冶勒水電站壩基超固結(jié)粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特性

魏星燦 夏萬洪 黃潤太

摘要：冶勒水電站大壩壩基由超過400m厚的粉質(zhì)黏土和卵礫石層組成，研究其土體物理力學(xué)特性對工程設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。通過物性試驗(yàn)、靜力和動(dòng)力試驗(yàn)對壩基粉質(zhì)黏土進(jìn)行物理力學(xué)特性研究，結(jié)果表明：土體級配良好，屬低液限、超固結(jié)、低壓縮性粉質(zhì)黏土，先期固結(jié)壓力為4.5～6.0MPa，壓縮模量為35.7～152.3MPa，變形模量為35.00～80.74MPa；摩擦角為33.70°～35.94°，黏聚力為0.12～0.21MPa，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)高；動(dòng)剪切模量為568MPa，動(dòng)彈性模量為1686MPa，動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)隨振動(dòng)次數(shù)的增加略有降低，但降幅較小。最終提出了一種特殊土體——超固結(jié)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：超固結(jié)粉質(zhì)黏土；物理特性；動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)；冶勒水電站

中圖分類號：TV221.2；TV16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.029

1 概述

冶勒水電站位于四川涼山州，為大渡河一級支流南椏河流域的龍頭水利水電工程。電站具有多級調(diào)節(jié)能力，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高125m，壩址區(qū)覆蓋層厚度超過400m，屬于超深厚覆蓋層上建高壩情況。超深厚覆蓋層上建高壩需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題多，一直是水利水電工程勘察設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

冶勒水電站壩址位于冶勒斷陷盆地邊緣，壩基由冰水一河湖相沉積的粉質(zhì)黏土和卵礫石組成，互層狀產(chǎn)出，總體微傾右岸偏下游。根據(jù)沉積韻律和巖性特征，壩基巖土體自下而上劃分為5個(gè)巖組，見圖1。其中：第一、第四巖組為卵礫石，第二、第五巖組為粉質(zhì)黏土，第三巖組為卵礫石與粉質(zhì)黏土互層。

徐奮強(qiáng)等對南京河西地區(qū)粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)變異性小，但力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變異性大；寧寶寬等對沈陽地區(qū)粉質(zhì)黏土的研究和陳紅對珠海唐家地區(qū)粉質(zhì)黏土的研究也有相同的結(jié)論；馮道德等對湖南省上更新世（Q3）粉質(zhì)黏土的研究發(fā)現(xiàn)，Q3粉質(zhì)黏土孔隙比小、含水量不高、壓縮性較小，呈堅(jiān)硬至硬塑狀態(tài)，載荷試驗(yàn)變形模量E0為19.0～58.0MPa。

冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土層為上更新統(tǒng)（Q3）地層。為了科學(xué)選址和優(yōu)化設(shè)計(jì)，迫切需要查明壩基粉質(zhì)黏土物理力學(xué)特性。為此，筆者以冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土為研究對象，通過物理性質(zhì)試驗(yàn)、靜力和動(dòng)力試驗(yàn)對壩基粉質(zhì)黏土進(jìn)行物理力學(xué)特性研究。

2 土體物理性質(zhì)特征

2.1 土體物理性質(zhì)

土體物理性質(zhì)描述其物理特性、物理狀態(tài)和三相比例關(guān)系等。冶勒水電站壩址區(qū)粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)試驗(yàn)共完成36組，試驗(yàn)結(jié)果見表1。土樣相對密度為2.68～2.80，干密度為1.67～1.88g/cm3，孔隙比為0.39～0.64；在顆粒組成上，粒徑小于0.075mm顆粒含量為52.0%～92.1%，小于0.005mm粒徑的黏粒含量為12.0%～34.0%，以粉粒為主；在級配上，限制粒徑D60=0.012～0.065mm，有效粒徑D10=0.0012～0.0080mm，不均勻系數(shù)Cu=8.3～15.0，曲率系數(shù)Cc=0.6～1.3，級配良好；在界限含水率上，液性指數(shù)為-0.37～-0.07，屬低液限黏土（CL）。

