瀝青混凝土心墻石渣壩筑壩材料力學指標分析

何 林

(四川省水利水電勘測設計研究院，四川 德陽 618000)

隨著國家水利投資的加大，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已經很成熟，二是四川紅層地區的砂巖、泥巖、粉砂巖的各種工程指標可以滿足該壩型壩殼料的要求。

根據在建的幾座瀝青混凝土心墻石渣壩的設計報告，這些壩的壩料主要是料場開采后的弱風化砂巖料(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，其次在壩坡穩定計算時抗剪強度指標要不要考慮粘聚力c值，如不考慮粘聚力，是否用非線性強度指標更合理？下面結合4座水庫的筑壩材料實驗對上述問題展開討論。

1 壩料強度計算方法

SL 274—2000《碾壓式土石壩設計規范》中給出了粘性土的概念，它主要是為了確定在穩定分析時用總應力法還是有效應力法。根據有效應力原理可知，影響土體抗剪強度的僅為有效應力。如果土體為高壓縮性土且土體滲透系數很小，排水不暢就會產生超靜孔隙水壓力致使有效應力降低從而減小土體抗剪強度。下面從壩料的壓縮性、滲透性兩個方面來分析壩料強度計算方法。

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，根據土力學原理，土的壓縮性一般根據圍壓0.1～0.2MPa間的壓縮系數來判斷，壓縮系數小于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均遠低于0.1，壩料碾壓填筑時含水率很低為最優含水率，遠沒達到飽和。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產生過大變形也不會引起超靜孔隙水壓力。

上游壩殼堆石料的滲透系數量級在10-2～10-1cm/s，下游壩殼石渣料的滲透系數量級在10-4～10-2cm/s。根據蘇H·H羅扎諾夫主編的《土石壩》一書介紹，當填料飽和度G≥0.85，滲透系數k<(5～10)×10-6時才需要計算孔隙水壓力；另據日本土木技術協會編《最新土石壩工程學》一書介紹，當滲透系數k>5×10-6時孔隙水壓力完全消散。

根據上面分析可知四川地區瀝青混凝土心墻石渣壩在確定各種工況抗剪強度指標時均可按有效應力法計算。

2 壩料力學指標

在做壩料三軸試驗時，壩料摩爾應力圓的公切線在τ軸上都有截距，試驗中把它作為壩料的粘聚力c值，這個值在土力學的定義為“土粒之間的各種物理化學作用力，包括庫侖力(靜電力)、范德華力、膠結作用力等”，根據壩料的級配試驗，壩料中粘粒所占的比例很小，應該不存在粘聚力c值，所以DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設計規范》中規定“對于堆石、砂礫石等非粘性土，粘聚力雖可由實驗求出，但略而不計，經過充分論證粗粒料亦可采用非線性抗剪強度指標進行穩定計算”。實際上通過壩料試驗做出來的c值包含顆粒之間咬合力，而規范籠統的將非粘性土的粘聚力忽略不計是不合理的。下面以一座大壩實測試驗數據為例分別按采用c′、φ′值，僅采用φ′值，采用非線性強度指標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及滲透性指標

表2 下游壩殼石渣料壓縮指標及滲透性指標

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，下游壩坡設一級馬道，馬道高程429.0m，寬3.0m。下游壩體設弱風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指標見表3，采用各指標時壩坡抗滑穩定安全系數如圖1—4所示。

表3 壩體穩定計算強度指標

圖1 采用c′、φ′值時壩坡抗滑穩定安全系數

圖2 僅采用φ′值時壩坡抗滑穩定安全系數

圖3 采用非線性強度指標時壩坡抗滑穩定安全系數

圖4 不同抗剪強度指標下壩坡穩定系數對比

從圖1—4可以作出以下幾點分析。

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

(2)強度指標包含c′時與采用非線性強度指標計算的上游壩坡滑弧形狀基本相同，都為比較深且長的弧形滑裂面，比較接近大壩實際的滑動面。而不包含c′值僅采用φ′時計算的滑裂面為短且淺的表層滑裂面，這與壩坡實際滑動產生的破壞面不相符，說明該類壩型穩定計算時不包含粘聚力c′值只用φ′計算方法是不合理的。

(3)從圖4的對比可知，不包含壩料間粘聚力c′時得到的穩定安全系數最小，已經小于規范規定允許值，前面已經說明這時壩體滑坡與實際不符，現只討論另外兩個力學指標。非線性強度指標計算所得穩定安全系數較線性強度指標計算所得穩定安全系數大30.3%～45.4%，這是因為線性強度指標采用的是試驗的小值平均值，且根據工程經驗有一定的折減。目前規范中僅規定了在面板堆石壩的穩定計算中應采用非線性強度指標，鑒于上述原因從工程安全角度考慮，若工程建設過程中沒有科學可靠的大量試驗數據作支撐，應采用包含粘聚力c′值的線性強度指標計算壩坡穩定。

3 結論

(1)對于四川地區瀝青混凝土心墻石渣壩，在計算壩坡穩定時不管什么工況均可僅采用有效應力強度指標作為計算參數。

(2)由于瀝青心墻對水頭的折減，下游壩坡浸潤線很低，浸潤線對下游壩坡穩定影響很小，下游壩坡穩定主要與壩料自身抗剪強度指標有關，且在各工況下下游壩坡穩定安全系數相差很小。

(3)建設瀝青混凝土心墻石渣壩時若沒有大量詳細可靠的壩料試驗分析數據應采用包含粘聚力c′值的線性強度指標計算壩坡穩定，下一步應加強對心墻石渣壩的非線性強度指標的研究，并通過工程實踐來驗證線性與非線性強度指標的合理性。