張峰水庫(kù)壩基粗粒類土工程地質(zhì)特性研究

郝永剛

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024)

河床砂卵礫石層是水利水電大壩工程中常遇到的地層，一般具有物質(zhì)組成差異大、厚度變化大、物理力學(xué)特性均勻性差等特點(diǎn)[1]。相比一般的細(xì)粒土及基巖來(lái)說(shuō)，砂卵礫石層的物理力學(xué)特性研究更顯復(fù)雜，常規(guī)的鉆探方法很難取得原狀樣，根據(jù)巖芯難以直觀分析。對(duì)于一些大型或重要的大壩工程來(lái)說(shuō)，研究河床砂卵礫石層作為壩基成為勘察工作重要的內(nèi)容，往往需要按不同的粒徑取大量的砂卵礫石，送至室內(nèi)按天然狀態(tài)級(jí)配曲線及密度進(jìn)行配樣試驗(yàn)，獲取砂卵礫石層相對(duì)密度、滲透變形、壓縮變形、抗剪強(qiáng)度及動(dòng)力試驗(yàn)等指標(biāo)，為大壩滲流、固結(jié)、穩(wěn)定及抗震計(jì)算提供必要的參數(shù)。這些砂卵礫石地層的大型粗粒土試驗(yàn)往往耗時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，很多中小型工程都是參考類似工程資料取其經(jīng)驗(yàn)值。本文主要總結(jié)張峰水庫(kù)大壩壩基砂礫卵石層原位及室內(nèi)大型粗粒土試驗(yàn)資料，提出砂卵礫石層的主要物理力學(xué)參數(shù)，為大壩穩(wěn)定計(jì)算提供參數(shù)，并可為類似工程參考使用。

1 工程地質(zhì)概況

張峰水庫(kù)樞紐工程位于沁河中上游干流，由攔河大壩、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、供水發(fā)電洞等組成。攔河大壩為黏土斜心墻堆石，最大壩高66.1m，總庫(kù)容3.89億m3。入庫(kù)徑流多年平均4.15億m3，樞紐工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)。壩址區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)反應(yīng)譜0.45s。

壩軸線處河谷寬約300m，其中河床及漫灘寬度60～120m，分布河床右岸。I級(jí)堆積階地階面寬100～250m，高出河床1～3m，分布在河床左岸。與河漫灘屬同一侵蝕基準(zhǔn)面，河床基巖侵蝕面埋深10～20m。兩岸山體較雄厚，分布有Ⅱ、Ⅲ級(jí)基座階地，自然坡度20°～40°。

壩址位于王必-大將平緩復(fù)式向斜構(gòu)造南端，構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為幾個(gè)寬緩的背斜、向斜，區(qū)內(nèi)巖層呈舒緩波狀，傾角一般小于10°。壩線處地下水位基本同河水位。

清除表層全新統(tǒng)表層低液限粉土后，壩基置于全新統(tǒng)下部粗粒土層。為研究壩基粗、巨粒類土層工程特性，結(jié)合工程布置，進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究工作。

2 壩基粗粒類土物理特性

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)壩基地下水位以上粗粒土做原位物性指標(biāo)測(cè)試，其天然含水率6%～8%；天然密度2.29～2.46g/cm3，平均值2.37g/cm3，干密度2.16～2.27g/cm3，平均值2.20g/cm3。鉆孔圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)修正后的平均值N63.5=19.3擊。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多孔抽水試驗(yàn)資料，粗粒土滲透系數(shù)K=10m/d，屬?gòu)?qiáng)透水等級(jí)[3]。在壩基粗粒中布置豎井取樣，進(jìn)行大型篩分試驗(yàn)，見(jiàn)表1。