從圖2中的物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果和平均顆粒分布曲線可知，土體顆粒組成范圍小，曲線總體較平滑，無明顯平直段和陡降段，表明壩址區(qū)粉質(zhì)黏土屬于干密度大、孔隙比小、級配良好、液性指數(shù)低的特殊土體。

2.2 土體礦物成分

土體中的礦物類型、數(shù)量影響其物理、化學(xué)性質(zhì)，采用X射線衍射和能譜測定對壩基14組粉質(zhì)黏土進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。礦物成分以伊利石為主，其次為蒙脫石，土體中氧化物較多，SiO2含量為37.03%-55.52%，CaO和MgO的含量為3.81%～10.26%。

掃描電鏡觀察粉質(zhì)黏土的微觀結(jié)構(gòu)多呈棱角厚片狀結(jié)構(gòu)，大小顆粒彼此充填密實(shí)，接觸式或充填式膠結(jié)，土質(zhì)均勻，孔隙小，結(jié)構(gòu)密實(shí)。

3 土體力學(xué)特性

3.1 土體靜力學(xué)特征

3.1.1 壓縮性

土體壓縮性一般采用壓縮系數(shù)、壓縮模量和變形模量來表征。利用原狀土樣固結(jié)試驗(yàn)，按式（1）、式（2）求壓縮系數(shù)、壓縮模量[5-9]：式中：ei、ei+1分別為i級和i+1級壓力下的試驗(yàn)孔隙比；e0為初始孔隙比；av為某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)，kPa-1；pi、pi+1分別為i級和i+1級壓力，kPa；Es為某級壓力下的壓縮模量，kPa。

為獲得壩基粉質(zhì)黏土的壓縮系數(shù)、壓縮模量，對不同部位的粉質(zhì)黏土進(jìn)行了19組固結(jié)試驗(yàn)，最大壓力為1.6MPao試驗(yàn)結(jié)果（表3）顯示：土體在0.10～0.20MPa固結(jié)壓力時(shí)的壓縮系數(shù)為0.05～0.11MPa-1，平均值為0.083MPa-1，對應(yīng)的壓縮模量為10.70～40.00MPa，平均值為20.50MPa，屬低壓縮性土。從土樣的孔隙比e與壓力P關(guān)系曲線（圖3）也可看出，曲線整體平緩，未見明顯壓縮變形段，說明土體在地質(zhì)歷史上遭受過較高的先期固結(jié)壓力。利用e-1gP曲線圖解得粉質(zhì)黏土的先期固結(jié)壓力為4.5～6.0MPa，說明該粉質(zhì)黏土屬于超固結(jié)土體。

水電勘察規(guī)范規(guī)定，土體的壓縮模量取值可從壓力變形曲線上按建筑物最大荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選取，也可根據(jù)壓縮試驗(yàn)按固結(jié)程度選取。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，土體在固結(jié)壓力0.8～1.6MPa時(shí)的壓縮系數(shù)為0.050～0.036MPa-1，對應(yīng)壓縮模量為35.71～152.38MPa，平均值達(dá)95.87MPa。

變形模量E0是在無側(cè)限條件下應(yīng)力與應(yīng)變的比值。理論上，變形模量和壓縮模量具有一定對應(yīng)關(guān)包括彈性應(yīng)變和彈塑性應(yīng)變兩部分，因此變形模量與壓縮模量并不符合上述公式。

實(shí)際工程中.土的變形模量一般通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定.利用載荷試驗(yàn)的P—S曲線起始線性段的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，按式（3）計(jì)算土體的變形模量E0：式中：，I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)；μ為土的泊松比；d為承壓板直徑或邊長，m；P為P—S曲線線性段的壓力，kPa；S為與P對應(yīng)的沉降，mm。

在已有試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程布置情況，在不同部位選取了5組具有代表性的粉質(zhì)黏土進(jìn)行現(xiàn)場載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)中，承壓板直徑為50.5cm，最小垂直載荷0.1MPa，最大垂直載荷2.2MPa，分級壓力按0.1MPa進(jìn)行試驗(yàn)。

