前坪水庫(kù)人工擾動(dòng)砂礫石料特性研究

寧保輝 董振鋒 韋哲

摘 要：受料場(chǎng)人工采砂影響，前坪水庫(kù)人工擾動(dòng)料儲(chǔ)量占砂礫料料場(chǎng)總儲(chǔ)量的80%，這種筑壩材料的力學(xué)特性成為影響大壩填筑質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過(guò)開展人工擾動(dòng)砂礫石料室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、尺寸效應(yīng)分析、數(shù)值模擬等，對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，細(xì)粒含量低于最佳含量的砂礫石料壓實(shí)后能滿足設(shè)計(jì)要求，該種壩料是一種合格的筑壩材料。大壩填筑完成后，經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期蓄水運(yùn)行，大壩沉降、水平位移、壩基壩體滲水量均較小，大壩結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：砂礫石料;細(xì)顆粒缺失;人工擾動(dòng);土石壩;前坪水庫(kù)

Abstract：In general， the optimal compaction can be achieved when the particle content of gravel （less than 5mm）is about 30%. Due to the influence of artificial sand mining， the particle content （more than 5 mm） of gravel in Qianping Reservoir is 74%-98%， and the content of fine particles is relatively small. The reserves of artificial disturbance materials account for 80% of the total reserves of the gravel quarry. The mechanical properties of artificial disturbance gravel become the key factors affecting the dam filling. Through triaxial shear test， rheological test， size effect analysis， numerical simulation and so on，its physical and mechanical properties were analyzed in depth. It is proved that the sand gravel with fine particle content lower than the optimum content can still meet the design requirements after compaction， This kind of dam material is a qualified dam building material. After the completion of the dam filling， the dam settlement， horizontal displacement and seepage of the dam foundation are small and stable， and the dam structure is safe.

Key words： sand gravel; loss of fine particles; artificial disturbance; earth rock dam; Qianping Reservoir

土石壩壩殼是維持壩體穩(wěn)定的主體，是采用材料類型最多的分區(qū)。河南省前坪水庫(kù)大壩黏土、反濾料和壩殼料總填筑量為1 275萬(wàn)m3，其中上、下游壩殼采用砂礫石料及開挖利用料填筑，砂礫石料總填筑量為885萬(wàn)m3。一般用于筑壩的砂礫石料小于5 mm的顆粒含量約為30%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)壓實(shí)[1]。前坪水庫(kù)壩殼料設(shè)計(jì)為天然級(jí)配砂（卵）礫石料，但由于前期設(shè)計(jì)及施工階段一直存在河道人工采砂現(xiàn)象，因此砂礫石料場(chǎng)上層細(xì)顆粒缺失，小于5 mm的細(xì)顆粒含量變化范圍為2%～26%，與天然級(jí)配砂礫石料相比在級(jí)配曲線、物理力學(xué)性質(zhì)等方面發(fā)生了不同程度的變化，其人工擾動(dòng)料占料場(chǎng)總儲(chǔ)量的80%，這種筑壩材料的力學(xué)特性、壓實(shí)特性、施工工藝及控制標(biāo)準(zhǔn)成為影響大壩填筑的關(guān)鍵因素，如按照傳統(tǒng)觀念，需更換砂礫石料料場(chǎng)或?qū)_動(dòng)料采取工程措施進(jìn)行處理。由于壩殼砂礫石料使用量大，不管采用何種方法都將造成工程投資大量增加，且會(huì)改變施工工藝及進(jìn)度，影響整個(gè)工程的進(jìn)展，因此針對(duì)該種壩料進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、尺寸效應(yīng)分析、數(shù)值模擬等，分析低細(xì)顆粒含量砂礫石料筑壩的可行性。

1 人工擾動(dòng)砂礫石料試驗(yàn)研究

1.1 三軸剪切試驗(yàn)