表1 粗粒土現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

考慮壩基粗粒土層垂向上分布不均，且主要以為卵石混合土、漂石混合土為主，局部夾級(jí)配良好礫。分別取級(jí)配良好礫、卵石混合土、漂石混合土及漂卵石混合土顆分資料進(jìn)行級(jí)配曲線繪制，繪制包線并取其平均線后各粗粒土天然級(jí)配情況見(jiàn)表2，其顆分曲線如圖1所示。天然狀態(tài)下，4種土1～3mm粒徑相對(duì)缺失，級(jí)配良好礫中小于0.5mm的顆粒含量小。將其作為室內(nèi)試驗(yàn)顆分配樣依據(jù)。制樣干密度(ρd)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及地層分布特征綜合考慮提供，其中級(jí)配良好礫取2.18g/cm3，卵石混合土取2.23g/cm3，漂石混合土取2.19g/cm3、漂卵石混合土取2.21g/cm3。

表2 壩基粗粒土天然級(jí)配

2.2 粗粒土室內(nèi)試驗(yàn)制樣

將壩基粗粒土按60～40、40～20、20～10、10～5mm，<5mm等粒徑分別取樣包裝送至試驗(yàn)室，按天然級(jí)配情況(見(jiàn)表2)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試干密度采用等量代替法[4]進(jìn)行配樣及試驗(yàn)。配樣后級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 壩基粗粒土按等量代替法配樣試驗(yàn)級(jí)配

圖1 壩基粗粒土天然級(jí)配曲線

2.3 粗粒土比重試驗(yàn)

因試樣模擬級(jí)配中粒徑大于20mm的顆粒含量均超過(guò)10%，按要求對(duì)粒徑大于5mm的顆粒比重采用虹吸筒法，小于5mm的顆粒比重采用比重瓶法。按其所占的顆粒百分含量取其加權(quán)平均值，見(jiàn)表4。

表4 比重試驗(yàn)成果

2.4 壩基粗粒土相對(duì)密度

相對(duì)密度是指最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值。最大孔隙比采用裝填法測(cè)定，最小孔隙比采用振密法測(cè)定。天然孔隙比通過(guò)制樣干密度及顆粒比重計(jì)算求得。壩基粗粒土相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。天然狀態(tài)下卵石混合土孔隙比相對(duì)較小。

表5 壩基粗粒土相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果

2.5 粗粒土滲透及管涌試驗(yàn)

測(cè)定壩基粗粒土滲透系數(shù)及管涌變形破壞下的臨界坡降、破壞坡降，為壩基滲漏及滲流穩(wěn)定計(jì)算提供基本參數(shù)。粗粒土滲透系數(shù)及管涌破壞各參數(shù)成果見(jiàn)表6。臨界坡降與滲透系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

對(duì)于無(wú)黏性土，不均勻系數(shù)cu大于5，細(xì)顆粒含量小于25%時(shí)，滲透變形類型為管涌，其臨界坡降可采用表7中公式進(jìn)行計(jì)算[3]。壩基粗粒土為無(wú)黏性土，不均系系數(shù)為27.5～270.4，細(xì)粒顆粒含量Pc=18%～24%，確定滲透變形類型為管涌。采用管涌或過(guò)渡型公式計(jì)算臨界坡降為0.13～0.80，其中對(duì)于漂、卵石混合土計(jì)算值小于試驗(yàn)值，對(duì)于級(jí)配不良礫計(jì)算值稍大于試驗(yàn)值。采用管涌型公式計(jì)算臨界坡降為1.38～6.40?？煽闯霾捎霉苡啃凸接?jì)算值與試驗(yàn)值差別較大?？煽闯雠R界坡降管涌型計(jì)算公式并不適用于所有土類[5]。

表6 壩基粗粒土滲透系數(shù)及管涌破壞變形成果

3 壩基粗粒土力學(xué)特性

采用前述方法進(jìn)行配樣后，對(duì)壩基漂石混合土、卵石混合土及級(jí)配良好礫進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)及動(dòng)三軸試驗(yàn)。

3.1 壩基粗粒土固結(jié)試驗(yàn)

