紅石巖堰塞壩新堆積體動三軸試驗研究

賈宇峰 許米格 相彪

摘要：牛欄江上的紅石巖堰塞壩新堆積體以石灰巖和白云巖為主，級配和密度離散性較大。同時，已有研究結果表明，紅石巖新堆積體具有黏性粗粒土性質，靜力參數具有明顯的離散性，需開展其巖土料的動力參數研究，以為將其利用改建為水利樞紐提供基礎材料數據。采用GDS動三軸儀，對紅石巖新堆積體進行了動剪切模量比與阻尼比試驗，研究新堆積體動應力應變特性及其影響因素。試驗結果表明：隨著剪應變的不斷增大，新堆積體動剪切模量比不斷減小，阻尼比隨之增大。新堆積體動力特性受圍壓影響較為明顯，最大動剪切模量隨著圍壓的增大而增大。在相同剪應變條件下，隨著圍壓、干密度、粗顆粒含量的增大，動剪切模量比逐漸增大，阻尼比逐漸減小。另一方面，新堆積體細粒含量較多，顆粒巖性復雜，風化程度差異明顯，導致其動力特性具有一定的離散性，與人工筑壩堆石料存在明顯差異。

關鍵詞：新堆積體； 顆粒級配； 密度； 動剪切模量； 阻尼比； 動三軸試驗； 紅石巖堰塞壩

中圖法分類號： TV64;P642.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.005

0引 言

2014年8月3日16：30，云南省魯甸縣發生65級地震。地震導致牛欄江左岸山體的滑坡堆積物表層松動向河床方向移動，右岸山體發生大規模滑坡、崩塌［1-2］。地震形成的堰塞體沿牛欄江方向長度大約為890 m［3］，橫向寬度大約為50 m，堰塞體總體積約1 000萬m3［4］，屬于特大型崩塌，不能直接拆除，因此需要對該堰塞體進行永久性加固處理［5］。紅石巖堰塞體現場［6］如圖1所示。紅石巖堰塞體永久整治工程通過在堰塞體中修筑混凝土防滲墻和帷幕灌漿區域建立防滲系統，并對堰塞體上部滑塌區域進行錨網噴支護和噴混凝土封閉保護等加固處理，將堰塞體改建為具有擋水功能的堰塞壩［7-8］。該水利工程是世界上首座以堰塞壩為基礎建設的具有綜合功能的水利工程［9］。

紅石巖堰塞壩壩體主要由紅石巖新堆積體、右岸滑坡體以及河床堆積體3部分構成。其中，紅石巖新堆積體是由于地震導致山體滑坡而形成的，因而其組成成分較為復雜，主要以石灰巖和白云巖為主，顆粒和級配在空間上分布不均勻。現場巖石樣品45組，其物理特性試驗成果如表1所列。新堆積體位于河谷中心區域，與防滲墻接觸區域最大，其力學特性直接影響防滲系統的安全性，是壩體安全運行的關鍵問題。昆明勘測設計研究院在現場進行了鉆孔取樣和密度試驗來分析新堆積體的物理特性。試驗結果顯示：新堆積體的顆粒級配比較寬，細顆粒含量遠高于傳統的筑壩粗粒土；并且，土顆粒巖性復雜，風化程度差別較大，導致不同采樣點新堆積體巖樣強度存在較大差別。

大連理工大學根據現場試驗數據進行了新堆積體的室內靜三軸試驗，試驗結果表明新堆積體細粒含量較高，其應力應變曲線具有類似黏性粗粒土和含礫黏土的特征。同時，較高的細粒含量提高了試樣的飽和難度，削弱了粗粒土試樣土骨架的支撐作用，增大了試樣飽和過程中的濕化變形，降低了試驗精度，增加了試驗難度。目前，對于紅石巖堰塞壩的動剪切模量及阻尼比研究相對較少，而顆粒級配和密度是影響粗粒土力學特性的關鍵性因素［10-13］。同時，紅石巖新堆積體細顆粒含量較高，開展室內大三軸動力試驗面臨飽和難度大、土骨架作用受到削弱等因素影響，因此，本文采用室內小三軸動力試驗研究紅石巖新堆積體在不同顆粒級配和密度下動力特性［14-15］，為堰塞壩的動力安全分析提供依據。