為了研究人工擾動(dòng)砂礫石料力學(xué)性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)[2]，試驗(yàn)方法為飽和固結(jié)排水剪（CD），圍壓σ3分別為400、800、1 000、1 200 kPa。前坪水庫(kù)壩殼料（人工擾動(dòng)料）飽和CD試驗(yàn)曲線見圖1（其中σ為應(yīng)力、τ為剪應(yīng)力），強(qiáng)度指標(biāo)見表1，鄧肯模型參數(shù)見表2。

從表1、表2可以看出，天然級(jí)配砂礫石料與人工擾動(dòng)砂礫石料線性與非線性強(qiáng)度值基本一致，鄧肯模型參數(shù)略有差別。

1.2 縮尺效應(yīng)研究

粗粒料的縮尺效應(yīng)是客觀存在的，受多種因素的影響，經(jīng)過(guò)縮尺后的替代級(jí)配粗粒料在顆粒的大小、形狀、組成和顆粒強(qiáng)度方面都和原型級(jí)配粗粒料有很大差別，這就導(dǎo)致了縮尺后堆石材料和現(xiàn)場(chǎng)筑壩材料的力學(xué)性質(zhì)之間存在一定的差異[3]。

通過(guò)物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及反演分析研究可以發(fā)現(xiàn)：縮尺前后試樣粒徑尺度差別越大，粗粒料實(shí)際與室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的物理力學(xué)性質(zhì)差別越大;對(duì)于堆石材料或可破碎的材料，試樣的彈性模量隨著試樣最大粒徑的增大而減小;對(duì)于砂礫石料或不可破碎的材料，試樣的彈性模量隨著試樣最大粒徑的增大而增大;試樣的摩擦角有相似的變化趨勢(shì)[4]。

從工程應(yīng)用角度看，高堆石壩中的原型粗粒料與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試粗粒料最顯著的差異在于顆粒尺度差異，因此變形特性尺寸效應(yīng)研究最主要的目標(biāo)集中于提出變形參數(shù)與代表性粒徑（如最大粒徑）的相關(guān)關(guān)系，并建立合理的從實(shí)驗(yàn)室測(cè)定變形參數(shù)推求現(xiàn)場(chǎng)變形參數(shù)的方法。在相同試驗(yàn)條件下，不同級(jí)配試樣的彈性模量之間隨著粒徑的變化并不是單純的線性關(guān)系，而是近似呈指數(shù)形式的變化趨勢(shì)。綜合既有成果，堆石料現(xiàn)場(chǎng)模量多低于實(shí)驗(yàn)室模量，而砂礫石現(xiàn)場(chǎng)模量則多高于實(shí)驗(yàn)室模量。提出統(tǒng)一考慮堆石料、砂礫石等粗粒料的變形特性尺寸效應(yīng)，利用實(shí)驗(yàn)室變形模量推求現(xiàn)場(chǎng)變形參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即

目前，對(duì)于堆石材料特性的計(jì)算研究常用的本構(gòu)模型為鄧肯E-B模型，通過(guò)計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，該模型中的參數(shù)K、Kb、Kur、m和n值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。從堆石材料的縮尺效應(yīng)研究得出，顆粒的尺度效應(yīng)對(duì)K、Kb、Kur值影響較大，而對(duì)m、n值影響較小。參數(shù)K值與切線模量Et的關(guān)系式為

由式（3）可知，在相同的圍壓條件下，切線模量和參數(shù)K值表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。因此，在已有算式的基礎(chǔ)上，將顆粒尺度效應(yīng)對(duì)堆石材料變形特性的影響推廣到Duncan模型。模型計(jì)算參數(shù)與顆粒尺度變化的關(guān)系為

式中：下標(biāo)in-situ表示原型級(jí)配的計(jì)算參數(shù);下標(biāo)LAB表示室內(nèi)試驗(yàn)得出的計(jì)算參數(shù);c1為參數(shù)，根據(jù)不少于3個(gè)不同粒徑的試驗(yàn)資料整理獲得，對(duì)砂礫石取負(fù)值，對(duì)堆石取正值。

