特高面板壩砂礫石料工程特性試驗(yàn)研究

任 艷，凌 華，米占寬，傅 華，王 芳

(1.塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局， 新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.南京水利科學(xué)研究院， 江蘇 南京 210029;3.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029)

砂礫石料綜合單價(jià)約為爆破堆石料的50%，具有易壓實(shí)、軟化系數(shù)大等特點(diǎn)，碾壓時(shí)顆粒也不易破碎，壓實(shí)后一般強(qiáng)度高、壓縮性小[1-2]，在水利水電、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中應(yīng)用非常廣泛。混凝土面板壩是當(dāng)今水利水電工程建設(shè)的主流壩型之一。具有造價(jià)低、工期短、施工方便、壩坡穩(wěn)定性好、抗震性能強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。1993年后，國(guó)內(nèi)吸取溝后面板砂礫石壩潰壩[3]教訓(xùn)和總結(jié)其它工程成功經(jīng)驗(yàn)，已建成了壩高164.8 m阿爾塔什[4]、壩高157 m吉林臺(tái)一級(jí)[5]、壩高133 m烏魯瓦提[6]和壩高123.5 m黑泉面板砂礫石壩[7]，現(xiàn)正擬新建一批250 m級(jí)的高面板砂礫石壩[8-9]，如最大壩高257.5 m的茨哈峽和最大壩高247 m的大石峽面板砂礫石壩。相比百米級(jí)砂礫石面板壩，這些特高壩壩體內(nèi)應(yīng)力顯著增加，應(yīng)力分布更加復(fù)雜，導(dǎo)致壩體變形增大、面板裂縫，甚至引起安全問(wèn)題，這對(duì)大壩的變形控制及滲流控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。砂礫料的工程特性是確保砂礫石面板壩安全的基本要素，眾多學(xué)者對(duì)其壓實(shí)特性[10-11]、強(qiáng)度指標(biāo)[12-15]、變形特性[14-15]和滲透性能[2,16]進(jìn)行了研究，得到了一些有益的研究結(jié)論。

本文以某特高面板壩砂礫石填筑料為對(duì)象，研究了砂礫料的壓實(shí)性能、強(qiáng)度指標(biāo)、變形特性和滲透性能。

1 試驗(yàn)研究

開(kāi)展相對(duì)密度試驗(yàn)研究了砂礫料的室內(nèi)壓實(shí)性能，通過(guò)大型三軸試驗(yàn)研究了砂礫料的強(qiáng)度指標(biāo)及應(yīng)力變形特性，通過(guò)滲透試驗(yàn)分析了各區(qū)砂礫料的滲透性能隨級(jí)配的變化規(guī)律。

1.1 砂礫石料基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)材料為某特高面板堆石壩砂礫石填筑料，巖性以花崗巖、砂巖、微晶灰?guī)r為主，其次為礫巖、粉細(xì)砂巖、頁(yè)巖等，超徑石以灰白色花崗巖為主，少量灰褐色變質(zhì)砂巖和灰色灰?guī)r。砂粒成份為石英、長(zhǎng)石及巖屑等，粒徑以中粒為主。根據(jù)各壩體分區(qū)料設(shè)計(jì)級(jí)配包絡(luò)線采用等量替代法縮制成最大粒徑不超過(guò)60 mm的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M級(jí)配。相對(duì)密度試驗(yàn)試樣筒尺寸為Ф300 mm×360 mm，最小干密度試驗(yàn)采用人工法，最大干密度試驗(yàn)采用表面振動(dòng)法。砂礫料的級(jí)配特性及相對(duì)密度結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)級(jí)配與試驗(yàn)干密度

1.2 三軸強(qiáng)度變形試驗(yàn)

取相對(duì)密度0.90，采用大型三軸儀開(kāi)展了墊層區(qū)平均線、主堆石區(qū)上包線、平均線和下包線試樣的大型靜力三軸試驗(yàn)。為避免制樣擊實(shí)功能對(duì)強(qiáng)度和變形特性的影響，試驗(yàn)時(shí)以相對(duì)密度0.90為控制標(biāo)準(zhǔn)，各試驗(yàn)試樣干密度見(jiàn)表1。

試驗(yàn)試樣尺寸為Φ300 mm×700 mm，采用表面振動(dòng)法分5層制樣，水頭法進(jìn)行試樣飽和，剪切速率為2 mm/min。試驗(yàn)圍壓5級(jí)，分別為400 kPa、800 kPa、1 200 kPa、2 000 kPa和3 000 kPa。試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17](SL 237—1999)進(jìn)行。

