老均質(zhì)壩擴建穩(wěn)定計算抗剪強度指標(biāo)選擇

劉洪雨

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 德陽 618000)

1 概述

SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》D.1.1及DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》E.1.1都給出了土石壩穩(wěn)定分析時抗剪強度指標(biāo)的選擇方法，對于新建土壩穩(wěn)定計算時可以直接按實際工況選擇對應(yīng)的強度指標(biāo)，但老壩體加高擴建時強度指標(biāo)選擇就有許多爭議，爭議的焦點就在于運行多年的老壩體是否已經(jīng)完全排水固結(jié)，計算時是不是該用固結(jié)強度指標(biāo)。通過對多座老均質(zhì)土壩勘察試驗發(fā)現(xiàn)許多運行多年的壩并沒有完全固結(jié)，由于固結(jié)剪切指標(biāo)與不排水剪切指標(biāo)相差很大，若老壩體沒有固結(jié)而在擴建設(shè)計穩(wěn)定計算時錯誤地選擇了固結(jié)剪切強度指標(biāo)則會對工程帶來很大安全隱患甚至?xí)饓误w滑坡破壞。

2 老壩體土物理特性

擴建的老壩體一般是20世紀(jì)60—70年代所修建的，由于當(dāng)時施工水平的限制許多壩體內(nèi)存在低密度、低強度、高壓縮性的土層，有些壩體內(nèi)排水系統(tǒng)失效導(dǎo)致運行多年并未完全固結(jié)，這些壩體土很難滿足現(xiàn)有規(guī)范對均質(zhì)壩設(shè)計、施工的要求。通過對多座老均質(zhì)壩勘察資料分析發(fā)現(xiàn)這些老壩體土有以下特性：

(1)壩體填筑土黏粒含量高，為18.5%～50.3%，液限含水量為23.4%～43.7%，塑性指數(shù)為8.4～22.7，屬低液限黏土，試驗結(jié)果證明原壩料不能滿足均質(zhì)壩土料的滲透方面要求。

(2)壩料壓實度普遍偏低，勘察的水庫中壓實度最大的為99%，最小的為90%，平均為95%，不能滿足SL 274—2001中要求的3級中低壩及3級以下的中壩壓實度應(yīng)為96%～98%的要求。

(3)壩體土飽和度高，為84.1%～100%，平均達(dá)到95.9%，壩體處于基本飽和狀態(tài)，說明壩體排水系統(tǒng)可能失效，土體無法排水固結(jié)。

3 老壩體土抗剪強度試驗結(jié)果分析

下面列出兩座老壩體實測抗剪強度指標(biāo)，分析說明老均質(zhì)壩擴建穩(wěn)定計算時應(yīng)如何選擇抗剪強度指標(biāo)。

3.1 龔家堰水庫

龔家堰水庫工程位于彭山縣黃豐鎮(zhèn)共和村，屬岷江二級支流龔家堰溝，為已建的小(1)型水庫，總庫容323×104m3。大壩于1958年4月開工建設(shè)，1959年12月竣工，壩型為均質(zhì)黏土壩，壩頂高程473.64m，最大壩高26.30m，壩軸線長80.00m。工程擴建前勘測階段在原壩體上布置了4個鉆孔，上游編號ZK201、ZK202，壩軸線編號ZK203，下游編號ZK211，隨鉆孔深度共取了13組原狀樣。壩體原狀土的抗剪強度指標(biāo)通過直剪試驗及三軸試驗確定。

考慮到原壩體基本處于飽和狀態(tài)，直剪試驗采用3種試驗方法：①原狀樣狀態(tài)快剪，其控制條件為壩體經(jīng)50年運行實際固結(jié)程度條件下的天然干密度和天然含水率，不再飽和不再固結(jié)的快剪試驗。由于試樣本身含水率較高，基本飽和，因此原狀樣狀態(tài)快剪指標(biāo)實質(zhì)是為不固結(jié)不排水剪強度；②飽和固結(jié)慢剪，試樣抽氣飽和后排水固結(jié)，抗剪指標(biāo)與原狀樣狀態(tài)下的抗剪指標(biāo)比較；③飽和固結(jié)快剪。

三軸試驗采用3種方法：①不固結(jié)不排水(UU)剪，與直剪的原狀樣快剪控制條件一致；②固結(jié)排水(CD)剪，即飽和固結(jié)后的排水慢剪；③固結(jié)不排水(CU)剪，即飽和排水固結(jié)后的快剪。兩種試驗結(jié)果見表1。