1動三軸試驗

1.1試驗方案

為了確定新堆積體室內動三軸試驗的顆粒級配及密度，昆明勘測設計研究院進行了現場鉆孔取樣和密度試驗。圖2和圖3分別為紅石巖新堆積體現場鉆孔取樣位置圖和鉆孔取樣級配圖［6］。結合圖2和圖3可以看到，土顆粒分布受空間影響較大，上部多為孤石和塊石，下部則多為碎石混砂土。從圖中可以看出，新堆積體上部顆粒離散性較大，上游（ZK133，ZK107-2）粗顆粒含量較高而堰塞體頂部區域則以細顆粒為主。新堆積體下游則是上層區域（ZK101-1，ZK105-1）以細顆粒為主，底層區域（ZK107-1，ZK107-4）以粗顆粒為主。

取樣結果表明：新堆積體顆粒級配較寬，細粒含量高于筑壩粗粒土。根據取樣結果，制定了3個級配來更準確地描述新堆積體顆粒級配的離散性。分別為下包線、平均線和上包線級配，并根據土工試驗規范要求將試驗中試樣最大粒徑限制在20 mm，試驗顆粒級配如表2所列。

由于紅石巖新堆積體顆粒較大，現場采用探坑取樣檢測密度難度大，因此用灌水法進行密度試驗。試驗結果表明，新堆積體干密度最小值為1.66 g/cm3，最大值為2.28 g/cm3。根據現場試驗結果以及現有試驗技術條件選取1.84，1.95 g/cm3和2.06 g/cm3三個試驗密度共27個方案，試驗方案如表3所列。

1.2試驗儀器

本次試驗使用的是GDS動三軸儀［16］。GDS動三軸儀最大軸向荷載為10 kN，

圍壓為2 MPa，加載頻率范圍為0～5 Hz。試驗過程中，可以通過應力和應變控制兩種方式來進行循環加載。同時由高精度傳感器來實時監測試驗過程中試樣的變形、排水量及壓力變化情況。

1.3試驗流程

試樣直徑為100 mm，高為200 mm。試驗流程如下：將烘干的土料加水拌和，需準確控制加水量保證干燥粗顆粒表面濕潤的同時，細粒依舊呈顆粒狀。將土料分3次裝入重塑筒中［17］，用擊實器搗實至干密度。由于存在較多的粗顆粒，土料的黏性較低，為避免試樣脫模時出現塌落，在重塑筒內部增加一層0.5 mm的內襯鋁板。試樣擊實后取下最外面的重塑筒，將內襯鋁板沿接縫緩慢展開。待鋁板與試樣徹底分離后，將鋁板從試樣上方取出。將承膜筒套上橡皮膜，抽取真空后將橡皮膜套在試樣上。試樣中含有較多的粗顆粒，在表面形成局部脫空區，如圖4所示。

為保證試驗的氣密性達到要求，用橡皮條將試樣固定在GDS三軸儀底座上進行氣密性檢查。

氣密性檢查完成后，分別通入CO2和無氣水開始進行水頭飽和。由于試樣中細顆粒含量較高，水頭飽和不能滿足飽和度要求，因此在水頭飽和結束后需要進行反壓飽和［18］。在維持反壓控制器與圍壓控制器之間的差值為30 kPa的條件下，逐級加載將試樣內的殘存氣泡溶入無氣水中，直至試樣的飽和度達到95%［17］。飽和結束后，根據試驗所需要的圍壓和軸向應力來進行固結。本次試驗固結比Kc為1.5，根據試驗的固結比來設置偏壓固結中所需要的目標軸向應力，以1 kPa/s的速度進行偏應力加載。

偏應力穩定后進行循環加載。試驗振動頻率為0.33 Hz，采用應變控制方式加載。動應變共分為10-5～10-2四個數量級，每一加載數量級設置1，2，4，8四個幅值，最大應變幅值為1×10-2，共13級應變加載。每級加載進行5個振次循環，取第3個循環振次分析動模量和阻尼比［19］。

2試驗結果及分析

圖5為干密度1.95 g/cm3的平均顆粒級配試樣在500 kPa圍壓下的動軸應力時程曲線。根據每級振次得到的動軸應力幅值σd和對應的動應變幅值εd繪制滯回曲線，如圖6所示。

