高濕環境土石壩土料比選分析和物理性能研究

肖 拓,石繼忠,林 平

(浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000)

1 概述

在分區土石壩工程施工中,往往需開采利用大量全風化土料,但土料開采過程中往往存在同一土料場分布著不同性狀的土[1-2],由不同性狀土料天然含水率、最優含水率、土料物理性質均不同,導致分區土石壩填筑施工過程中質量管控難度增大,本文基于某抽蓄工程土料場內不同物理性質的兩種土料開展對比試驗[3-4],該料場土料主要分為花崗巖風化土[5-6]及晶屑凝灰巖風化土[7],通過一系列的對比試驗,驗證不同土料物理性質[8-9]的優劣,為工程全風化土料填筑提供了充分的技術支持。

本電站位于東南沿海區域,屬于一等大(1)型工程,總裝機容量1 200 MW;上水庫位于白云鄉,主要擋水建筑物均為分區土石壩。全風化土填筑區上游坡度為1∶0.75,下游坡度為1∶2.2。全風化土填筑區與堆石區之間、排水陵體之間設反濾層和過渡層。上庫主壩典型剖面圖見圖1。

2 試驗方法

本次試驗所需試樣均在全風化土料場現場取樣,試樣具體取樣位置及巖性見表1。

表1 試驗取樣位置及巖性

為檢驗晶屑凝灰巖風化土及花崗巖風化土全風化土料的物理性能,對花崗巖風化土全風化土料分別開展了顆粒分析試驗、界限含水率試驗、擊實試驗、靜力三軸試驗等一系列土工試驗,通過試驗結果來總結分析不同土料的物理特性。

3 靜力特性試驗過程與結果

3.1 擊實試驗結果對比

分別對晶屑凝灰巖風化土和花崗巖風化土開展了擊實試驗,擊實試驗結果見表2。

表2 晶屑凝灰巖風化土和花崗巖風化土擊實試驗結果

從試驗數據來看兩種風化土料密度基本一致,但在壓實后晶屑凝灰巖風化土的最大干密度和最優含水率明顯優于花崗巖風化土,更有利于碾壓施工,同時根據TK2擊實最大干密度發現該處土料不滿足工程施工需求,晶屑凝灰巖風化土工程性質有明顯的優勢。

3.2 滲透試驗結果對比

分別對晶屑凝灰巖全風化土和花崗巖全風化土開展了滲透試驗,滲透系數試驗結果見表3。

表3 晶屑凝灰巖風化土、花崗巖風化土滲透系數試驗結果

從試驗數據來看兩種風全化土料在壓實度均達到96%時,花崗巖風化土滲透系數更小,其防滲性能較晶屑凝灰巖要好,但兩種風化土料的防滲性能均能達到規范要求,均可用于工程施工。

3.3 顆粒分析和界限含水率結果對比

分別對晶屑凝灰巖風化土和花崗巖風化土開展顆粒分析、界限含水率試驗及滲透系數試驗結果見表4。

表4 晶屑凝灰巖風化土、花崗巖風化土顆粒分析及界限含水率試驗結果

從試驗數據來看晶屑凝灰巖風化土其顆粒級配優于花崗巖風化土,并且在該工程上其液性指標和塑性指標均比較穩定,土料應用較為穩定,工程性質優于花崗巖風化土。

3.4 靜力三軸試驗結果對比

分別對比開展了TK1，TK3的靜力三軸試驗。試驗根據干密度的要求、級配曲線計算并結合試樣的尺寸設計試樣,然后采用抽氣法飽和。飽和后分別施加300 kPa，500 kPa，800 kPa和1 000 kPa圍壓的方式對試樣進行固結,試樣固結穩定后對于固結排水試驗,始終保持排水條件,開展固結排水剪切試驗;關閉排水閥進行固結不排水剪切試驗。試樣的剪切過程及時采集數據,并繪制相應圖表,整個試驗過程均按相關規范進行。

3.4.1 鄧肯模型參數整理

1)土的抗剪強度指標c,φ值。

首先選取試樣TK1和TK3進行試驗,并根據試樣TK1和TK3不同圍壓σ3條件下的表現繪制q-ε1圖,根據該圖得到峰值強度qfi(i=1，2，3，4)和(σ1fi，σ3fi)(i=1，2，3，4),而后分別計算得出c和tgφ。

2)土的初始切線模量Ei和破壞比Rf。

3)參數k，n。

4)參數F,D,G。

5)參數φ0，Δφ。

繪制φ-lgσ3關系曲線,計算不同圍壓時的φ。

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(1)

其中，φ0為當σ3/pa為1時的剪切角φ值，(°);Δφ為當σ3上升到10倍的剪切角的變量，(°)。

6)參數Kb，m。

試樣TK1和TK3初始切線體積模量Bi按式(2)計算:

(2)

其中，εv為與應力水平對應的體積應變。在雙對數坐標上繪制Bi/pa-σ3/pa,得到如下關系式:

lg(Bi/pa)=lgKb+m·lg(σ3/pa)

(3)

(4)

其中，Kb為當σ3/pa為1時縱坐標上的截距;m為lgBi/pa-lgσ3/pa關系曲線的斜率。

3.4.2 “南水”雙屈服面模型參數

試樣TK1和TK3模型包括k，n，Rf，φ0，Δφ，cd，nd，Rd共8個參數,前5個參數的整理方法同3.4.1小節。

1)參數cd，nd。

εvd和σ3的關系如下:

(5)

其中，pa為大氣壓,量綱與σ3相同;cd，nd分別為lgεvd與lg(σ3/pa)直線的截距和斜率。

2)參數Rd。

(6)

其中，(σ1-σ3)d為εvd對應的偏應力。

由固結不排水剪和固結排水剪三軸試驗整理得到的強度指標見表5;由三軸固結排水剪試驗結果,整理得到的鄧肯E-μ和E-B模型參數見表6，表7,南水模型參數見表8。

表5 試樣TK1和TK3三軸試驗強度指標

表6 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗鄧肯模型(E-μ)參數表

表7 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗鄧肯模型參數表

表8 試樣TK1和TK3三軸剪切試驗“南水”模型參數表

0.96壓實度條件下的飽和三軸試驗結果顯示:晶屑凝灰巖風化土的強度指標φ為29.3°,模型參數K為195.5;花崗巖風化土的強度指標φ為28.0°,模型參數K為139.1。試驗結果宏觀顯示:晶屑凝灰巖風化土力學指標優于花崗巖全風化土。

4 結語

工程環境當地海拔低、濕度大在土料含水率高的情況下,中低土石壩工程中,填筑土料的選取不能單一的考慮壩體防滲性能,即透水率越低越好。應綜合考慮土料各類性能指標,選取綜合性能好的土料更有利于壩體填筑。

通過試樣三軸固結排水不排水剪切試驗,獲得了鄧肯-張本構模型及“南水”雙屈服面本構模型參數,為開展土石壩力學分析數值計算的參數選取提供了依據。試驗結果表明,晶屑凝灰巖風化土的工程性質和力學指標均優于花崗巖全風化土,晶屑凝灰巖風化土的滲透系數略遜于花崗巖全風化土,因此本工程分區土石壩全風化土料場地址選取時應優先考慮晶屑凝灰巖風化土。