從載荷試驗(yàn)的P—S曲線（圖4）可以看出，試驗(yàn)土體并無明顯壓縮變形段。采用作圖法獲得粉質(zhì)黏土的比例界限Pk=0.8～1.1 MPa，對應(yīng)Pk的沉降量為0.348～1.130mm，取I0=0.785、μ=0.3，計(jì)算得變形模量E0=35.00～80.74MPa，平均值為57.00MPa。

3.1.2 抗剪強(qiáng)度

土體破壞形式主要包括拉裂破壞和剪切破壞，作為壩基土體主要考慮剪切破壞，通?？捎扇S剪切試驗(yàn)或現(xiàn)場大剪試驗(yàn)獲得抗剪強(qiáng)度。針對冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土的特殊性和重要性，先后開展了2輪三軸剪切試驗(yàn)和現(xiàn)場大剪試驗(yàn)，其中三軸剪切試驗(yàn)25組、現(xiàn)場大剪試驗(yàn)8組。三軸剪切試驗(yàn)方法有不固結(jié)不排水剪（UU）、固結(jié)不排水剪（CU）和固結(jié)排水剪（CD）3種，現(xiàn)場大剪試驗(yàn)采用天然狀態(tài)快剪（Q）、固結(jié)快剪（CQ）和飽和狀態(tài)固結(jié)快剪（CQ）3種方法。

25組三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果（表4）顯示，UU試驗(yàn)的摩擦角、黏聚力較CU試驗(yàn)值低8%～10%，CU、CD試驗(yàn)值基本相當(dāng)，強(qiáng)度參數(shù)均高于普通黏性的。三軸剪切試驗(yàn)過程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線均有峰值出現(xiàn)，一般呈駝峰型脆性破壞.充分體現(xiàn)了粉質(zhì)黏土具有超固結(jié)壓密的特性。

現(xiàn)場大剪試驗(yàn)以剪應(yīng)力峰值作為土樣的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)抗剪強(qiáng)度和垂直壓力關(guān)系曲線，按照庫侖一奈維表達(dá)式確定土樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果（表5）顯示，土樣摩擦角平均值為33.700～35.940，黏聚力平均值為120～210kPa。

3.1.3 滲透特性

為獲得粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)，按水電工程土工試驗(yàn)規(guī)范要求，采用室內(nèi)原狀樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，并按式（4）計(jì)算：式中：a為水頭管截面面積，cm2；L為滲徑，cm；A為試樣面積，cm2；H1、H2分別為開始、終止試驗(yàn)時(shí)的水頭，cm；t為測讀水頭的起止時(shí)間差，s。

經(jīng)整理分析10組粉質(zhì)黏土滲透試驗(yàn)，計(jì)算出粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)K=2.76×10-4～5.60×10-9m/s，屬極弱透水層。

為獲得粉質(zhì)黏土更為準(zhǔn)確的抗?jié)B變形能力，開展了4組現(xiàn)場大型滲透變形試驗(yàn)（表6），試驗(yàn)水頭高10m，分平行層面和垂直層面進(jìn)行。滲透變形試驗(yàn)過程中，土體下游面僅出現(xiàn)局部開裂或鱗片狀剝落現(xiàn)象，未見明顯大變形破壞跡象。

臨界比降最小值7.1，最大達(dá)26.1，對應(yīng)破壞比降分別為12.2和>43.0?，F(xiàn)場滲透變形試驗(yàn)充分反映出粉質(zhì)黏土具有較強(qiáng)的抗?jié)B透變形能力。

3.1.4 抗液化性

壩基粉質(zhì)黏土的標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果（表7）顯示：地表至5m深范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)為42-61（92為異常值）；土層埋深5～15m范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)為92～106，屬于密實(shí)、堅(jiān)硬狀態(tài)土體。

壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，根據(jù)水電勘察規(guī)范對壩基粉質(zhì)黏土地震液化性進(jìn)行復(fù)判。同時(shí)，考慮到標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)深度與工程運(yùn)行時(shí)試驗(yàn)點(diǎn)所在深度不一樣，標(biāo)貫擊數(shù)按式（5）修正：式中：N63.5'為實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；ds為工程正常運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；dw為工程正常運(yùn)行時(shí)地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m； ds'為標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；dw'為標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m。

