松塔水電站上游土石圍堰鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)試驗研究

張亞麗，薛鵬松，張園園，王天祥

松塔水電站上游土石圍堰鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)試驗研究

張亞麗1，薛鵬松2，張園園2，王天祥2

（1.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.北京木聯(lián)能工程科技有限公司，北京100011）

西藏松塔水電站需在70多米深厚覆蓋層上修建高度超過60 m的土石圍堰，在國內(nèi)還沒有先例。圍堰填筑后，基礎(chǔ)覆蓋層的水文地質(zhì)條件尤其是物理力學(xué)性能將發(fā)生一定變化，對圍堰穩(wěn)定及防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變等帶來不利影響。為此，展開河床覆蓋層各層及圍堰堰料的鄧肯—張模型參數(shù)試驗研究，為進(jìn)行有限元應(yīng)力應(yīng)變計算、安全性評價提供參數(shù)。

土石圍堰；E-B、E-μ模型參數(shù)；試驗研究；松塔水電站

1　研究背景

西藏松塔水電站是怒江中游規(guī)劃河段的龍頭水庫，以發(fā)電為主。樞紐建筑物主要由攔河壩、地下廠房、岸塔式進(jìn)水口、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室等組成。電站最大壩高307 m，正常蓄水位1 925 m。壩址處河谷呈“V”形，兩岸地形陡峻，山高谷窄，谷底寬95～145 m，局部僅60～70 m，河床覆蓋層厚一般為58～70 m，局部厚達(dá)82.6 m。

施工導(dǎo)流初擬采用斷流圍堰一次攔斷河流、隧洞導(dǎo)流、攔河壩基坑全年施工的導(dǎo)流方式。導(dǎo)流建筑物級別為3級，上游圍堰距壩軸線約360 m，圍堰擋水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用全年30年一遇洪水，相應(yīng)流量7 640 m3/s。圍堰最大擋水水位1 756.07 m，上游圍堰堰頂高程1 758.0 m，最大堰高64.0 m，圍堰軸線長約200 m，圍堰防滲平臺（1 711.0 m高程）以下部分堰體及基礎(chǔ)覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲，防滲平臺以上部分采用土工膜防滲。堰前庫容3.56億m3，擋水時段約3年。

松塔上游圍堰具有工程量大、施工強度高、堰前庫容大、堰后基坑深、擋水歷時長等特點，并且在70多米的深厚覆蓋層上修建高度超過60 m的高圍堰在國內(nèi)還沒有先例。圍堰填筑后基礎(chǔ)覆蓋層的水文地質(zhì)條件、物理力學(xué)性能將發(fā)生一定變化，對圍堰穩(wěn)定及防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變等不利，為此展開河床覆蓋層各層及圍堰堰料的鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)試驗研究，并進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的有限元計算，作出安全性評價并論證堰料的允許范圍及防滲墻的厚度，提出推薦的圍堰體形、填筑材料和防滲墻厚度。

2　研究方法

根據(jù)河床覆蓋層、圍堰各工程區(qū)堰料顆粒組成，進(jìn)行不同試樣尺寸的三軸剪切試驗，試驗類型采用飽和固結(jié)排水剪（CD）。鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)的獲得基于雙曲線、指數(shù)、直線各種關(guān)系曲線假定。

有效黏聚力cd和有效內(nèi)摩擦角φd通過繪制主應(yīng)力差σ1-σ3與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線、極限摩爾應(yīng)力圓求得。其中，σ1為大主應(yīng)力，σ3為小主應(yīng)力。非線性指標(biāo)φ0、Δφ由剪切角φ～1gσ3關(guān)系曲求得：

式中，pa為大氣壓力。初始切線模量Ej為ε1/（σ1-σ3）～ε1圖線擬合直線后截距a的倒數(shù)，斜率b的倒數(shù)為雙曲線極限強度（σ1-σ3）μlt。破壞比Rf由下式計算

式中，（σ1-σ3）f為強度破壞時的主應(yīng)力差。

鄧肯E-B、E-μ模型假設(shè)Ei=k×pa（σ3/pa）n，在雙對數(shù)坐標(biāo)上繪制1g（Ei/pa）～g（σ3/pa）關(guān)系曲線，直線擬合后σ3=100 kPa時的Ei/pa為k，斜率為n。鄧肯E-B、E-μ模型認(rèn)為初始泊松比μi與1g（σ3/pa）呈線性關(guān)系，為此μi～1g（σ3/pa）關(guān)系曲線可進(jìn)行線性擬合，縱坐標(biāo)軸截距為G，曲線斜率的絕對值為F。據(jù)下式計算初始切線體積模量