表1 龔家堰水庫原壩體土抗剪強度試驗結(jié)果

3.2 黨仲水庫

黨仲水庫工程位于青衣江水系安溪河上游雙橋鄉(xiāng)桂香村黨仲溝境內(nèi)，為已建的小(1)型水庫，總庫容882×104m3。大壩于1970年動工興建，1972年春完工，壩型為均質(zhì)土壩，壩頂高程510.00m，最大壩高33.0m，壩軸線長169.2m。

壩體擴建勘測時在上游壩體取原狀土樣10組，下游壩體取原狀樣9組，由于黨仲水庫擴建較早，受當(dāng)時試驗條件限制僅做了直接剪切試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 黨仲水庫原壩體土抗剪強度試驗結(jié)果

3.3 老壩體擴建抗剪強度指標(biāo)選擇

通過3.1試驗條件可以看出，老壩體擴建設(shè)計穩(wěn)定計算時最符合工程實際邊界條件的試驗為壩體土原狀樣的不固結(jié)不排水剪強度試驗；若原老壩體多年運行并未固結(jié)，則說明原壩體填筑料或者排水系統(tǒng)有問題，如果在擴建過程中沒對老壩體采取排水(固結(jié))措施時穩(wěn)定計算各工況均應(yīng)使用原狀樣不固結(jié)不排水剪強度指標(biāo)；使用壩體原狀樣的快剪強度指標(biāo)時應(yīng)折減。分析原因如下：

(1)根據(jù)老壩體排水固結(jié)條件(排水條件不好)、壓實度(壓實度低)、飽和程度(飽和度高)等物理特性與表1、表2所列實測抗剪強度指標(biāo)，可以看出這些老壩體雖然運行多年，但并未完全固結(jié)。

(2)根據(jù)SL 274—20018.3.2及SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》4.4.2中規(guī)定，“對填筑施工期的黏性土邊坡，土體的抗剪強度也可采用τf=cu+σtanφu計算”，式中，cu，φu—土體不排水剪總強度指標(biāo)；根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》E.9.1“對于排水條件差的黏性土地基，宜采用飽和快剪強度或三軸壓縮試驗不固結(jié)不排水剪強度”，擴建工程是在老壩體上加高，老壩體對于加高部分壩體而言可看作是施工期地基土和邊坡，且老壩體厚度大，飽和程度高(一般大于95%以上)，滲透系數(shù)小(一般小于10-6cm/s)，在快速加載條件下排水條件差，所以穩(wěn)定計算時應(yīng)當(dāng)使用原樣土不固結(jié)不排水強度指標(biāo)。

(3)從表1所列天然狀態(tài)快剪數(shù)據(jù)可以看出，同一種壩體土料快剪強度指標(biāo)遠(yuǎn)大于不固結(jié)不排水強度指標(biāo)，從表1與表2上游土樣天然狀態(tài)快剪數(shù)據(jù)(下游土樣飽和度較小，已基本固結(jié))對比也可以看出天然狀態(tài)快剪指標(biāo)大于不固結(jié)不排水指標(biāo)，這是因為天然狀態(tài)快剪試驗時直剪儀無法控制排水，土樣易失水固結(jié)，且快剪試驗僅適用于滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s的黏土料，所以這時天然樣快剪指標(biāo)往往不能如實反映原樣土天然狀態(tài)抗剪強度，在工程實際應(yīng)用時應(yīng)優(yōu)先使用三軸剪切實驗結(jié)果，若試驗條件不允許而只有快剪實驗結(jié)果時應(yīng)對比類似工程并將快剪實驗結(jié)果合理折減后使用。

4 結(jié)語

試驗得到的抗剪強度指標(biāo)在實際應(yīng)用時不是一成不變的，應(yīng)用條件跟壩體是否為新填筑土層、壩體填筑土層快慢程度、壩基土滲透系數(shù)大小、排水棱體排水效果、施工時壩體含水情況等諸多邊界條件有關(guān)，只有深刻理解三種抗剪強度試驗?zāi)M的工程條件才能做出正確選擇。本文統(tǒng)計的實測老壩體資料不多，可能沒有涵蓋所有老壩體擴建情況，但遇到上文類似的壩體土料物理特性與抗剪強度指標(biāo)時設(shè)計者應(yīng)高度重視，以免選擇不合適的抗剪指標(biāo)而造成工程事故。