前坪水庫(kù)上壩砂礫石料的最大粒徑約為300 mm，室內(nèi)試驗(yàn)試樣砂礫石料的最大粒徑約為60 mm，根據(jù)不同縮尺比壓縮試驗(yàn)結(jié)果推算，c1≈-0.1，計(jì)算得到現(xiàn)場(chǎng)砂礫石料的壓縮模量約為室內(nèi)試驗(yàn)材料的1.1倍。因此，為反映尺寸效應(yīng)的影響，將壩殼砂礫石料的鄧肯E-B模型參數(shù)K、Kb、Kur分別提高10%進(jìn)行大壩三維應(yīng)力變形計(jì)算。

1.3 側(cè)限壓縮流變?cè)囼?yàn)

為測(cè)定前坪水庫(kù)砂礫石材料在側(cè)限條件下的流變特性，開展側(cè)限壓縮流變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)軸向荷載采用應(yīng)力控制方式施加，堆石料的試驗(yàn)壓力等級(jí)為100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。由于流變變形穩(wěn)定尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此參照經(jīng)驗(yàn)，本次流變變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)確定為每級(jí)壓力下穩(wěn)定時(shí)間不小于7 d，或24 h軸向變形小于0.01 mm。應(yīng)變起始點(diǎn)以荷載分別達(dá)到各級(jí)荷載的時(shí)刻為流變應(yīng)變計(jì)算的時(shí)間起始點(diǎn)，把此刻的試樣高度作為流變應(yīng)變計(jì)算的試樣高度（需進(jìn)行試樣高度修正），以此刻的壓縮變形量作為流變應(yīng)變計(jì)算的壓縮變形起始點(diǎn)。以此計(jì)算試樣在不同壓力等級(jí)下流變時(shí)程變化情況，繪制的流變應(yīng)變變化曲線見圖2，對(duì)不同豎向荷載等級(jí)條件下的流變應(yīng)變值進(jìn)行了整理分析，見表3。

由表3可以看出，隨著豎向壓力的增大，試驗(yàn)材料的流變應(yīng)變明顯增大，低應(yīng)力條件下流變應(yīng)變較小，高應(yīng)力條件下流變應(yīng)變較大。各級(jí)荷載條件下流變變形的發(fā)展規(guī)律基本相同。

目前，對(duì)于流變?cè)囼?yàn)中流變的起點(diǎn)認(rèn)識(shí)不一。本次試驗(yàn)以加載的各級(jí)豎向荷載為引起流變變形的力學(xué)起點(diǎn)，繪制變形與時(shí)間的關(guān)系，綜合本次試驗(yàn)中不同最大控制粒徑條件下的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為宜采用如下公式計(jì)算最終流變量：

對(duì)砂礫石料各級(jí)豎向壓力等級(jí)條件下的側(cè)限壓縮流變時(shí)程曲線以橫軸為常坐標(biāo)和對(duì)數(shù)坐標(biāo)分別進(jìn)行擬合。為更好地觀察試驗(yàn)初期及遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)的擬合效果，橫軸為常坐標(biāo)擬合時(shí)，選取最長(zhǎng)時(shí)間為700 h（約29 d）的數(shù)據(jù)，擬合情況見圖3（a）;橫軸為對(duì)數(shù)坐標(biāo)擬合時(shí)，選取最長(zhǎng)時(shí)間80 000 h（約9 a）的數(shù)據(jù)，擬合情況見圖3（b）。

2 大壩數(shù)值模擬與安全監(jiān)測(cè)資料分析

2.1 三維應(yīng)力變形分析

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案和壩址區(qū)地形地質(zhì)條件建立了三維有限元模型，在應(yīng)力變形的計(jì)算過(guò)程中，筑壩材料及壩基砂礫石層均采用鄧肯E-B模型[5-6]，考慮砂礫石料模型參數(shù)尺寸效應(yīng)及流變因素[7]。分析整理的位移為自壩體相應(yīng)位置填筑后開始計(jì)算至特定時(shí)刻的累計(jì)變形。典型橫斷面樁號(hào)0+550（最大壩高斷面）竣工期和滿蓄期位移計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