標(biāo)準(zhǔn)貫人臨界擊數(shù)按式（6）計(jì)算：式中：ρc為土的黏粒含量，%；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算，粉質(zhì)黏土標(biāo)貫擊數(shù)修正后的最小值

4 土體物理力學(xué)參數(shù)選取

冶勒水電站壩基超固結(jié)粉質(zhì)黏土的物理性質(zhì)參數(shù)見表1。在力學(xué)參數(shù)選取中，以靜力、動(dòng)力試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合工程地質(zhì)條件進(jìn)行修正，其中淺表部變形模量由現(xiàn)場原位試驗(yàn)整理確定，埋深大于3m的土體變形模量按淺表部變形模量的1.5倍修正；抗剪強(qiáng)度參數(shù)以現(xiàn)場原位大剪和室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，按土體的分布位置、性狀進(jìn)行折減；固結(jié)排水剪試驗(yàn)中的八大非線性參數(shù)由工程地質(zhì)條件、試驗(yàn)結(jié)果、深部變形N63.5min=159遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ncrmax=10.5，說明該粉質(zhì)黏土不具有地震液化的可能性。

3.2 土體動(dòng)力特性

3.2.1 動(dòng)模量

土體的動(dòng)模量包括動(dòng)剪切模量G，和動(dòng)彈性模量Ed，可采用動(dòng)三軸試驗(yàn)獲得，也可通過現(xiàn)場跨孔試驗(yàn)測得土體的壓縮波和剪切波，按式（7）、式（8）計(jì)算：式中：ρ為土的天然密度，g/cm3；Vs、Vp分別為土體的剪切波速和壓縮波速，m/s。

按現(xiàn)場跨孔試驗(yàn)測得的粉質(zhì)黏土聲波計(jì)算其動(dòng)模量，最大動(dòng)剪切模量為530MPa、最大動(dòng)彈性模量為1686MPa（表8）。據(jù)齊劍峰等、孫德安等對普通黏土的研究，其動(dòng)剪切模量為40～140MPa。冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土的動(dòng)剪切模量為普通黏土的幾倍到十幾倍。

3.2.2 動(dòng)強(qiáng)度

一般將土體在一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)作用下達(dá)到某一指定破壞標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)應(yīng)力幅值定義為土的動(dòng)強(qiáng)度，通常采用動(dòng)三軸儀按等效荷載作用獲得土體的動(dòng)強(qiáng)度。冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土動(dòng)三軸試驗(yàn)采用Seed建議的6.5、7.0、7.5、8.0震級所對應(yīng)的8、12、20、30周的特征周次進(jìn)行，圍壓分別為100、125、150kPa，破壞標(biāo)準(zhǔn)取軸向動(dòng)應(yīng)變?yōu)?.0%時(shí)的強(qiáng)度值。在粉質(zhì)黏土土樣振動(dòng)過程中，孔隙水壓力并未隨振動(dòng)次數(shù)的增加而明顯增加，普遍發(fā)展非常緩慢，非飽和粉質(zhì)黏土的孔隙水壓力接近零。試驗(yàn)結(jié)果（表9）顯示，隨著振動(dòng)破壞周次的增加，動(dòng)應(yīng)力比Rσ相應(yīng)減小。

據(jù)楊果林等研究，Mohr-Column強(qiáng)度理論適用包線，求得土樣粉質(zhì)黏土的動(dòng)摩擦角φd和動(dòng)黏聚力cd。

土樣在相同振動(dòng)周次下，多呈軟化型脆性破壞。動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果（表10）顯示，土樣在相同振動(dòng)周次下，動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)隨固結(jié)比的增大而增大，在同一固結(jié)比情況下，動(dòng)強(qiáng)度隨振動(dòng)次數(shù)增加有所降低，但降低幅度不大。指標(biāo)結(jié)合國內(nèi)外工程類比確定。冶勒水電站壩基粉質(zhì)黏土力學(xué)參數(shù)建議值見表11。