采用沈珠江概化Hardin模型［20］整理新堆積體的動力參數，泊松比μd取0.35。根據動三軸試驗獲取的最大動軸應變εd、最大軸應力σd、動彈性模量Ed，通過計算得出該試樣對應的最大動剪切應變γd、最大動剪切應力τd及動剪切模量Gd。

從圖8～9中可以看出，不同圍壓下的模量衰減曲線與阻尼比增長曲線存在明顯的離散性，隨著圍壓的增大，動剪切模量比不斷增大，阻尼比隨之減小。這是因為隨著圍壓的增大，土顆粒之間間距減小，土體密實度不斷增大，其抗剪強度增大，循環荷載作用下能量消耗減小，因而，隨著圍壓的增大，動剪切模量比增大，阻尼比減小。試驗結果與董威信等［21］發現的規律一致。紅石巖新堆積體在各個級配和干密度下的動參數列于表4。從表4中可以看到，顆粒級配和干密度對新堆積體的動參數存在明顯影響。

2.1顆粒級配對動力特性的影響

為了分析顆粒級配和干密度對新堆積體動力特性的影響，將相同條件下不同級配的動模量和阻尼進行比較。圖10和圖11為干密度1.84 g/cm3的試樣在500 kPa圍壓下的動剪切模量比和阻尼比與動應變的關系曲線。

從圖10～11中可以看出，上包線級配動模量比衰減速度最快，平均線級配次之，下包線級配最慢。相應地，上包線級配阻尼比增長最快，最大阻尼比明顯高于平均線級配和下包線級配。這表明隨著粗顆粒百分比的增大，相同剪應變條件下，動剪切模量比增大，阻尼比減小。相較于上包線而言，由于粗顆粒含量的不斷增加，下包線與平均線級配的土體構成相對穩定的土骨架。因此，其動模量曲線和阻尼比曲線較為接近，土體動力特性受顆粒級配影響逐步降低。

2.2干密度對動力特性的影響

圖12和圖13為上包顆粒級配的試樣在100 kPa圍壓下的動剪切模量比和阻尼比與動剪切應變的關系曲線。

從圖12～13中可以看到，隨著干密度的不斷增大，相同體積下試樣的質量更大，試樣更加密實，骨架作用明顯增大，動剪切模量比增大、阻尼比減小。干密度1.84 g/cm3試樣的動模量比衰減速度最快，干密度195 g/cm3試樣次之，干密度2.06 g/cm3試樣最慢。相應地，干密度1.84 g/cm3試樣阻尼比增長最快，最大阻尼比明顯高于干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3試樣。這表明隨著干密度的增大，相同剪應變條件下，動剪切模量比增大、阻尼比減小。相較于干密度1.84 g/cm3試樣，干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3試樣隨著密度的不斷增大，土顆粒間間距受干密度影響逐漸減小。因此，其動模量曲線和阻尼比曲線較為接近，土體動力特性受干密度影響逐步降低，這與石兆吉等［22］通過共振柱試驗得到的結論相符。

2.3級配與干密度對動力特性的影響

通過前文對級配和干密度的分析發現：相同剪應變條件下，動剪切模量比隨著干密度和粗顆粒含量的增大而增大；阻尼比隨著干密度和粗顆粒含量的增大而減小。

這是由于隨著粗顆粒含量的增加，試樣粗顆粒之間相互咬合更緊密，試樣穩定性更高，對應的動剪切模量比增大。能量在顆粒間傳播過程中消耗減少，阻尼比隨之減小。

類似地，隨著干密度的不斷增大，土顆粒之間間距不斷減小，土體密實度增大，對應的動剪切模量比增大。能量在顆粒間傳播過程中消耗減少，阻尼比隨之減小。

3結 論

本文以紅石巖堰塞壩新堆積體為研究對象，通過動三軸試驗研究分析不同顆粒級配和不同干密度對紅石巖新堆積體動剪切模量比與阻尼比的影響，得出結論如下：

（1） 相同干密度條件下，隨著粗顆粒含量不斷增大，新堆積體動剪切模量比不斷增大，阻尼比不斷減小。

（2） 相同級配條件下，隨著干密度的不斷增大，新堆積體動剪切模量比不斷增大，阻尼比不斷減小。

（3） 由于新堆積體材料級配均一性較差，顆粒巖性復雜、風化程度差異明顯，顆粒強度離散性較大，導致土體的模量衰減曲線與阻尼比增長曲線具有一定的離散性。

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（編輯：鄭 毅）