瀝青混凝土心墻石渣壩筑壩材料力學(xué)指標(biāo)分析

何 林

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽 618000)

隨著國(guó)家水利投資的加大，近幾年四川新建了一批中型水庫，其中大部分水庫壩型為瀝青混凝土心墻石渣壩。選擇這種壩型的原因，一是目前瀝青混凝土心墻施工技術(shù)已經(jīng)很成熟，二是四川紅層地區(qū)的砂巖、泥巖、粉砂巖的各種工程指標(biāo)可以滿足該壩型壩殼料的要求。

根據(jù)在建的幾座瀝青混凝土心墻石渣壩的設(shè)計(jì)報(bào)告，這些壩的壩料主要是料場(chǎng)開采后的弱風(fēng)化砂巖料(一般用于上游壩殼)、砂泥巖混合料(一般用于下游壩殼)。由于砂巖、泥巖強(qiáng)度不高，破碎、碾壓后不易確定壩料是粘性土壩料還是非粘性土壩料，其次在壩坡穩(wěn)定計(jì)算時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)要不要考慮粘聚力c值，如不考慮粘聚力，是否用非線性強(qiáng)度指標(biāo)更合理？下面結(jié)合4座水庫的筑壩材料實(shí)驗(yàn)對(duì)上述問題展開討論。

1 壩料強(qiáng)度計(jì)算方法

SL 274—2000《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了粘性土的概念，它主要是為了確定在穩(wěn)定分析時(shí)用總應(yīng)力法還是有效應(yīng)力法。根據(jù)有效應(yīng)力原理可知，影響土體抗剪強(qiáng)度的僅為有效應(yīng)力。如果土體為高壓縮性土且土體滲透系數(shù)很小，排水不暢就會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力致使有效應(yīng)力降低從而減小土體抗剪強(qiáng)度。下面從壩料的壓縮性、滲透性兩個(gè)方面來分析壩料強(qiáng)度計(jì)算方法。

表1、表2列出了四川4座水庫筑壩材料的壓縮和滲透性指標(biāo)，根據(jù)土力學(xué)原理，土的壓縮性一般根據(jù)圍壓0.1～0.2MPa間的壓縮系數(shù)來判斷，壓縮系數(shù)小于0.1的為低壓縮性土，從表1、表2可以看出4座水庫上、下游壩殼料壓縮系數(shù)均遠(yuǎn)低于0.1，壩料碾壓填筑時(shí)含水率很低為最優(yōu)含水率，遠(yuǎn)沒達(dá)到飽和。較小的壓縮性和較低的含水率致使壩料碾壓后土顆粒骨架不會(huì)產(chǎn)生過大變形也不會(huì)引起超靜孔隙水壓力。

上游壩殼堆石料的滲透系數(shù)量級(jí)在10-2～10-1cm/s，下游壩殼石渣料的滲透系數(shù)量級(jí)在10-4～10-2cm/s。根據(jù)蘇H·H羅扎諾夫主編的《土石壩》一書介紹，當(dāng)填料飽和度G≥0.85，滲透系數(shù)k<(5～10)×10-6時(shí)才需要計(jì)算孔隙水壓力；另據(jù)日本土木技術(shù)協(xié)會(huì)編《最新土石壩工程學(xué)》一書介紹，當(dāng)滲透系數(shù)k>5×10-6時(shí)孔隙水壓力完全消散。

根據(jù)上面分析可知四川地區(qū)瀝青混凝土心墻石渣壩在確定各種工況抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)均可按有效應(yīng)力法計(jì)算。

2 壩料力學(xué)指標(biāo)

在做壩料三軸試驗(yàn)時(shí)，壩料摩爾應(yīng)力圓的公切線在τ軸上都有截距，試驗(yàn)中把它作為壩料的粘聚力c值，這個(gè)值在土力學(xué)的定義為“土粒之間的各種物理化學(xué)作用力，包括庫侖力(靜電力)、范德華力、膠結(jié)作用力等”，根據(jù)壩料的級(jí)配試驗(yàn)，壩料中粘粒所占的比例很小，應(yīng)該不存在粘聚力c值，所以DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“對(duì)于堆石、砂礫石等非粘性土，粘聚力雖可由實(shí)驗(yàn)求出，但略而不計(jì)，經(jīng)過充分論證粗粒料亦可采用非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算”。實(shí)際上通過壩料試驗(yàn)做出來的c值包含顆粒之間咬合力，而規(guī)范籠統(tǒng)的將非粘性土的粘聚力忽略不計(jì)是不合理的。下面以一座大壩實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例分別按采用c′、φ′值，僅采用φ′值，采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)討論三種取值方法的合理性。

