張峰水庫壩基粗粒類土工程地質特性研究

郝永剛

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024)

河床砂卵礫石層是水利水電大壩工程中常遇到的地層，一般具有物質組成差異大、厚度變化大、物理力學特性均勻性差等特點[1]。相比一般的細粒土及基巖來說，砂卵礫石層的物理力學特性研究更顯復雜，常規(guī)的鉆探方法很難取得原狀樣，根據(jù)巖芯難以直觀分析。對于一些大型或重要的大壩工程來說，研究河床砂卵礫石層作為壩基成為勘察工作重要的內容，往往需要按不同的粒徑取大量的砂卵礫石，送至室內按天然狀態(tài)級配曲線及密度進行配樣試驗，獲取砂卵礫石層相對密度、滲透變形、壓縮變形、抗剪強度及動力試驗等指標，為大壩滲流、固結、穩(wěn)定及抗震計算提供必要的參數(shù)。這些砂卵礫石地層的大型粗粒土試驗往往耗時費力費錢，很多中小型工程都是參考類似工程資料取其經驗值。本文主要總結張峰水庫大壩壩基砂礫卵石層原位及室內大型粗粒土試驗資料，提出砂卵礫石層的主要物理力學參數(shù)，為大壩穩(wěn)定計算提供參數(shù)，并可為類似工程參考使用。

1 工程地質概況

張峰水庫樞紐工程位于沁河中上游干流，由攔河大壩、導流泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞等組成。攔河大壩為黏土斜心墻堆石，最大壩高66.1m，總庫容3.89億m3。入庫徑流多年平均4.15億m3，樞紐工程等級為Ⅱ級。壩址區(qū)設計基本地震加速度值0.10g，抗震設防烈度為7度，地震動反應譜0.45s。

壩軸線處河谷寬約300m，其中河床及漫灘寬度60～120m，分布河床右岸。I級堆積階地階面寬100～250m，高出河床1～3m，分布在河床左岸。與河漫灘屬同一侵蝕基準面，河床基巖侵蝕面埋深10～20m。兩岸山體較雄厚，分布有Ⅱ、Ⅲ級基座階地，自然坡度20°～40°。

壩址位于王必-大將平緩復式向斜構造南端，構造形跡主要表現(xiàn)為幾個寬緩的背斜、向斜，區(qū)內巖層呈舒緩波狀，傾角一般小于10°。壩線處地下水位基本同河水位。

清除表層全新統(tǒng)表層低液限粉土后，壩基置于全新統(tǒng)下部粗粒土層。為研究壩基粗、巨粒類土層工程特性，結合工程布置，進行了全面的試驗研究工作。

2 壩基粗粒類土物理特性

2.1 現(xiàn)場試驗

對壩基地下水位以上粗粒土做原位物性指標測試，其天然含水率6%～8%；天然密度2.29～2.46g/cm3，平均值2.37g/cm3，干密度2.16～2.27g/cm3，平均值2.20g/cm3。鉆孔圓錐動力觸探試驗修正后的平均值N63.5=19.3擊。據(jù)現(xiàn)場多孔抽水試驗資料，粗粒土滲透系數(shù)K=10m/d，屬強透水等級[3]。在壩基粗粒中布置豎井取樣，進行大型篩分試驗，見表1。

表1 粗粒土現(xiàn)場篩分試驗統(tǒng)計

考慮壩基粗粒土層垂向上分布不均，且主要以為卵石混合土、漂石混合土為主，局部夾級配良好礫。分別取級配良好礫、卵石混合土、漂石混合土及漂卵石混合土顆分資料進行級配曲線繪制，繪制包線并取其平均線后各粗粒土天然級配情況見表2，其顆分曲線如圖1所示。天然狀態(tài)下，4種土1～3mm粒徑相對缺失，級配良好礫中小于0.5mm的顆粒含量小。將其作為室內試驗顆分配樣依據(jù)。制樣干密度(ρd)依據(jù)現(xiàn)場試驗及地層分布特征綜合考慮提供，其中級配良好礫取2.18g/cm3，卵石混合土取2.23g/cm3，漂石混合土取2.19g/cm3、漂卵石混合土取2.21g/cm3。

表2 壩基粗粒土天然級配

2.2 粗粒土室內試驗制樣

將壩基粗粒土按60～40、40～20、20～10、10～5mm，<5mm等粒徑分別取樣包裝送至試驗室，按天然級配情況(見表2)及現(xiàn)場測試干密度采用等量代替法[4]進行配樣及試驗。配樣后級配見表3。

