煤窯溝水庫壩殼料特性試驗研究

李針龍

（吐魯番地區水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000）

0 前言

煤窯溝水庫是新疆吐魯番市煤窯溝河上的一座攔河式小（一）型水庫，壩型為混凝土面板堆砂礫石壩，采用全庫盤復合土工膜防滲。大壩呈“U”型，壩軸線長度為3120 m，最大壩高44.8 m，壩體結構自上游向下游依次為混凝土面板、過渡區、墊層區和砂礫石壩體，前后壩坡坡比均為1∶1.6。壩體填筑總量為160萬m3，為了解壩殼料的物理、力學特性、滲透特性，須對大壩筑壩壩殼料進行試驗分析。

1 試驗材料特性及制備

1.1 材料特性

壩殼料C4料場卵礫石成份主要為砂巖、礫巖、凝灰巖、花崗巖等，該料場巖性分布穩定，有用層儲量為340萬m3。要求壩殼料Dmax≤500mm，含泥量＜8%，滲透系數≥10-2cm/s～10-3cm/s，填筑要求Dr≥0.80，填筑層厚度80cm。C4料場級配情況與同類工程對比見圖1，可以看出壩殼料級配情況較好，考慮采用平均線進行試驗。

圖1 煤窯溝水庫壩殼料場平均線與同類工程對照表

1.2 試料制備

粗粒土的試樣制備按《土工試驗規程》SL237-053-1999方法進行。根據壩料填筑要求，壩殼料試驗級配曲線通過對C4料場砂礫料原級配進行超粒徑處理，處理后40 mm～60 mm含量為16.3%，20 mm～40 mm含量為25.6%，10 cm～20 cm含量為18.9%，5 cm～10 cm含量為15.5%，小于5 mm含量為23.7%。

2 試驗內容

對煤窯溝水庫工程筑壩壩殼料進行常規大三軸試驗。以便進行壩體穩定和變形計算工作，試驗結果應滿足鄧肯E～μ、E～B模型參數要求。筑壩壩殼料試驗研究主要內容包括以下幾個方面:

1）常規物理試驗，包括壩殼砂礫料的最大干密度、最小干密度、壓縮、滲透及比重試驗。

2）筑壩材料靜力三軸試驗，包括壩殼砂礫料靜三軸固結排水剪切試驗，提供E～B和E～μ模型參數。

3 試驗方法及結果分析

3.1 相對密度試驗

壩殼料進行了兩次平行試驗。試驗采用風干土料，試樣筒尺寸為φ300 mm×360 mm。最小干密度試驗采用固定體積法，試驗按《土工試驗規程》SL237-054-1999方法進行；最大干密度試驗采用振動擊實法，以模擬堆石壩現場施工振動碾振動壓實，試驗采用粗粒料相對密度儀，試樣頂部靜載14 kPa，振動頻率為20 Hz，振動歷時8 min，最大干密度2.32 g/m3，最小干密度1.91 g/m3，試驗干密度2.25 g/m3。

3.2 三軸壓縮試驗

3.2.1 試驗儀器及試驗方法

采用粗粒土三軸儀進行靜三軸試驗。對C4料場壩殼料進行飽和狀態下的固結排水試驗，試驗方法及參數整理均按《土工試驗規程》SL237-060-1999方法進行。大型三軸試驗試樣尺寸為φ300mm×600mm，每組試料四個圍壓，最大圍壓為800kPa。按試驗控制干密度進行裝樣，試樣分6層裝入成型筒內，每層厚度10 cm，用振搗器夯實。試樣飽和采用頂部抽氣，試樣內形成負壓，測計進水量管水位讀數后，打開進水閥。試樣在負壓作用下，水由下而上逐漸飽和試樣。待試樣上部出水后，停止抽氣，用水頭飽和法進行飽和，直至進出水量平衡時，認為試樣完全飽和，方可進行剪切試驗。試樣飽和完成后關閉排水閥，施加圍壓，記錄孔隙水壓力變化情況，孔壓穩定后，打開排水閥進行固結，記錄排水管體積隨時間的變化，試驗中固結時間1 h～1.5 h基本固結穩定，記錄固結排水量及固結下沉量。然后進行剪切試驗，剪切速率為1.0 mm/min。剪切過程中記錄試驗軸向荷載（采用500 kN壓力傳感器進行量測），軸向變形（采用10 cm百分表量測）、剪切排水量（采用量筒量測），直至試驗破壞。破壞點的確定方法為:當應力應變關系曲線有峰值時，取峰值點為破壞點；當應力應變關系曲線無峰值時，則取應變15%所對應的點為破壞點。

3.2.2 試驗成果

試驗得到試樣的主應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1及體應變εv與ε1之間關系試驗結果分別見圖2、圖3，試樣在不同應力條件下的摩爾圓及強度包線，見圖4。

