前坪水庫人工擾動砂礫石料特性研究

寧保輝 董振鋒 韋哲

摘 要：受料場人工采砂影響，前坪水庫人工擾動料儲量占砂礫料料場總儲量的80%，這種筑壩材料的力學特性成為影響大壩填筑質量的關鍵因素。通過開展人工擾動砂礫石料室內三軸剪切試驗、流變試驗、尺寸效應分析、數值模擬等，對其物理力學性質等進行了深入分析。結果表明，細粒含量低于最佳含量的砂礫石料壓實后能滿足設計要求，該種壩料是一種合格的筑壩材料。大壩填筑完成后，經過一個汛期蓄水運行，大壩沉降、水平位移、壩基壩體滲水量均較小，大壩結構安全。

關鍵詞：砂礫石料;細顆粒缺失;人工擾動;土石壩;前坪水庫

Abstract：In general， the optimal compaction can be achieved when the particle content of gravel （less than 5mm）is about 30%. Due to the influence of artificial sand mining， the particle content （more than 5 mm） of gravel in Qianping Reservoir is 74%-98%， and the content of fine particles is relatively small. The reserves of artificial disturbance materials account for 80% of the total reserves of the gravel quarry. The mechanical properties of artificial disturbance gravel become the key factors affecting the dam filling. Through triaxial shear test， rheological test， size effect analysis， numerical simulation and so on，its physical and mechanical properties were analyzed in depth. It is proved that the sand gravel with fine particle content lower than the optimum content can still meet the design requirements after compaction， This kind of dam material is a qualified dam building material. After the completion of the dam filling， the dam settlement， horizontal displacement and seepage of the dam foundation are small and stable， and the dam structure is safe.

Key words： sand gravel; loss of fine particles; artificial disturbance; earth rock dam; Qianping Reservoir

土石壩壩殼是維持壩體穩定的主體，是采用材料類型最多的分區。河南省前坪水庫大壩黏土、反濾料和壩殼料總填筑量為1 275萬m3，其中上、下游壩殼采用砂礫石料及開挖利用料填筑，砂礫石料總填筑量為885萬m3。一般用于筑壩的砂礫石料小于5 mm的顆粒含量約為30%時，可以實現最優壓實[1]。前坪水庫壩殼料設計為天然級配砂（卵）礫石料，但由于前期設計及施工階段一直存在河道人工采砂現象，因此砂礫石料場上層細顆粒缺失，小于5 mm的細顆粒含量變化范圍為2%～26%，與天然級配砂礫石料相比在級配曲線、物理力學性質等方面發生了不同程度的變化，其人工擾動料占料場總儲量的80%，這種筑壩材料的力學特性、壓實特性、施工工藝及控制標準成為影響大壩填筑的關鍵因素，如按照傳統觀念，需更換砂礫石料料場或對擾動料采取工程措施進行處理。由于壩殼砂礫石料使用量大，不管采用何種方法都將造成工程投資大量增加，且會改變施工工藝及進度，影響整個工程的進展，因此針對該種壩料進行了三軸剪切試驗、流變試驗、尺寸效應分析、數值模擬等，分析低細顆粒含量砂礫石料筑壩的可行性。

1 人工擾動砂礫石料試驗研究

1.1 三軸剪切試驗

為了研究人工擾動砂礫石料力學性質，對其進行三軸剪切試驗[2]，試驗方法為飽和固結排水剪（CD），圍壓σ3分別為400、800、1 000、1 200 kPa。前坪水庫壩殼料（人工擾動料）飽和CD試驗曲線見圖1（其中σ為應力、τ為剪應力），強度指標見表1，鄧肯模型參數見表2。

從表1、表2可以看出，天然級配砂礫石料與人工擾動砂礫石料線性與非線性強度值基本一致，鄧肯模型參數略有差別。

1.2 縮尺效應研究

粗粒料的縮尺效應是客觀存在的，受多種因素的影響，經過縮尺后的替代級配粗粒料在顆粒的大小、形狀、組成和顆粒強度方面都和原型級配粗粒料有很大差別，這就導致了縮尺后堆石材料和現場筑壩材料的力學性質之間存在一定的差異[3]。

通過物理試驗、數值模擬以及反演分析研究可以發現：縮尺前后試樣粒徑尺度差別越大，粗粒料實際與室內試驗測得的物理力學性質差別越大;對于堆石材料或可破碎的材料，試樣的彈性模量隨著試樣最大粒徑的增大而減小;對于砂礫石料或不可破碎的材料，試樣的彈性模量隨著試樣最大粒徑的增大而增大;試樣的摩擦角有相似的變化趨勢[4]。