對(duì)壩基粗粒土飽和狀狀下進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn)，查明粗粒土在各級(jí)壓力下壓縮性能，及不同孔隙比時(shí)的滲透性能，并推算了粗粒土變形模量(見(jiàn)表8)。繪制了粗粒土壓縮曲線(P-e)(如圖2所示)及滲透系數(shù)與孔隙比(K-e)關(guān)系數(shù)曲線(如圖3所示)。壩基級(jí)配不良礫、卵石混合土、漂石混合土其壓縮系數(shù)較小，均為低壓縮性土，壓縮模量較大，隨壓力增大孔隙比變幅不大。在各級(jí)壓力作用下，滲透系數(shù)在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)變化，壩基粗粒土壓縮性對(duì)滲透系數(shù)影響較小。

表7 依據(jù)公式進(jìn)行滲透變形判別成果

表8 壩基粗粒土固結(jié)試驗(yàn)成果

圖2 壩基粗粒土P- e壓縮曲線

圖3 壩基粗粒土K- e關(guān)系曲線

3.2 粗粒土三軸壓縮試驗(yàn)

對(duì)壩基粗料土進(jìn)行了高壓靜三軸的固結(jié)排水剪(CD)，通過(guò)不同周圍壓力下的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變、體變及回彈曲線。分別按庫(kù)倫強(qiáng)度參數(shù)、冪函數(shù)強(qiáng)度參數(shù)、非線型模型參數(shù)(E-μ、E-B模型)3種方法確定抗剪度[6]。成果分別見(jiàn)表9—12。壩基不同級(jí)配曲線的粗粒土三軸抗剪強(qiáng)度相差較小。綜合考慮，壩基粗粒土飽和狀態(tài)固結(jié)排水剪(CD)抗剪強(qiáng)度建議值c=0kPa，ψ=35.0°

3.3 壩基粗粒土大型三軸動(dòng)力試驗(yàn)

壩基粗粒土按表3配制級(jí)配不良礫(JPL)和漂卵石混合土(PLT)做了飽和狀態(tài)下的大型動(dòng)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)的動(dòng)強(qiáng)度以軸向應(yīng)變?yōu)?%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)[4]。

表9 壩基粗粒土固結(jié)排水剪(CD)庫(kù)倫強(qiáng)度參數(shù)

表10 壩基粗粒土固結(jié)排水剪(CD)強(qiáng)度冪函數(shù)參數(shù)

表11 壩基粗粒土固結(jié)排水剪(CD)強(qiáng)度E- u模型參數(shù)總表

表12 壩基粗粒土固結(jié)排水剪(CD)強(qiáng)度E- B模型參數(shù)總表

表13 不同測(cè)壓下振次Nf=10、20、30時(shí)動(dòng)應(yīng)力比值及動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)

3.3.1動(dòng)應(yīng)力比值與振次的關(guān)系

粗粒土飽和狀態(tài)在動(dòng)力作用下的破壞強(qiáng)度特征指標(biāo)的確定，采用固結(jié)側(cè)壓力分別為200、600、1000、1600kPa，固結(jié)比Kc=1.5時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)整理得到的動(dòng)應(yīng)力比值(σd/2σ3)與振次(Nf)的關(guān)系曲線，二者在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上可以表示成為直線關(guān)系，取其截距(A)和斜率(B)，二者關(guān)系可用下式表示：

(1)

其動(dòng)應(yīng)力比值與振次的關(guān)系及參數(shù)見(jiàn)表13。動(dòng)應(yīng)力比值隨振次的增加而降低。當(dāng)A、B2個(gè)參數(shù)確定后，就可求得任一振次下的動(dòng)應(yīng)力比值。

3.3.2動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)動(dòng)應(yīng)力比值整理的動(dòng)莫爾圓強(qiáng)度包線求得，動(dòng)強(qiáng)度特征指標(biāo)見(jiàn)表13。就強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φd而言，漂卵石混合土稍高于級(jí)配良好礫。