根據(jù)大壩三維應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果，大壩竣工期最大豎向位移為1.49 m，為最大壩高的1.65%，上游壩殼的位移最大值為0.32 m，下游壩殼的位移最大值為0.25 m;大壩的大、小主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在壩殼底部靠近心墻的位置，大主應(yīng)力最大值約為2.4 MPa，小主應(yīng)力的最大值約為0.6 MPa?？⒐て诖髩蔚膽?yīng)力水平最大值約為0.6，出現(xiàn)在心墻內(nèi)。大壩滿蓄期最大沉降量仍然出現(xiàn)在心墻中部，最大值為1.43 m，較竣工期有所減小;受水庫(kù)蓄水影響，大壩的順河向位移變化較大，向下游位移最大值位于壩體頂部，為0.41 m，向上游位移值有所減小，最大值位于上游壩殼底部靠近壩踵部位，為0.2 m;壩體的大、小主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在下游壩殼底部靠近心墻的位置，大主應(yīng)力最大值約為2.4 MPa，小主應(yīng)力的最大值約為0.5 MPa，與竣工期計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，分布趨勢(shì)有所變化，上游壩殼的主應(yīng)力值明顯減小，受庫(kù)水推力的影響，上游壩殼的應(yīng)力水平整體較大，但均不超過(guò)1.0。

2.2 安全監(jiān)測(cè)資料分析

前坪水庫(kù)2020年3月20日下閘蓄水，截至2020年10月19日，水庫(kù)蓄水至384.97 m，下閘蓄水以后庫(kù)區(qū)水位上升40.57 m，距離正常蓄水位403.00 m還剩18.03 m。大壩填筑完成經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期，水庫(kù)蓄水至較高水位，通過(guò)安全監(jiān)測(cè)資料分析，對(duì)人工擾動(dòng)砂礫石料筑壩安全性、可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）沉降觀測(cè)。根據(jù)大壩沉降觀測(cè)資料，2020年3月20日至2020年9月30日黏土心墻各測(cè)點(diǎn)最大沉降量為3～6 cm，下游壩殼砂礫石料各測(cè)點(diǎn)最大沉降量為4～5 cm。壩頂累計(jì)沉降量為5.37～7.12 cm，遠(yuǎn)小于大壩預(yù)留沉降超高（50 cm）。

根據(jù)大壩水管式沉降儀埋設(shè)斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)，2020年3月20日至2020年9月30日各高程測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量如下：①壩體364 m高程測(cè)點(diǎn)最大沉降量為3.6～4.5 cm;②壩體384 m高程測(cè)點(diǎn)最大沉降量為4.6～6.4 cm;③壩體404 m高程測(cè)點(diǎn)最大沉降量為5.6～6.5 cm。

（2）水平位移。大壩0+410、0+545、0+640斷面布設(shè)測(cè)斜管觀測(cè)位移。土體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處累計(jì)位移觀測(cè)值穩(wěn)定，最大位移1.65 mm，壩體基本穩(wěn)定。

大壩填筑完成后，經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期蓄水運(yùn)行，大壩沉降、水平位移、壩基壩體滲水量均較小、穩(wěn)定，大壩結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)安全監(jiān)測(cè)資料分析，人工擾動(dòng)砂礫石料是一種合格的筑壩材料。

3 結(jié) 語(yǔ)

砂礫石料作為土石壩廣泛采用的一種材料，填筑量較大，其物理力學(xué)性質(zhì)、壓實(shí)性能、效率對(duì)工程造價(jià)影響明顯。前坪水庫(kù)砂礫石料場(chǎng)細(xì)顆粒含量低于最優(yōu)壓實(shí)范圍要求，為了研究該種壩料是否滿足筑壩要求，開展人工擾動(dòng)砂礫石料室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)、尺寸效應(yīng)分析、數(shù)值模擬等，對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)等特性進(jìn)行了深入分析，論證了細(xì)粒含量低于最佳含量的砂礫石料壓實(shí)后依然能滿足設(shè)計(jì)要求。大壩填筑完成后經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期蓄水運(yùn)行，大壩變形較小、穩(wěn)定，說(shuō)明該種壩料可以作為一種合格的筑壩材料，在設(shè)計(jì)安全方面能滿足要求。

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