古河床崩坡堆積物作為天然堆石壩壩基的適宜性研究

劉萬林,賈東彥

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

堆積物系指第四紀堆積作用而形成的地質體，是崩滑體、垮塌體、及第四系沉積體等一種或幾種的組合體，屬斜坡變形破壞后的產物[1]。在中國西北及西南部河谷中廣泛發育和分布著第四紀松散堆積物，它們是典型內外力耦合作用的產物[2]。其中古河床堆積物堆積年代較久，堆積厚度較大，結構多較密實，是一套成因多樣、成分復雜、結構無序、土石混雜堆積的特殊地質體，近年來受到土力學、巖體力學及工程地質學等相關學科的廣泛關注，已成為新的、重要的研究課題[3]。本文以大石峽水利樞紐工程為背景，通過現場地質調查測繪及鉆孔、平硐等勘探手段，查明古河床崩坡堆積物的平面范圍及空間形態，通過室內試驗，查明堆積物的工程物理特性，研究其分布特征及工程特性，為后期治理及工程設計提供依據。

1 概 述

大石峽壩址右岸壩軸線下游沿河發育Ⅲ級階地古河床，高程1 543.00～1 550.00 m，其上分布有大范圍、深厚崩坡積堆積物。現場地質調查測繪及鉆孔勘探資料表明，崩坡堆積物順河向長約670 m，垂直河向長約80～125 m。天然坡度35°左右，厚度一般50 m左右，鉆孔揭露最大厚度83.5 m。古河床堆積物分布詳見圖1，典型工程地質橫剖面見圖2。崩坡堆積物未見變形破壞跡象；堆積物中被沖溝切割的近直立露頭自穩能力較強，未見崩塌、溜滑特征；右岸臨時道路從堆積物內部低高程穿過，從道路開挖揭露斷面來看，堆積物擠壓密實，孔隙率低；道路開挖邊坡最高15 m，開挖坡度65°左右，未采取支護措施，但邊坡自穩能力較好，也未見失穩破壞跡象，崩坡堆積物總體穩定。

圖1 崩坡積堆積物平面分布

根據三維傾斜攝影成果計算，堆積物方量約586萬m3，其中壩體填筑范圍內約162萬m3[4]。合理利用崩坡堆積物作為壩體一部分，可以減少工程開挖量而節省投資，也可避免因大挖方引起的次生不良地質問題，如高邊坡穩定問題。因此，有必要進一步研究崩坡堆積物的工程特性及其作為壩基的適宜性。

圖2 右岸古河床堆積物典型工程地質剖面

2 古河床崩坡堆積物的工程特性

2.1 堆積物物理特性

(1) 顆粒分析

根據現場顆分試驗成果顯示，大于200 mm的塊石粒組平均含量為13.7%，60～200 mm碎石粒組平均含量為16.7%，2～60 mm的角礫粒組平均含量為51.6%，小于5 mm細粒粒組平均含量為23.2%，小于2 mm細粒粒組平均含量為18.6%，小于0.075 mm粉粒粒組平均含量為5.9%。顆分曲線見圖4。由圖可知，d60=41.0 mm，d30=9.7 mm，d10=0.2 mm，經計算得，不均勻系數Cu=205.0，曲率Cc=11.47，碎塊石土顆粒組成以粗粒為主。堆積物顆分曲線見圖3。

圖3 堆積物顆分曲線圖

(2) 滲透分析

根據現場滲透試驗結果，堆積物滲透系數K值為2.87×10-3～4.29×10-3cm/s，平均3.53×10-3cm/s，具強透水性。堆積物臨界坡降為0.27～0.37，平均0.32，允許水力比降0.10～0.20。

根據相關規范[7]判斷碎塊石土的滲透變形類型如下：細顆粒含量P=17%，P<25%，該無粘性土滲透變形類型為管涌。根據前期勘察成果，底部砂卵礫石的d10=0.7 mm，則D10/d10=0.2/0.5=0.4，D10/d10<10，因此碎塊石土與下部砂卵礫石層接觸部位不存在接觸沖刷問題。

(3) 密實度

本次密實度測試采用圓錐重型動力觸探，測試深度3.0～19.2 m，巖性為碎塊石土，現場觸探試驗數值整體隨深度增加錘擊數呈增大趨勢，符合一般規律。其中0～5 m錘擊數為3～20擊，修正后錘擊數為2.4～14擊，平均值7.5擊，土體結構松散至中密，以稍密為主；5 m以下錘擊數為28～63擊，修正后錘擊數為19.1～40.3擊，平均值35.2擊，土體結構中密至密實，以密實為主。

(4) 物理性質指標

根據土體簡分析試驗成果，匯總碎塊石土物理性質指標見下表。由表1可知，碎塊石土天然密度2.17～2.22 g/cm3，均值2.20 g/cm3；天然干密度2.12～2.19 g/cm3，均值2.15 g/cm3；天然含水率1.2%～3.2%，均值2.3%，土體偏干燥；孔隙比0.259～0.294，均值0.275，結構密實；壓縮系數0.03～0.04，均值為0.04，為低壓縮土。

表1 崩坡堆積物載荷試驗成果

2.2 堆積物的力學特性

(1) 剪切試驗

堆積物擾動樣室內抗剪試驗結果顯示，摩擦角為38.6°～39.9°，平均39.4°，凝聚力為14～17 kPa，平均15 kPa。堆積物天然坡度約35°，小于堆積物摩擦角，由此也可以看出來，堆積物邊坡整體較穩定。