式中，εv為體積應(yīng)變。在雙對數(shù)坐標(biāo)上繪制1g（Bi/ pa）～1g（σ3/pa）關(guān)系曲線，為直線。當(dāng) σ3/pa為1時，直線在縱坐標(biāo)上的截距為Kb，斜率為m。

3　壩址區(qū)河床覆蓋層

壩址區(qū)河床覆蓋層物質(zhì)組成主要有崩坡積物（Q4col）、沖積物（Q4al）、洪積物（Q4pl）等，由下至上劃分為7層：第①層，卵石混合土，厚0～14.5 m；第②層，含細(xì)粒土砂，厚12.7～35.3 m；第③層，混合土漂石，厚16.5～32.5 m；第④層，粉土質(zhì)砂，厚5.9～18.7 m；第⑤層，卵石混合土，厚0～7 m；第⑥層，級配不良砂，厚9～26 m；第⑦層，卵石混合土，厚度0～18.7 m，部分地段有少量砂層，定名為級配不良砂，試驗編號為⑦-1層，見圖1。

圖1　河床覆蓋層各層試料顆粒大小分布曲線

砂層（⑦-1、⑥、④、②層）采用鉆孔原狀樣進(jìn)行試驗，根據(jù)厚度不同各層試驗分40～100組不等，干密度平均值分別為1.80、1.69、1.65、1.69 g/ cm3，孔隙比平均值分別為0.340、0.379、0.394、0.379；相對密度平均值分別為0.66、0.80、0.97、0.78。三軸剪切（CD）試驗圍壓采用400～2 800 kPa，試驗成果匯總見表1。

表1　河床覆蓋層砂層三軸試驗強度指標(biāo)及鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)

砂礫石層（⑦、⑤、③、①層）采用探坑或鉆孔取擾動樣進(jìn)行試驗。試驗干密度按天然密度或指定干密度進(jìn)行，試驗級配按天然級配采用結(jié)合法縮尺后進(jìn)行。各層干密度平均值分別為 2.19、2.20、2.20、2.20 g/cm3，孔隙比平均值為0.247、0.235、0.240、0.236，相對密度平均值分別為0.73、0.83、0.88、0.79。三軸試驗圍壓采用200～2 800 kPa，試驗成果匯總見表2。

4　圍堰堰料

圍堰堰料主要是塊石、石渣混合料、砂礫石料。堰料采用壩肩開挖微～新石渣料和導(dǎo)流洞洞挖料，巖性為黑云二長花崗巖，弱風(fēng)化～微風(fēng)化，石質(zhì)堅硬，不易軟化破碎，石料飽和抗壓強度≥40 MPa。水下拋投填料自然固結(jié)壓密，水上填料分層碾壓密實。堰料按工程區(qū)分過渡料、墊層料、堆石料、砂礫料進(jìn)行試驗，其中堆石料分水上、水下兩種狀態(tài)。各區(qū)堰料干密度控制參數(shù)為：墊層料相對密度≥0.80，干密度1.93～2.04 g/cm3，平均為1.99 g/ cm3，孔隙比0.309～0.337，平均為0.323；過渡料相對密度≥0.85，干密度1.93～2.04 g/cm3，平均為 1.99 g/cm3，孔隙比 0.342～0.382，平均為0.363；堆石料孔隙率≤22%，干密度2.08 g/cm3，孔隙比0.284，堆石料（水下）干密度2.00 g/cm3，孔隙比0.335；砂礫料（水下）干密度1.90 g/cm3，孔隙比0.405，試驗級配按設(shè)計級配（見圖2）采用結(jié)合法進(jìn)行縮尺得到。三軸剪切（CD）試驗圍壓采用300～1 200 kPa，成果見表3。

圖2　圍堰堰料設(shè)計級配曲線

表2　河床覆蓋層砂礫料三軸試驗強度指標(biāo)及鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)

表3　圍堰堰料三軸試驗強度指標(biāo)及鄧肯E-B、E-μ模型參數(shù)

