后排水固結，抗剪指標與原狀樣狀態下的抗剪指標比較；③飽和固結快剪。

三軸試驗采用3種方法：①不固結不排水(UU)剪，與直剪的原狀樣快剪控制條件一致；②固結排水(CD)剪，即飽和固結后的排水慢剪；③固結不排水(CU)剪，即飽和排水固結后的快剪。兩種試驗結果見表1。

表1 龔家堰水庫原壩體土抗剪強度試驗結果

3.2 黨仲水庫

黨仲水庫工程位于青衣江水系安溪河上游雙橋鄉桂香村黨仲溝境內，為已建的小(1)型水庫，總庫容882×104m3。大壩于1970年動工興建，1972年春完工，壩型為均質土壩，壩頂高程510.00m，最大壩高33.0m，壩軸線長169.2m。

壩體擴建勘測時在上游壩體取原狀土樣10組，下游壩體取原狀樣9組，由于黨仲水庫擴建較早，受當時試驗條件限制僅做了直接剪切試驗，試驗結果見表2。

表2 黨仲水庫原壩體土抗剪強度試驗結果

3.3 老壩體擴建抗剪強度指標選擇

通過3.1試驗條件可以看出，老壩體擴建設計穩定計算時最符合工程實際邊界條件的試驗為壩體土原狀樣的不固結不排水剪強度試驗；若原老壩體多年運行并未固結，則說明原壩體填筑料或者排水系統有問題，如果在擴建過程中沒對老壩體采取排水(固結)措施時穩定計算各工況均應使用原狀樣不固結不排水剪強度指標；使用壩體原狀樣的快剪強度指標時應折減。分析原因如下：

(1)根據老壩體排水固結條件(排水條件不好)、壓實度(壓實度低)、飽和程度(飽和度高)等物理特性與表1、表2所列實測抗剪強度指標，可以看出這些老壩體雖然運行多年，但并未完全固結。

(2)根據SL 274—20018.3.2及SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》4.4.2中規定，“對填筑施工期的黏性土邊坡，土體的抗剪強度也可采用τf=cu+σtanφu計算”，式中，cu，φu—土體不排水剪總強度指標；根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》E.9.1“對于排水條件差的黏性土地基，宜采用飽和快剪強度或三軸壓縮試驗不固結不排水剪強度”，擴建工程是在老壩體上加高，老壩體對于加高部分壩體而言可看作是施工期地基土和邊坡，且老壩體厚度大，飽和程度高(一般大于95%以上)，滲透系數小(一般小于10-6cm/s)，在快速加載條件下排水條件差，所以穩定計算時應當使用原樣土不固結不排水強度指標。

(3)從表1所列天然狀態快剪數據可以看出，同一種壩體土料快剪強度指標遠大于不固結不排水強度指標，從表1與表2上游土樣天然狀態快剪數據(下游土樣飽和度較小，已基本固結)對比也可以看出天然狀態快剪指標大于不固結不排水指標，這是因為天然狀態快剪試驗時直剪儀無法控制排水，土樣易失水固結，且快剪試驗僅適用于滲透系數小于1×10-6cm/s的黏土料，所以這時天然樣快剪指標往往不能如實反映原樣土天然狀態抗剪強度，在工程實際應用時應優先使用三軸剪切實驗結果，若試驗條件不允許而只有快剪實驗結果時應對比類似工程并將快剪實驗結果合理折減后使用。

4 結語

試驗得到的抗剪強度指標在實際應用時不是一成不變的，應用條件跟壩體是否為新填筑土層、壩體填筑土層快慢程度、壩基土滲透系數大小、排水棱體排水效果、施工時壩體含水情況等諸多邊界條件有關，只有深刻理解三種抗剪強度試驗模擬的工程條件才能做出正確選擇。本文統計的實測老壩體資料不多，可能沒有涵蓋所有老壩體擴建情況，但遇到上文類似的壩體土料物理特性與抗剪強度指標時設計者應高度重視，以免選擇不合適的抗剪指標而造成工程事故。