圖2 主應力差與軸向應變關系曲線（飽和CD）

圖3 體應變與軸向應變關系曲線

圖4 固結排水剪總應力強度包線

根據摩爾-庫倫強度定律，四組破壞應力圓的公切線即為土的抗剪強度線，可以得到線性強度指標。然而根據粗粒土三軸試驗結果表明，在壓力較大的應力范圍內，無粘性土的強度和法向應力的關系并不是一個常數，而是隨著圍壓的增大而有所降低的，材料強度包線表現出明顯的非線性特征，為準確表達壩料在不同應力條件下的φ值，采用如下公式進行計算，計算結果見表1。

式中:φ為某應力圓切線與橫坐標的夾角；φ0壓力為一個大氣壓時的內摩擦角某應力，為試驗值；Δφ為試驗值；σ3為周圍壓力；Pa為標準大氣壓。

表1 三軸試驗（排水剪）強度指標

壩殼料飽和狀態下三軸試驗E～μ模型參數見表2，E～B模型參數見表3。

表2 E～μ模型參數（固結排水剪）參數表

表3 E～B模型參數（固結排水剪）參數表

3.2.3 試驗結果修正

整理試驗結果得到鄧肯E～μ雙曲線模型參數K、n、Rf、C、φ、G、F、D，將模型參數代入 E～μ 雙曲線理論公式，可得到主應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1理論關系曲線及體應變εv與軸向應變ε1理論關系曲線，通過對比發現理論關系曲線與試驗關系曲線偏離較大，因此須對模型參數進行修正。

具體方法是以試驗曲線為真值，通過微調模型參數使理論曲線逐漸逼近試驗曲線，二者擬合較好時所對應的一組模型參數即為修正模型參數，并將試驗結果與近期試驗室做的同類工程進行比較，見表4。可以看出煤窯溝水庫壩料修正后E～μ模型參數（固結排水剪）與同類工程比較相似，試驗結果是可信的。

表4 同類工程壩殼料E～μ模型參數（固結排水剪）對照表

修正后E～μ模型主應力差與軸向應變關系曲線及體應變與軸向應變關系曲線見圖5、圖6。

圖5 修正后E～μ模型主應力差與軸向應變關系曲線（C4料場）

圖6 修正后E～μ模型體應變與軸向應變關系曲線（C4料場）

將模型參數中 K、n、Rf、φ0、Δφ 代入 E～B雙曲線模型中，同樣可得到理論主應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1關系曲線，同時將參數中Kb、m代入理論公式計算出相應的體應變εv，將試驗曲線與理論曲線進行對比，并對上述試驗參數進行修正，得到修正后E～B模型參數（固結排水剪）參數，并將試驗結果與同類工程進行比較，見表5。可以看出煤窯溝水庫壩料修正后E～B模型參數（固結排水剪）與同類工程比較相似，試驗結果是可信的。

表5 同類工程E～B模型參數（固結排水剪）對照表

修正后主應力差與軸向應變關系曲線及體應變與軸向應變關系曲線，見圖7、圖8。

圖7 修正后E～B模型應力差與軸向應變關系曲（C4料場）

圖8 修正后E～B模型體應變與軸向應變關系曲線（C4料場）

3.3 比重及壓縮試驗

小于5 mm細粒土的比重采用比重瓶法測定，大于5 mm粗粒土采用虹吸筒法測定，試驗比重為2.74。壓縮試驗儀器采用粗粒土壓縮儀，壓縮儀容器的直徑為500 mm，高為400 mm，最大垂直壓力為2.0 MPa。壓縮試驗結果顯示，在100 kPa～200 kPa范圍內，煤窯溝水庫C4料場壩殼料干燥狀態下壓縮系數為0.007 MPa-1，壓縮模量為186.1 MPa，飽和狀態下壓縮系數為0.007 MPa-1，壓縮模量為 174.7 MPa。

3.4 滲透試驗

試驗設備采用直徑30 cm垂直滲透儀，從底部先使試樣飽和并排氣，保持水頭不變，出水30 min后開始記錄，按體積法測定滲透流量3次，改變水頭后重復上述試驗，計算得出平均滲透系數1.85×10-2cm/s。滲透實驗成果表明所選用的壩殼料均具有自由排水性能，滿足填筑堆石壩體的有求。

4 結論

1）煤窯溝水庫壩殼料場（C4料場）試料經過超徑處理后最大干密度為2.32 g/cm3，最小干密度為1.91 g/cm3，相對密度控制在0.85，對應干密度為2.25 g/cm3。

2）通過對試驗參數進行修正，可看出煤窯溝水庫壩料修正后與同類工程比較相似，試驗結果是可信的，E～μ、E～B試驗參數滿足大壩應力應變計算要求。

3）在100 kPa～200 kPa范圍內，可看出C4料場壩殼料浸水飽和后壓縮性變化不大。

4）從滲透試驗成果可以看出:C4料場壩殼料滲透系數在10-2cm/s數量級以上，可以滿足自由排水要求。