表1 上游壩殼堆石料壓縮指標(biāo)及滲透性指標(biāo)

表2 下游壩殼石渣料壓縮指標(biāo)及滲透性指標(biāo)

某瀝青混凝土心墻石渣壩最大壩高73.0m，上游壩殼采用砂巖堆石料填筑，上游壩坡1∶1.70，下游壩殼采用石渣料填筑，下游壩坡1∶2.0、1∶2.25，下游壩坡設(shè)一級(jí)馬道，馬道高程429.0m，寬3.0m。下游壩體設(shè)弱風(fēng)化及新鮮砂巖堆石料排水帶及排水棱體，棱體頂部高程399.0m，頂寬3.0m，外邊坡1∶1.5，該大壩的壩體材料力學(xué)指標(biāo)見表3，采用各指標(biāo)時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如圖1—4所示。

表3 壩體穩(wěn)定計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 采用c′、φ′值時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖2 僅采用φ′值時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖3 采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖4 不同抗剪強(qiáng)度指標(biāo)下壩坡穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比

從圖1—4可以作出以下幾點(diǎn)分析。

(1)由于瀝青心墻滲透系數(shù)很小，對(duì)水頭折減地很厲害，浸潤(rùn)線很低以至各種工況下下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)都相差很小，下游壩坡的控制因素為下游筑壩材料本身的力學(xué)指標(biāo)。

(2)強(qiáng)度指標(biāo)包含c′時(shí)與采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的上游壩坡滑弧形狀基本相同，都為比較深且長(zhǎng)的弧形滑裂面，比較接近大壩實(shí)際的滑動(dòng)面。而不包含c′值僅采用φ′時(shí)計(jì)算的滑裂面為短且淺的表層滑裂面，這與壩坡實(shí)際滑動(dòng)產(chǎn)生的破壞面不相符，說明該類壩型穩(wěn)定計(jì)算時(shí)不包含粘聚力c′值只用φ′計(jì)算方法是不合理的。

(3)從圖4的對(duì)比可知，不包含壩料間粘聚力c′時(shí)得到的穩(wěn)定安全系數(shù)最小，已經(jīng)小于規(guī)范規(guī)定允許值，前面已經(jīng)說明這時(shí)壩體滑坡與實(shí)際不符，現(xiàn)只討論另外兩個(gè)力學(xué)指標(biāo)。非線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算所得穩(wěn)定安全系數(shù)較線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算所得穩(wěn)定安全系數(shù)大30.3%～45.4%，這是因?yàn)榫€性強(qiáng)度指標(biāo)采用的是試驗(yàn)的小值平均值，且根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)有一定的折減。目前規(guī)范中僅規(guī)定了在面板堆石壩的穩(wěn)定計(jì)算中應(yīng)采用非線性強(qiáng)度指標(biāo)，鑒于上述原因從工程安全角度考慮，若工程建設(shè)過程中沒有科學(xué)可靠的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)作支撐，應(yīng)采用包含粘聚力c′值的線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算壩坡穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于四川地區(qū)瀝青混凝土心墻石渣壩，在計(jì)算壩坡穩(wěn)定時(shí)不管什么工況均可僅采用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)作為計(jì)算參數(shù)。

(2)由于瀝青心墻對(duì)水頭的折減，下游壩坡浸潤(rùn)線很低，浸潤(rùn)線對(duì)下游壩坡穩(wěn)定影響很小，下游壩坡穩(wěn)定主要與壩料自身抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)，且在各工況下下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)相差很小。

(3)建設(shè)瀝青混凝土心墻石渣壩時(shí)若沒有大量詳細(xì)可靠的壩料試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)應(yīng)采用包含粘聚力c′值的線性強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算壩坡穩(wěn)定，下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)心墻石渣壩的非線性強(qiáng)度指標(biāo)的研究，并通過工程實(shí)踐來驗(yàn)證線性與非線性強(qiáng)度指標(biāo)的合理性。