5　結(jié)論

（1）從壩址區(qū)河床覆蓋層各砂層試驗成果可以看出，隨顆粒級配由粗到細(xì)，強度指標(biāo)及模型參數(shù)cd、φd、φ0、k、Rf、G、F、Kb逐漸變小，參數(shù) n、m逐漸變大。壩址區(qū)河床覆蓋層各砂礫石層，級配較為接近，強度及模型參數(shù)也比較接近，級配較粗的③層（混合土漂石），k及Kb值較其他3層（卵石混合土）大，說明隨級配變粗參數(shù)k、Kb增大。

（2）圍堰各工程區(qū)料源均為黑云二長花崗巖，各區(qū)的設(shè)計級配變化規(guī)律是：墊層料細(xì)于過渡料，過渡料細(xì)于堆石料，砂礫料級配則介于過渡料上下包線之間。盡管這三區(qū)干密度填筑控制參數(shù)不同，但仍呈現(xiàn)出隨各區(qū)設(shè)計級配由細(xì)變粗變化，強度指標(biāo)由小變大的規(guī)律。墊層料φd（32.0°～37.5°）小于過渡料φd（38.7°～40.2°），過渡料小于堆石料 φd（40.1°～41.1°）。

（3）堆石料（水下）與堆石料設(shè)計級配相同，試驗干密度分別為2.00、2.08 g/cm3，有效內(nèi)摩擦角φd分別為37.2°～39.7°和40.1°～41.1°，說明隨干密度減小，有效內(nèi)摩擦角減小。砂礫料設(shè)計級配接近過渡料下包線，兩者干密度接近，分別為1.90、1.93g/cm3，有效內(nèi)摩擦角φd分別為38.6°、38.7°，也十分接近。

（4）試驗成果整體說明，顆粒性質(zhì)、顆粒組成、級配是否良好、含水量、密度等都影響三軸試驗成果，顆粒越堅硬、密度越大、粗顆粒含量越多、級配良好，三軸剪切試驗的強度指標(biāo)值越高。

（5）室內(nèi)三軸剪切試驗用于獲得鄧肯模型參數(shù)，優(yōu)點是應(yīng)力應(yīng)變、排水邊界條件等可明確控制，缺點是受到試樣的代表性、數(shù)量、試驗級配縮尺倍數(shù)的選擇等因素影響。通過對松塔水電站大量試驗獲得的強度參數(shù)和E-B、E-μ模型參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，對數(shù)據(jù)展現(xiàn)出的一般性規(guī)律進(jìn)行了初步探討和總結(jié)。但具體到更細(xì)致的各因素對試驗參數(shù)的影響研究，還需要更多、更系統(tǒng)的試驗工作。

［1］SL 228—98混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］DL/T 5355—2006水電水利工程土工試驗規(guī)程［S］.

［3］DL/T 5356—2006水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程［S］.

［4］李廣信.關(guān)于Duncan雙曲線模型參數(shù)確定的若干錯誤做法［J］.巖土工程學(xué)報，1998，20（5）：119.

［5］錢家歡.土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1990.

［6］郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.西安：黃河水利出版社，1998.

（責(zé)任編輯焦雪梅）

Experimental Researches on Duncan E-B and E-μ Model Parameters of Upstream Earth-Rock Cofferdam in Songta Hydropower Station

ZHANG Yali1，XUE Pengsong2，ZHANG Yuanyuan2，WANG Tianxiang2
（1.PowerChina Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing 100024，China；2.Beijing Millennium Engineering Technology Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

Songta Hydropower Station in Tibet need to construct a cofferdam with height of more than 60 m on overburden with depth more than 70 m.There is no similar cofferdam constructed in China.After the cofferdam is constructed，the hydrogeological conditions，especially the physical and mechanical properties of riverbed overburden，will be changed which will adversely affect the stability of cofferdam and the stress and strain of impermeable wall.For this reason，the experimental researches on Duncan E-B and E-μ model parameters of riverbed overburden and cofferdam material are carried out to provide parameters for stress and strain finite element calculation and safety evaluation.

earth-rock cofferdam；E-B and E-μ model parameter；experimental research；Songta Hydropower Station

TV223.4（275）

A

0559-9342（2016）02-0116-04

2015-03-20

張亞麗（1974—），女，河北邯鄲人，教授級高工，從事巖土力學(xué)試驗研究工作.