從工程應用角度看，高堆石壩中的原型粗粒料與實驗室內測試粗粒料最顯著的差異在于顆粒尺度差異，因此變形特性尺寸效應研究最主要的目標集中于提出變形參數與代表性粒徑（如最大粒徑）的相關關系，并建立合理的從實驗室測定變形參數推求現場變形參數的方法。在相同試驗條件下，不同級配試樣的彈性模量之間隨著粒徑的變化并不是單純的線性關系，而是近似呈指數形式的變化趨勢。綜合既有成果，堆石料現場模量多低于實驗室模量，而砂礫石現場模量則多高于實驗室模量。提出統一考慮堆石料、砂礫石等粗粒料的變形特性尺寸效應，利用實驗室變形模量推求現場變形參數的經驗關系，即

目前，對于堆石材料特性的計算研究常用的本構模型為鄧肯E-B模型，通過計算研究發現，該模型中的參數K、Kb、Kur、m和n值對計算結果影響較大。從堆石材料的縮尺效應研究得出，顆粒的尺度效應對K、Kb、Kur值影響較大，而對m、n值影響較小。參數K值與切線模量Et的關系式為

由式（3）可知，在相同的圍壓條件下，切線模量和參數K值表現出相同的變化趨勢。因此，在已有算式的基礎上，將顆粒尺度效應對堆石材料變形特性的影響推廣到Duncan模型。模型計算參數與顆粒尺度變化的關系為

式中：下標in-situ表示原型級配的計算參數;下標LAB表示室內試驗得出的計算參數;c1為參數，根據不少于3個不同粒徑的試驗資料整理獲得，對砂礫石取負值，對堆石取正值。

前坪水庫上壩砂礫石料的最大粒徑約為300 mm，室內試驗試樣砂礫石料的最大粒徑約為60 mm，根據不同縮尺比壓縮試驗結果推算，c1≈-0.1，計算得到現場砂礫石料的壓縮模量約為室內試驗材料的1.1倍。因此，為反映尺寸效應的影響，將壩殼砂礫石料的鄧肯E-B模型參數K、Kb、Kur分別提高10%進行大壩三維應力變形計算。

1.3 側限壓縮流變試驗

為測定前坪水庫砂礫石材料在側限條件下的流變特性，開展側限壓縮流變試驗。試驗軸向荷載采用應力控制方式施加，堆石料的試驗壓力等級為100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。由于流變變形穩定尚無統一標準，因此參照經驗，本次流變變形穩定標準確定為每級壓力下穩定時間不小于7 d，或24 h軸向變形小于0.01 mm。應變起始點以荷載分別達到各級荷載的時刻為流變應變計算的時間起始點，把此刻的試樣高度作為流變應變計算的試樣高度（需進行試樣高度修正），以此刻的壓縮變形量作為流變應變計算的壓縮變形起始點。以此計算試樣在不同壓力等級下流變時程變化情況，繪制的流變應變變化曲線見圖2，對不同豎向荷載等級條件下的流變應變值進行了整理分析，見表3。

由表3可以看出，隨著豎向壓力的增大，試驗材料的流變應變明顯增大，低應力條件下流變應變較小，高應力條件下流變應變較大。各級荷載條件下流變變形的發展規律基本相同。

目前，對于流變試驗中流變的起點認識不一。本次試驗以加載的各級豎向荷載為引起流變變形的力學起點，繪制變形與時間的關系，綜合本次試驗中不同最大控制粒徑條件下的試驗結果，認為宜采用如下公式計算最終流變量：

對砂礫石料各級豎向壓力等級條件下的側限壓縮流變時程曲線以橫軸為常坐標和對數坐標分別進行擬合。為更好地觀察試驗初期及遠期預測的擬合效果，橫軸為常坐標擬合時，選取最長時間為700 h（約29 d）的數據，擬合情況見圖3（a）;橫軸為對數坐標擬合時，選取最長時間80 000 h（約9 a）的數據，擬合情況見圖3（b）。

2 大壩數值模擬與安全監測資料分析

2.1 三維應力變形分析

根據實際設計方案和壩址區地形地質條件建立了三維有限元模型，在應力變形的計算過程中，筑壩材料及壩基砂礫石層均采用鄧肯E-B模型[5-6]，考慮砂礫石料模型參數尺寸效應及流變因素[7]。分析整理的位移為自壩體相應位置填筑后開始計算至特定時刻的累計變形。典型橫斷面樁號0+550（最大壩高斷面）竣工期和滿蓄期位移計算結果見圖4、圖5。