表3 壩基粗粒土按等量代替法配樣試驗級配

圖1 壩基粗粒土天然級配曲線

2.3 粗粒土比重試驗

因試樣模擬級配中粒徑大于20mm的顆粒含量均超過10%，按要求對粒徑大于5mm的顆粒比重采用虹吸筒法，小于5mm的顆粒比重采用比重瓶法。按其所占的顆粒百分含量取其加權平均值，見表4。

表4 比重試驗成果

2.4 壩基粗粒土相對密度

相對密度是指最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值。最大孔隙比采用裝填法測定，最小孔隙比采用振密法測定。天然孔隙比通過制樣干密度及顆粒比重計算求得。壩基粗粒土相對密度試驗結果見表5。天然狀態(tài)下卵石混合土孔隙比相對較小。

表5 壩基粗粒土相對密度試驗結果

2.5 粗粒土滲透及管涌試驗

測定壩基粗粒土滲透系數(shù)及管涌變形破壞下的臨界坡降、破壞坡降，為壩基滲漏及滲流穩(wěn)定計算提供基本參數(shù)。粗粒土滲透系數(shù)及管涌破壞各參數(shù)成果見表6。臨界坡降與滲透系數(shù)呈正相關關系。

對于無黏性土，不均勻系數(shù)cu大于5，細顆粒含量小于25%時，滲透變形類型為管涌，其臨界坡降可采用表7中公式進行計算[3]。壩基粗粒土為無黏性土，不均系系數(shù)為27.5～270.4，細粒顆粒含量Pc=18%～24%，確定滲透變形類型為管涌。采用管涌或過渡型公式計算臨界坡降為0.13～0.80，其中對于漂、卵石混合土計算值小于試驗值，對于級配不良礫計算值稍大于試驗值。采用管涌型公式計算臨界坡降為1.38～6.40。可看出采用管涌型公式計算值與試驗值差別較大。可看出臨界坡降管涌型計算公式并不適用于所有土類[5]。

表6 壩基粗粒土滲透系數(shù)及管涌破壞變形成果

3 壩基粗粒土力學特性

采用前述方法進行配樣后，對壩基漂石混合土、卵石混合土及級配良好礫進行了固結試驗、靜三軸試驗及動三軸試驗。

3.1 壩基粗粒土固結試驗

對壩基粗粒土飽和狀狀下進行了固結試驗，查明粗粒土在各級壓力下壓縮性能，及不同孔隙比時的滲透性能，并推算了粗粒土變形模量(見表8)。繪制了粗粒土壓縮曲線(P-e)(如圖2所示)及滲透系數(shù)與孔隙比(K-e)關系數(shù)曲線(如圖3所示)。壩基級配不良礫、卵石混合土、漂石混合土其壓縮系數(shù)較小，均為低壓縮性土，壓縮模量較大，隨壓力增大孔隙比變幅不大。在各級壓力作用下，滲透系數(shù)在同一數(shù)量級范圍內變化，壩基粗粒土壓縮性對滲透系數(shù)影響較小。

表7 依據(jù)公式進行滲透變形判別成果

表8 壩基粗粒土固結試驗成果

圖2 壩基粗粒土P- e壓縮曲線

圖3 壩基粗粒土K- e關系曲線

3.2 粗粒土三軸壓縮試驗

對壩基粗料土進行了高壓靜三軸的固結排水剪(CD)，通過不同周圍壓力下的固結排水剪切試驗得到相應的應力、應變、體變及回彈曲線。分別按庫倫強度參數(shù)、冪函數(shù)強度參數(shù)、非線型模型參數(shù)(E-μ、E-B模型)3種方法確定抗剪度[6]。成果分別見表9—12。壩基不同級配曲線的粗粒土三軸抗剪強度相差較小。綜合考慮，壩基粗粒土飽和狀態(tài)固結排水剪(CD)抗剪強度建議值c=0kPa，ψ=35.0°

3.3 壩基粗粒土大型三軸動力試驗

壩基粗粒土按表3配制級配不良礫(JPL)和漂卵石混合土(PLT)做了飽和狀態(tài)下的大型動三軸試驗。試驗的動強度以軸向應變?yōu)?%作為破壞標準[4]。

表9 壩基粗粒土固結排水剪(CD)庫倫強度參數(shù)

表10 壩基粗粒土固結排水剪(CD)強度冪函數(shù)參數(shù)

