水電工程地基巖土試驗檢測要點研究

李玉超

(海南中南標質量科學研究院，海南 海口 570023)

隨著國家經濟的高速發展、社會各項基礎設施迅速推進，水利水電工程越來越成為我國各項經濟事業和工農業發展中的重要支持技術之一。水利水電工程以力學和水文學為基礎，進行相關工程設計和施工管控，以此削弱水災水患，是一種科學、合理利用水資源的綜合性技術。面對這一重要基礎設施和基礎產業，越來越多的高精尖人才將水壩、水閘以及水電站等水利樞紐作為主要研究對象，運用數學、力學、工程結構、水利水能計算等理論知識，通過更完善的工程設計方法、施工管理方法以及科學研究方法進行水電工程的勘測、規劃、設計、施工、管控等方面的工作，從而優化了水電工程的建設工作，為各領域的發展提供性能更加優越的管控設施[1]。

當前我國的經濟水平城市化水平不斷提高，在一些城市或地區加大了對于水利水電工程的投入，因此做好工程建設是一項至關重要的工作。為了保證工程項目的可靠性和穩固性，提出了一種對水利水電工程地基巖土試驗檢測的方法，通過檢測地基巖土成分、性質來掌握地基土質，為后面的工程設計提供數據支持。傳統的檢測方法存在計算復雜、檢測程序不夠系統化的問題，針對水電工程地基巖土研究更加完善的土質試驗檢測要點。根據提出的新的檢測要點，深入對水電工程地基的土質和地質分析、加強對環境特征以及地基承載力的評估判斷，為水利水電工程的施工設計提供更全面、系統、準確的數據，改善原有地基土質檢測過程中數據不夠精確和充足的弊端，為下一步的工程設計奠定基礎，同時也為今后水電工程維護提供重要的技術支持[2]。

1 地基巖土試驗檢測要點

針對水電工程地基巖土傳統試驗檢測中存在的問題，研究水電工程巖土地基的檢測要點。

1.1 均勻分布式巖土樣本采集

對于水電工程地基巖土進行試驗檢測，首先要對地基巖土進行勘測采集巖土樣本，這是地基巖土試驗的基礎工作，同時也是所有數據輸出準確的前提。對于巖土樣本的選擇，需要考慮水電工程所處的地理位置，選取具有代表性的巖土進行取樣，同時為了樣本的多樣性還要保證巖土樣本的數量，一般對于一層巖土需要選擇多組巖土樣本，并且在選取每一土層中的巖土時不要集中采集，一定要采用均勻、分布式的采樣手法。水電工程地基立面效果示意圖如圖1所示[3]。

圖1 水電工程地基巖土立面示意圖

通過圖1可知，對于地基的表層巖土設置若干個采樣點，對每一采樣點下的巖土進行分層采樣。對于表層巖石，直接在基坑中進行巖石采樣；對于深層地基巖土，利用鉆機對表層巖土進行鉆孔，在鉆孔內或者鉆心中進行巖土樣本提取。巖土物理力學試驗所需采取巖土樣品數量、質量標準見表1[4]。

表1 地基巖土采樣數量及質量信息化標準

通過表1可知，由于地基巖土需要進行的試驗檢測極為復雜，因此需要考慮到樣品的外在狀態以及內在狀態，以此得到更為精準的采樣數據，巖土物理力學性質參考數據見表2，依據此數據根據數學、物理學以及力學知識要點，參照表中的指標數據進行地基巖土采樣量計算[5,6]。

表2 巖土物理力學性質參考指標

因此參考上述表格提供的巖土物理力學性質指標，根據水電工程的地理位置、水文因素以及其他相關自然條件，設置地基巖土樣本采樣量計算公式：

(1)

式中，q—每一采樣點中需要采集的地基巖土樣本量，ΔQi—第i層巖土土體的沉降量，mm；hi—第i層巖土土體的厚度，mm；s1i—第i層巖土土體壓縮前的孔隙比;s2i—第i層巖土土體壓縮后的孔隙比，n—所設置的巖土采樣點數量[7- 8]。

1.2 定量分析巖土成分

按照公式(1)的計算表達式進行采樣量計算，根據計算結果在每一預先設置的采樣位置進行巖土采樣。而巖土在不同的層位中，由于自然條件的影響，其土質狀態也是不同的，具體見表3。

表3 不同巖層的土質狀態

通過表3可知地基巖土在兩種狀態下所發生的物理變化，這些變化均遭受到了氣候、生物以及地形等因素的影響。隨著時間的流逝，地質構造也在不斷演化遷移，因而每一層中的土質也不會完全一致，不同的土壤成分會導致該巖土的特性不盡相同[9,10]。因此為令檢測結果更加細致，根據公式(1)利用光譜成像儀對這些樣本進行定量分析，該分析的計算表達式如下：