根據大壩三維應力變形計算結果，大壩竣工期最大豎向位移為1.49 m，為最大壩高的1.65%，上游壩殼的位移最大值為0.32 m，下游壩殼的位移最大值為0.25 m;大壩的大、小主應力最大值均出現在壩殼底部靠近心墻的位置，大主應力最大值約為2.4 MPa，小主應力的最大值約為0.6 MPa?？⒐て诖髩蔚膽λ阶畲笾导s為0.6，出現在心墻內。大壩滿蓄期最大沉降量仍然出現在心墻中部，最大值為1.43 m，較竣工期有所減小;受水庫蓄水影響，大壩的順河向位移變化較大，向下游位移最大值位于壩體頂部，為0.41 m，向上游位移值有所減小，最大值位于上游壩殼底部靠近壩踵部位，為0.2 m;壩體的大、小主應力最大值均出現在下游壩殼底部靠近心墻的位置，大主應力最大值約為2.4 MPa，小主應力的最大值約為0.5 MPa，與竣工期計算結果基本相當，分布趨勢有所變化，上游壩殼的主應力值明顯減小，受庫水推力的影響，上游壩殼的應力水平整體較大，但均不超過1.0。

2.2 安全監測資料分析

前坪水庫2020年3月20日下閘蓄水，截至2020年10月19日，水庫蓄水至384.97 m，下閘蓄水以后庫區水位上升40.57 m，距離正常蓄水位403.00 m還剩18.03 m。大壩填筑完成經過一個汛期，水庫蓄水至較高水位，通過安全監測資料分析，對人工擾動砂礫石料筑壩安全性、可靠性進行驗證。

（1）沉降觀測。根據大壩沉降觀測資料，2020年3月20日至2020年9月30日黏土心墻各測點最大沉降量為3～6 cm，下游壩殼砂礫石料各測點最大沉降量為4～5 cm。壩頂累計沉降量為5.37～7.12 cm，遠小于大壩預留沉降超高（50 cm）。

根據大壩水管式沉降儀埋設斷面觀測數據，2020年3月20日至2020年9月30日各高程測點累計沉降量如下：①壩體364 m高程測點最大沉降量為3.6～4.5 cm;②壩體384 m高程測點最大沉降量為4.6～6.4 cm;③壩體404 m高程測點最大沉降量為5.6～6.5 cm。

（2）水平位移。大壩0+410、0+545、0+640斷面布設測斜管觀測位移。土體內部測點處累計位移觀測值穩定，最大位移1.65 mm，壩體基本穩定。

大壩填筑完成后，經過一個汛期蓄水運行，大壩沉降、水平位移、壩基壩體滲水量均較小、穩定，大壩結構安全。通過安全監測資料分析，人工擾動砂礫石料是一種合格的筑壩材料。

3 結 語

砂礫石料作為土石壩廣泛采用的一種材料，填筑量較大，其物理力學性質、壓實性能、效率對工程造價影響明顯。前坪水庫砂礫石料場細顆粒含量低于最優壓實范圍要求，為了研究該種壩料是否滿足筑壩要求，開展人工擾動砂礫石料室內三軸剪切試驗、流變試驗、尺寸效應分析、數值模擬等，對其物理力學性質等特性進行了深入分析，論證了細粒含量低于最佳含量的砂礫石料壓實后依然能滿足設計要求。大壩填筑完成后經過一個汛期蓄水運行，大壩變形較小、穩定，說明該種壩料可以作為一種合格的筑壩材料，在設計安全方面能滿足要求。

參考文獻：

[1] 鄧銘江，夏新利，李湘權，等.新疆粘土心墻砂礫石壩關鍵技術研究[J].水利水電技術，2011，42（11）：30-37.

[2] 趙磊峰，徐進，高春玉，等.土石壩砂卵石作壩殼料土工試驗的研究[J].西南民族大學學報（自然科學版），2007，33（2）：403-407.

[3] 翁厚洋，朱俊高，余挺，等.粗粒料縮尺效應研究現狀與趨勢[J].河海大學學報（自然科學版），2009，37（4）：2187-2197.

[4] 武利強，朱晟，章曉樺，等.粗粒料試驗縮尺效應的分析研究[J].巖土力學，2016，37（8）：425-429.

[5] 李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004：54-56.

[6] 徐澤平.當代高堆石壩建設的關鍵技術及巖土工程問題[J].巖土工程學報，2011，33（1）：27-33.

[7] 歷從實，武穎利，皇甫澤華，等.前坪水庫砂礫石黏土心墻壩三維流固耦合分析[J].人民黃河，2019，41（9）：118-122.

【責任編輯 張華巖】