表11 壩基粗粒土固結排水剪(CD)強度E- u模型參數(shù)總表

表12 壩基粗粒土固結排水剪(CD)強度E- B模型參數(shù)總表

表13 不同測壓下振次Nf=10、20、30時動應力比值及動強度指標

3.3.1動應力比值與振次的關系

粗粒土飽和狀態(tài)在動力作用下的破壞強度特征指標的確定，采用固結側壓力分別為200、600、1000、1600kPa，固結比Kc=1.5時，動強度試驗整理得到的動應力比值(σd/2σ3)與振次(Nf)的關系曲線，二者在雙對數(shù)坐標上可以表示成為直線關系，取其截距(A)和斜率(B)，二者關系可用下式表示：

(1)

其動應力比值與振次的關系及參數(shù)見表13。動應力比值隨振次的增加而降低。當A、B2個參數(shù)確定后，就可求得任一振次下的動應力比值。

3.3.2動強度指標

根據(jù)動應力比值整理的動莫爾圓強度包線求得，動強度特征指標見表13。就強度指標內摩擦角φd而言，漂卵石混合土稍高于級配良好礫。

3.3.3孔隙水壓力

試驗表明，當固結比Kc=1.5時，軸向應變達到破壞標準(5%)時，孔隙水壓力達到固結側向壓力的80%。在固結比Kc=1.5時、不同固結壓力下孔隙水壓力的產生和變化規(guī)律可用u/σ3～N/Nf關系表示，Nf表示在不排水條件下達到預定破壞標準時的振次，N表示任一等效均勻應力的振次，u/σ3為相應振次的孔壓比。二者可用下式表示：

u/σ3=-(N/Nf)m+q(N/Nf)

(2)

式中，m、q—擬合參數(shù)，見表14。

表14 破壞孔壓比及孔隙水力壓力參數(shù)

3.3.4最大動剪模量

(3)

式中，Pa—大氣壓力；k—試驗常數(shù)，為直線在縱軸上的截距；n—試驗常數(shù)，為直線的斜率。

表15 破壞孔壓比及孔隙水力壓力參數(shù)

3.3.5動剪模量比和阻尼比與動剪應變的關系

由動應變(εd)可求得動剪應變γd=εd(1+μ)。將達到的不同動剪應變下的動剪模量比值Gd/Gdmax和動剪應變γd的關系在半對數(shù)坐標上繪出，以Hardin經驗公式的形式對Gd/Gdmax-γd關系曲線進行擬合得出關系式：

Gd/Gdmax=1/(1+γd/w)

(4)

式中，w—擬合參數(shù)。

不同應變下的阻尼比可由下式計算：

λd=A/4πAt

(5)

表16 不同動剪應變時動剪模量比、阻尼比值

式中，A—三軸動力試驗所得到滯回圈的面積，cm2；At—三角形的面積，cm2。

將阻尼比λd與動剪應變γd的關系在半對數(shù)坐標上繪出曲線，用Hardin經驗公式的形式對λd～γd關系曲線進行擬合得出關系式：

λd=aγd/b/(1+γd/b)

(6)

式中，a、b—擬合參數(shù)。

不同動剪應變下的動剪模量比值Gd/Gdmax和動剪應變γd試驗值、擬合參數(shù)見表16。動剪模量和阻尼比隨剪應變的增大而變化，表明粗粒土具有的非線性性質。

4 結語

壩基粗粒類土巖性以卵石混合石、漂石混合土為主，局部為級配良好礫，天然狀態(tài)下相對密度0.80～0.83，三種土力學性質差別小。其各項指標均可滿足粗粒土作為填筑料質量要求【7】。壩基粗粒土具強透水性，存在滲漏及滲透變形問題。壩基設截水槽后，可作為壩基持力層。臨界坡降管涌型計算公式對粗粒類土并不適用。

壩基粗粒土固結試驗表明其壓縮系數(shù)較小，為低壓縮性土，壓縮模量較大，隨壓力增大孔隙比變幅不大；粗粒土破壞強度隨著固結應力的增大而逐漸增大，強度指標與顆粒級配關系不大，分析與卵礫石成分有一定關系。粗粒土動三軸試驗得到動應力比值與振次的關系、動強度指標、孔壓比與振次關系以及動剪模量和阻尼比關系，并計算出所需參數(shù)，可滿足抗震穩(wěn)定計算要求。壩基粗粒土試驗成果資料為類似工程提供了參考。