3.3.3孔隙水壓力

試驗(yàn)表明，當(dāng)固結(jié)比Kc=1.5時(shí)，軸向應(yīng)變達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)(5%)時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到固結(jié)側(cè)向壓力的80%。在固結(jié)比Kc=1.5時(shí)、不同固結(jié)壓力下孔隙水壓力的產(chǎn)生和變化規(guī)律可用u/σ3～N/Nf關(guān)系表示，Nf表示在不排水條件下達(dá)到預(yù)定破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的振次，N表示任一等效均勻應(yīng)力的振次，u/σ3為相應(yīng)振次的孔壓比。二者可用下式表示：

u/σ3=-(N/Nf)m+q(N/Nf)

(2)

式中，m、q—擬合參數(shù)，見(jiàn)表14。

表14 破壞孔壓比及孔隙水力壓力參數(shù)

3.3.4最大動(dòng)剪模量

(3)

式中，Pa—大氣壓力；k—試驗(yàn)常數(shù)，為直線在縱軸上的截距；n—試驗(yàn)常數(shù)，為直線的斜率。

表15 破壞孔壓比及孔隙水力壓力參數(shù)

3.3.5動(dòng)剪模量比和阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變的關(guān)系

由動(dòng)應(yīng)變(εd)可求得動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐=εd(1+μ)。將達(dá)到的不同動(dòng)剪應(yīng)變下的動(dòng)剪模量比值Gd/Gdmax和動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪出，以Hardin經(jīng)驗(yàn)公式的形式對(duì)Gd/Gdmax-γd關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得出關(guān)系式：

Gd/Gdmax=1/(1+γd/w)

(4)

式中，w—擬合參數(shù)。

不同應(yīng)變下的阻尼比可由下式計(jì)算：

λd=A/4πAt

(5)

表16 不同動(dòng)剪應(yīng)變時(shí)動(dòng)剪模量比、阻尼比值

式中，A—三軸動(dòng)力試驗(yàn)所得到滯回圈的面積，cm2；At—三角形的面積，cm2。

將阻尼比λd與動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐的關(guān)系在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪出曲線，用Hardin經(jīng)驗(yàn)公式的形式對(duì)λd～γd關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得出關(guān)系式：

λd=aγd/b/(1+γd/b)

(6)

式中，a、b—擬合參數(shù)。

不同動(dòng)剪應(yīng)變下的動(dòng)剪模量比值Gd/Gdmax和動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐試驗(yàn)值、擬合參數(shù)見(jiàn)表16。動(dòng)剪模量和阻尼比隨剪應(yīng)變的增大而變化，表明粗粒土具有的非線性性質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

壩基粗粒類土巖性以卵石混合石、漂石混合土為主，局部為級(jí)配良好礫，天然狀態(tài)下相對(duì)密度0.80～0.83，三種土力學(xué)性質(zhì)差別小。其各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足粗粒土作為填筑料質(zhì)量要求【7】。壩基粗粒土具強(qiáng)透水性，存在滲漏及滲透變形問(wèn)題。壩基設(shè)截水槽后，可作為壩基持力層。臨界坡降管涌型計(jì)算公式對(duì)粗粒類土并不適用。

壩基粗粒土固結(jié)試驗(yàn)表明其壓縮系數(shù)較小，為低壓縮性土，壓縮模量較大，隨壓力增大孔隙比變幅不大；粗粒土破壞強(qiáng)度隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而逐漸增大，強(qiáng)度指標(biāo)與顆粒級(jí)配關(guān)系不大，分析與卵礫石成分有一定關(guān)系。粗粒土動(dòng)三軸試驗(yàn)得到動(dòng)應(yīng)力比值與振次的關(guān)系、動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)、孔壓比與振次關(guān)系以及動(dòng)剪模量和阻尼比關(guān)系，并計(jì)算出所需參數(shù)，可滿足抗震穩(wěn)定計(jì)算要求。壩基粗粒土試驗(yàn)成果資料為類似工程提供了參考。