(2)

表3中的各類礦物元素就是定量分析的結果，可見水電工程地基巖土的檢測結果更加多樣豐富[11,12]。

表4 巖土中的主要礦物成分

1.3 巖土性質特征類別分析

針對上述檢測出的巖土成分進行性質特征類別分析。當前的地基巖土根據土質成分的不同，會形成若干種抗壓性、滲水性、粘附性以及持水性各不相同的土質，隨之地殼運動以及降水等自然環境影響形成不同土質的巖土層，這些巖土層的堅固程度也會同所含有的礦物質而發生改變。因此將巖土按照表3中的土質特點，根據表4數據將地基巖土劃分為更加具體的3種土質類型，以此對巖土進行性質特征分析[13,14]。根據非飽和土質的強度理論進行巖土性質分析，此過程依靠膨脹土質與初始含水量的關系進行三類土質的特點分析：

f(τ)=kj×[a′+η(u1-u2)tanφ]+(ρ-u1)]

(3)

式中，f(τ)—土質特性，a′表示巖土有效粘性凝聚力，η—雨水下滲后的系數即巖土的初始含水量，u1—表層孔隙氣壓力，u2—表層孔隙水壓力，tanφ—a′下的土質含水量變化常數，ρ—法向總應力[15]。

根據公式(3)，巖土特征分析結果見表5。

表5 不同巖土的性質特征分析

通過表5可以看出，地基的巖土性質不同，這就會影響水電工程地基的承載力。將進行特征分析后的巖土樣本進行壓實處理，模擬出一個巖土地基模型，壓實處理強度計算表達式為：

(4)

式中，p—壓實強度，e0—所有巖土樣本的壓實前孔隙比，c1—考慮凈應力的壓縮系數，c2—考慮基質的壓縮系數，logσ—凈應力，logx—凈吸力，根據此公式得到模擬地基模型[16- 17]。

1.4 明確水電工程安全系數

在上述準備工作完畢的基礎上，計算模擬地基模型的承載力狀況，以此明確水電工程施工安全系數。土力學知識體系中，通常認為地基的極限承載力是其所能承受的最大壓力，因此利用上述壓縮的地基模型，對其進行破壞形式假設，將滑動面進行適當簡化，依據平衡壓力條件求得地基最大承載力，水電地基基礎深埋的地基滑動面示意如圖2所示。

圖2 基礎深埋地基滑動面示意圖

根據圖2中設置的參數，計算地基承載力因數，公式如下：

(5)

式中，N1—承載力因數，僅與地基v有關的無量綱系數。

同理公式(5)計算與v有關的另一承載力因數N2，根據N1、N2的實際數值，進行地基土質最大承載量計算：

(6)

式中，A—地基巖土所能承受的最大極限壓力值，λ—水電工程設施壓力系數，s—地基模型的巖土土體粘聚力，f—基底水平面以上的基礎兩側的超載系數，γ—地基巖土的總重度[18,19]。

由于我國地域遼闊、地形地貌種類多地勢復雜，水電工程是很難建立在一個完全水平的地形上的，因此在中心傾斜荷載作用下，將豎向地基巖土極限承載力進行調整計算，表達式如下：

f(A)=asbscslsmsnsA+afbfcflfmfnfA
+aγbγcγlγmγnγA

(7)

式中，as、af、aγ—基礎的地基形狀系數；bs、bf、bγ—荷載傾斜系數；cs、cf、cγ—地基基礎深度系數；ls、lf、lγ—地面傾斜系數；ms、mf、mγ—基底傾斜系數；ns、nf、nγ—承載力系數。

根據該計算結果明確此地區中的地基巖土最大承載力，以此計算水電工程的安全系數：

(8)

式中，I—水電工程施工安全系數，Q—水電工程的預估載重量，ω—地基載重離散值。

當I>0.95時，說明載重量為Q的此項水電工程安全系數符合國家規定的安全標準，可以施工；當I≤0.95時，則說明載重量Q過大，超過了地基的最大承載力，此時的水電工程安全系數過小，不能進行水電工程建設需要重新制定建設方案[20]。

2 結論

傳統的地基巖土檢測直接計算地基承載力，檢測結果不夠精確，導致水電工程的安全系數偏低，存在安全隱患。通過采集地基巖土樣本，計算巖土采樣量，根據不同地基巖層的土質狀態利用光譜成像儀進行定量分析來了解巖土的礦物質組成分析其性質特征。并通過計算地基巖土承載力因數，調整中心傾斜荷載作用影響下的地基巖土最大承載力，以此明確水電工程的施工安全系數。該方法可以為水電工程施工提供科學的參考依據，有利于提升施工的安全系數。未來應將其應用在實踐中，發現并解決實際問題，提升方法的應用范圍。