古河床崩坡堆積物作為天然堆石壩壩基的適宜性研究

劉萬(wàn)林,賈東彥

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

堆積物系指第四紀(jì)堆積作用而形成的地質(zhì)體，是崩滑體、垮塌體、及第四系沉積體等一種或幾種的組合體，屬斜坡變形破壞后的產(chǎn)物[1]。在中國(guó)西北及西南部河谷中廣泛發(fā)育和分布著第四紀(jì)松散堆積物，它們是典型內(nèi)外力耦合作用的產(chǎn)物[2]。其中古河床堆積物堆積年代較久，堆積厚度較大，結(jié)構(gòu)多較密實(shí)，是一套成因多樣、成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)無(wú)序、土石混雜堆積的特殊地質(zhì)體，近年來(lái)受到土力學(xué)、巖體力學(xué)及工程地質(zhì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的廣泛關(guān)注，已成為新的、重要的研究課題[3]。本文以大石峽水利樞紐工程為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪及鉆孔、平硐等勘探手段，查明古河床崩坡堆積物的平面范圍及空間形態(tài)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，查明堆積物的工程物理特性，研究其分布特征及工程特性，為后期治理及工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 概 述

大石峽壩址右岸壩軸線下游沿河發(fā)育Ⅲ級(jí)階地古河床，高程1 543.00～1 550.00 m，其上分布有大范圍、深厚崩坡積堆積物?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪及鉆孔勘探資料表明，崩坡堆積物順河向長(zhǎng)約670 m，垂直河向長(zhǎng)約80～125 m。天然坡度35°左右，厚度一般50 m左右，鉆孔揭露最大厚度83.5 m。古河床堆積物分布詳見(jiàn)圖1，典型工程地質(zhì)橫剖面見(jiàn)圖2。崩坡堆積物未見(jiàn)變形破壞跡象；堆積物中被沖溝切割的近直立露頭自穩(wěn)能力較強(qiáng)，未見(jiàn)崩塌、溜滑特征；右岸臨時(shí)道路從堆積物內(nèi)部低高程穿過(guò)，從道路開(kāi)挖揭露斷面來(lái)看，堆積物擠壓密實(shí)，孔隙率低；道路開(kāi)挖邊坡最高15 m，開(kāi)挖坡度65°左右，未采取支護(hù)措施，但邊坡自穩(wěn)能力較好，也未見(jiàn)失穩(wěn)破壞跡象，崩坡堆積物總體穩(wěn)定。

圖1 崩坡積堆積物平面分布

根據(jù)三維傾斜攝影成果計(jì)算，堆積物方量約586萬(wàn)m3，其中壩體填筑范圍內(nèi)約162萬(wàn)m3[4]。合理利用崩坡堆積物作為壩體一部分，可以減少工程開(kāi)挖量而節(jié)省投資，也可避免因大挖方引起的次生不良地質(zhì)問(wèn)題，如高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。因此，有必要進(jìn)一步研究崩坡堆積物的工程特性及其作為壩基的適宜性。

圖2 右岸古河床堆積物典型工程地質(zhì)剖面

2 古河床崩坡堆積物的工程特性

2.1 堆積物物理特性

(1) 顆粒分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)顆分試驗(yàn)成果顯示，大于200 mm的塊石粒組平均含量為13.7%，60～200 mm碎石粒組平均含量為16.7%，2～60 mm的角礫粒組平均含量為51.6%，小于5 mm細(xì)粒粒組平均含量為23.2%，小于2 mm細(xì)粒粒組平均含量為18.6%，小于0.075 mm粉粒粒組平均含量為5.9%。顆分曲線見(jiàn)圖4。由圖可知，d60=41.0 mm，d30=9.7 mm，d10=0.2 mm，經(jīng)計(jì)算得，不均勻系數(shù)Cu=205.0，曲率Cc=11.47，碎塊石土顆粒組成以粗粒為主。堆積物顆分曲線見(jiàn)圖3。

圖3 堆積物顆分曲線圖

(2) 滲透分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)結(jié)果，堆積物滲透系數(shù)K值為2.87×10-3～4.29×10-3cm/s，平均3.53×10-3cm/s，具強(qiáng)透水性。堆積物臨界坡降為0.27～0.37，平均0.32，允許水力比降0.10～0.20。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]判斷碎塊石土的滲透變形類(lèi)型如下：細(xì)顆粒含量P=17%，P<25%，該無(wú)粘性土滲透變形類(lèi)型為管涌。根據(jù)前期勘察成果，底部砂卵礫石的d10=0.7 mm，則D10/d10=0.2/0.5=0.4，D10/d10<10，因此碎塊石土與下部砂卵礫石層接觸部位不存在接觸沖刷問(wèn)題。