(2) 現場荷載試驗

現場載荷試驗在穿過堆積物的12號路路面(碎塊石土)挖坑進行，試驗成果(表2)表明，天然狀態下堆積物具有較高的承載力及抗變形性能，極限承載力2.210～2.328 MPa，平均2.281 MPa。屈服極限承載力1.867～2.112 MPa，平均2.006 MPa，比例極限承載力1.228～1.375 MPa，平均1.277 MPa。變形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。根據設計要求[9]，壩體堆石料壓縮模量為89～113 MPa，轉換為變形模量為66～84 MPa。古河床堆積物變形模量遠大于大壩堆石體變形模量。

表2 崩坡積堆積物載荷試驗成果

(2) 旁壓試驗

現場在堆積體范圍內選取了4個試驗點，每個點布置2～5個鉆孔，針對該地層分別進行天然狀態和飽和狀態下的旁壓試驗，但具體實施時發現，由于該地層滲透系數偏大，土層較厚， 干孔(灌水孔)灌水后孔內水位迅速下降，且壩址地處陽光強烈、蒸發嚴重地區，浸潤孔周邊土體可能不能完全飽和，僅處于非飽和狀態，部分典型試驗成果見表3。

表3 旁壓試驗成果

現場原位旁壓試驗結果顯示：堆積體測試深度1.8～29.0 m，原位水平土壓力39～268 kPa，平均值為115.8 kPa；臨塑壓力2 265～4 462 kPa，平均3 401.2 kPa；極限壓力4 365～6 950 kPa，平均值為5 997.0 kPa；旁壓模量38.4～110.4 MPa，平均值為73.3 MPa。由表可知：隨著土層深度增大，旁壓模量增大趨勢明顯，說明埋深越大，土的力學性能更好，符合一般規律；土體濕潤后，旁壓模量有所降低，降低8.9%～32.2%。

3 壩基適宜性評價

對于分布在右岸壩后古河床的崩坡堆積物，能否作為壩線下游堆石體壩基，下面結合專題試驗成果[4]和堆石壩規范[5-6]的要求進行分析與評價。

(1) 碾壓土石壩要求堆石壩材料土石類型宜為“天然砂、礫石、卵石、碎石、漂石和開挖石渣料并具較強的抗風化能力，不宜用粉砂”。根據顆分試驗成果，古河床崩坡積堆積物定名為“混合土碎石(CbSI)”，屬無粘性土，母巖成分為中硬-堅硬的灰巖，堆積體物質組成總體滿足規范要求的土石類型。

(2) 碾壓土石壩要求堆石壩材料級配連續以保證孔隙充填均勻、密實，而古河床崩坡堆積體主體為塊石、碎石及砂，顆粒以粗大的漂、塊石為主，約占30.4%，2～60 mm顆粒約占51.6%，小于5 mm細粒約占23.2%，小于0.075 mm粉粒約占5.9%，顆粒級配較連續，粒徑級配總體滿足規范要求，可類比為砂礫石。

(3) 碾壓土石壩要求堆石壩上壩材料的壓實度達到0.93～0.96，對應干密度2.18～2.25 g/cm3。而現場探坑測試的平均干密度均值2.15 g/cm3，堆積體壓實度約0.92，且密度測試樣本中壓實度大于0.93(即干密度大于2.13 g/cm3)數量約70%。如果考慮其上堆填約80～120 m厚的壩體填筑料，還可進一步壓密，應能基本達到0.93的壓實度。

(4) 碾壓土石壩要求堆石壩壩殼料作為填筑料時，位于地下水位以下應有較好的透水性，使壩體浸潤線較低，防止出現滲透破壞。堆積體現場滲透試驗成果顯示，滲透系數平均值約3.53×10-3cm/s，總體在1.0×10-3cm/s以上，能滿足規范要求的強滲透特性要求。

(5) 堆積物擠壓密實，室內試驗成果表明碎塊石土孔隙率均值為21.6%，高于壩體填筑的塊石料孔隙率控制指標(≤18%)，但從現場開挖邊坡看，堆積物擠壓密實，開挖困難，圓錐重力觸探擊數也高。施工過程中，通過剝離表部5 m相對松散土層，進行碾壓后，其孔隙率能達到18%。

(6) 碾壓土石壩要求堆石壩料有較高的強度、抗變形能力和承載能力。古河床崩坡堆積體壓縮系數0.03～0.04，為低壓縮土；抗剪強度α=38.6°～39.9°，c=140～170 kPa；變形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。具有較高的強度、抗變形能力和承載能力。堆積體以上壩高不會超過120 m，低于國內已建在現代河床砂礫卵石層上的堆石壩(壩高133 m)[9]，且現代河床砂礫卵、礫石層工程性狀差于本工程古河床崩坡堆積體。

綜上所述，從堆積物主要物理力學性質指標看，清除堆積物表層5 m松散體后，經碾壓處理，總體能滿足做為堆石壩壩基的要求。

4 結 論

(1) 古河床堆崩坡堆積物地形較平順，表面未見任何拉裂變形特征，總體穩定性較好。

(2) 古河床堆積物屬強透水層，滲透破壞類型為管涌破壞，與下部砂卵石層不存在接觸沖刷問題。

(3) 表層0～5 m土體呈松散-中密狀，以稍密為主；5 m以下土體呈中密-密實狀，以密實為主。

(4) 在清除表層5 m松散體后，經碾壓處理后可做為壩基。