(3) 密實(shí)度

本次密實(shí)度測(cè)試采用圓錐重型動(dòng)力觸探，測(cè)試深度3.0～19.2 m，巖性為碎塊石土，現(xiàn)場(chǎng)觸探試驗(yàn)數(shù)值整體隨深度增加錘擊數(shù)呈增大趨勢(shì)，符合一般規(guī)律。其中0～5 m錘擊數(shù)為3～20擊，修正后錘擊數(shù)為2.4～14擊，平均值7.5擊，土體結(jié)構(gòu)松散至中密，以稍密為主；5 m以下錘擊數(shù)為28～63擊，修正后錘擊數(shù)為19.1～40.3擊，平均值35.2擊，土體結(jié)構(gòu)中密至密實(shí)，以密實(shí)為主。

(4) 物理性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)土體簡(jiǎn)分析試驗(yàn)成果，匯總碎塊石土物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)下表。由表1可知，碎塊石土天然密度2.17～2.22 g/cm3，均值2.20 g/cm3；天然干密度2.12～2.19 g/cm3，均值2.15 g/cm3；天然含水率1.2%～3.2%，均值2.3%，土體偏干燥；孔隙比0.259～0.294，均值0.275，結(jié)構(gòu)密實(shí)；壓縮系數(shù)0.03～0.04，均值為0.04，為低壓縮土。

表1 崩坡堆積物載荷試驗(yàn)成果

2.2 堆積物的力學(xué)特性

(1) 剪切試驗(yàn)

堆積物擾動(dòng)樣室內(nèi)抗剪試驗(yàn)結(jié)果顯示，摩擦角為38.6°～39.9°，平均39.4°，凝聚力為14～17 kPa，平均15 kPa。堆積物天然坡度約35°，小于堆積物摩擦角，由此也可以看出來(lái)，堆積物邊坡整體較穩(wěn)定。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)在穿過(guò)堆積物的12號(hào)路路面(碎塊石土)挖坑進(jìn)行，試驗(yàn)成果(表2)表明，天然狀態(tài)下堆積物具有較高的承載力及抗變形性能，極限承載力2.210～2.328 MPa，平均2.281 MPa。屈服極限承載力1.867～2.112 MPa，平均2.006 MPa，比例極限承載力1.228～1.375 MPa，平均1.277 MPa。變形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求[9]，壩體堆石料壓縮模量為89～113 MPa，轉(zhuǎn)換為變形模量為66～84 MPa。古河床堆積物變形模量遠(yuǎn)大于大壩堆石體變形模量。

表2 崩坡積堆積物載荷試驗(yàn)成果

(2) 旁壓試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)在堆積體范圍內(nèi)選取了4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)布置2～5個(gè)鉆孔，針對(duì)該地層分別進(jìn)行天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的旁壓試驗(yàn)，但具體實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于該地層滲透系數(shù)偏大，土層較厚， 干孔(灌水孔)灌水后孔內(nèi)水位迅速下降，且壩址地處陽(yáng)光強(qiáng)烈、蒸發(fā)嚴(yán)重地區(qū)，浸潤(rùn)孔周邊土體可能不能完全飽和，僅處于非飽和狀態(tài)，部分典型試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 旁壓試驗(yàn)成果

現(xiàn)場(chǎng)原位旁壓試驗(yàn)結(jié)果顯示：堆積體測(cè)試深度1.8～29.0 m，原位水平土壓力39～268 kPa，平均值為115.8 kPa；臨塑壓力2 265～4 462 kPa，平均3 401.2 kPa；極限壓力4 365～6 950 kPa，平均值為5 997.0 kPa；旁壓模量38.4～110.4 MPa，平均值為73.3 MPa。由表可知：隨著土層深度增大，旁壓模量增大趨勢(shì)明顯，說(shuō)明埋深越大，土的力學(xué)性能更好，符合一般規(guī)律；土體濕潤(rùn)后，旁壓模量有所降低，降低8.9%～32.2%。

3 壩基適宜性評(píng)價(jià)

對(duì)于分布在右岸壩后古河床的崩坡堆積物，能否作為壩線下游堆石體壩基，下面結(jié)合專(zhuān)題試驗(yàn)成果[4]和堆石壩規(guī)范[5-6]的要求進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

(1) 碾壓土石壩要求堆石壩材料土石類(lèi)型宜為“天然砂、礫石、卵石、碎石、漂石和開(kāi)挖石渣料并具較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力，不宜用粉砂”。根據(jù)顆分試驗(yàn)成果，古河床崩坡積堆積物定名為“混合土碎石(CbSI)”，屬無(wú)粘性土，母巖成分為中硬-堅(jiān)硬的灰?guī)r，堆積體物質(zhì)組成總體滿(mǎn)足規(guī)范要求的土石類(lèi)型。

(2) 碾壓土石壩要求堆石壩材料級(jí)配連續(xù)以保證孔隙充填均勻、密實(shí)，而古河床崩坡堆積體主體為塊石、碎石及砂，顆粒以粗大的漂、塊石為主，約占30.4%，2～60 mm顆粒約占51.6%，小于5 mm細(xì)粒約占23.2%，小于0.075 mm粉粒約占5.9%，顆粒級(jí)配較連續(xù)，粒徑級(jí)配總體滿(mǎn)足規(guī)范要求，可類(lèi)比為砂礫石。

(3) 碾壓土石壩要求堆石壩上壩材料的壓實(shí)度達(dá)到0.93～0.96，對(duì)應(yīng)干密度2.18～2.25 g/cm3。而現(xiàn)場(chǎng)探坑測(cè)試的平均干密度均值2.15 g/cm3，堆積體壓實(shí)度約0.92，且密度測(cè)試樣本中壓實(shí)度大于0.93(即干密度大于2.13 g/cm3)數(shù)量約70%。如果考慮其上堆填約80～120 m厚的壩體填筑料，還可進(jìn)一步壓密，應(yīng)能基本達(dá)到0.93的壓實(shí)度。

(4) 碾壓土石壩要求堆石壩壩殼料作為填筑料時(shí)，位于地下水位以下應(yīng)有較好的透水性，使壩體浸潤(rùn)線較低，防止出現(xiàn)滲透破壞。堆積體現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)成果顯示，滲透系數(shù)平均值約3.53×10-3cm/s，總體在1.0×10-3cm/s以上，能滿(mǎn)足規(guī)范要求的強(qiáng)滲透特性要求。

(5) 堆積物擠壓密實(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)成果表明碎塊石土孔隙率均值為21.6%，高于壩體填筑的塊石料孔隙率控制指標(biāo)(≤18%)，但從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖邊坡看，堆積物擠壓密實(shí)，開(kāi)挖困難，圓錐重力觸探擊數(shù)也高。施工過(guò)程中，通過(guò)剝離表部5 m相對(duì)松散土層，進(jìn)行碾壓后，其孔隙率能達(dá)到18%。

(6) 碾壓土石壩要求堆石壩料有較高的強(qiáng)度、抗變形能力和承載能力。古河床崩坡堆積體壓縮系數(shù)0.03～0.04，為低壓縮土；抗剪強(qiáng)度α=38.6°～39.9°，c=140～170 kPa；變形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。具有較高的強(qiáng)度、抗變形能力和承載能力。堆積體以上壩高不會(huì)超過(guò)120 m，低于國(guó)內(nèi)已建在現(xiàn)代河床砂礫卵石層上的堆石壩(壩高133 m)[9]，且現(xiàn)代河床砂礫卵、礫石層工程性狀差于本工程古河床崩坡堆積體。

綜上所述，從堆積物主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)看，清除堆積物表層5 m松散體后，經(jīng)碾壓處理，總體能滿(mǎn)足做為堆石壩壩基的要求。

4 結(jié) 論

(1) 古河床堆崩坡堆積物地形較平順，表面未見(jiàn)任何拉裂變形特征，總體穩(wěn)定性較好。

(2) 古河床堆積物屬?gòu)?qiáng)透水層，滲透破壞類(lèi)型為管涌破壞，與下部砂卵石層不存在接觸沖刷問(wèn)題。

(3) 表層0～5 m土體呈松散-中密狀，以稍密為主；5 m以下土體呈中密-密實(shí)狀，以密實(shí)為主。

(4) 在清除表層5 m松散體后，經(jīng)碾壓處理后可做為壩基。