三軸試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1，各砂礫石料的線性強(qiáng)度指標(biāo)、非線性強(qiáng)度指標(biāo)以及不同圍壓下的破壞峰值見(jiàn)表2，整理得到的鄧肯模型主要變形參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 三軸試驗(yàn)曲線

表2 強(qiáng)度指標(biāo)

表3 鄧肯模型變形參數(shù)

由圖1，各區(qū)筑壩材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性、壓硬性和彈塑性等一般規(guī)律。各砂礫料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多呈應(yīng)變軟化特性，隨圍壓的增長(zhǎng)，應(yīng)變軟化特性逐漸趨向于應(yīng)變硬化，但即使圍壓高達(dá)3 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力峰值時(shí)的軸向應(yīng)變也僅為12%左右。

由體變-應(yīng)變關(guān)系，當(dāng)圍壓較小時(shí)，由于砂礫料不易破碎和顆粒間的架越作用，剪脹現(xiàn)象明顯。隨圍壓的進(jìn)一步提升，體變曲線的剪脹性逐漸降低。但對(duì)于文中砂礫石料，由于相對(duì)密度高達(dá)0.90，圍壓3 MPa條件下仍或多或少的產(chǎn)生了剪脹現(xiàn)象。

三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用0.90相對(duì)密度時(shí)，該工程砂礫石料強(qiáng)度指標(biāo)φ達(dá)到了39.2°～40.3°，鄧肯模型參數(shù)K值達(dá)到了1 110.2～1 344.0。壓實(shí)后的砂礫料具有較為優(yōu)越的力學(xué)性能，是較為理想的高土石壩填筑料。

1.3 滲透系數(shù)測(cè)試

采用常水頭法開(kāi)展了各區(qū)料的垂直滲透試驗(yàn)，滲流方向?yàn)閺南孪蛏希嚇映叽鐬棣?00×300 mm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

2 砂礫石料的工程特性

2.1 砂礫料室內(nèi)壓實(shí)性能

點(diǎn)繪各區(qū)料最小干密度、最大干密度隨小于5 mm粒徑顆粒含量(P<5)的變化關(guān)系，見(jiàn)圖2。由圖2可知起始隨P<5的提高，細(xì)顆粒能逐漸填充至粗顆粒骨架形成的孔隙內(nèi)，因此最小干密度和最大干密度均有所增加；當(dāng)P<5增加至某一范圍后，由于細(xì)顆粒已較充分的填充孔隙，最小干密度和最大干密度雖有一定的增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)較為緩慢，逐漸達(dá)到某一臨界值。超過(guò)該臨界值后，細(xì)顆粒的繼續(xù)增加有阻礙或隔離骨架的趨勢(shì)，最小干密度和最大干密度反而會(huì)有所降低。

對(duì)于文中砂礫料，P<5臨界值略超過(guò)30%，與文獻(xiàn)[16]結(jié)論類(lèi)似。需說(shuō)明的是，對(duì)于堆石料，特別是硬巖堆石料，該值往往達(dá)到40%～50%以上，這表明顆粒形狀也會(huì)影響粗粒土材料的壓實(shí)性能。

當(dāng)然，分析砂礫石料壓實(shí)性能隨級(jí)配的變化，不能僅依靠P<5，也要考察級(jí)配是否優(yōu)良，如不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、級(jí)配是否連續(xù)性等。文中排水區(qū)料P<5為12.25%，與主堆石區(qū)下包線砂礫料13%接近，但由于排水區(qū)料缺失2 mm以下顆粒，相比下包線試樣，最小干密度降低了0.08 g/cm3、最大干密度降低了0.07 g/cm3。

圖2 最小干密度和最大干密度隨P<5的變化

2.2 砂礫石料強(qiáng)度指標(biāo)

由表2，對(duì)于主堆石區(qū)料，由于隨P<5含量的提高，細(xì)顆粒能逐漸密實(shí)填充于粗顆粒形成的骨架孔隙內(nèi)，并與骨架協(xié)調(diào)作用以共同分擔(dān)荷載，因此在全圍壓范圍內(nèi)主堆石區(qū)上包線試樣的破壞峰值最大，強(qiáng)度指標(biāo)最高，線性強(qiáng)度指標(biāo)φ達(dá)到了39.9°，φ0達(dá)到了50.2°；主堆石區(qū)下包線試樣的破壞峰值最小，強(qiáng)度指標(biāo)最低，φ為39.2°，φ0達(dá)到了49.9°；平均線試樣居中。

隨P<5含量進(jìn)一步的提高，相比主堆石區(qū)料上包線試樣，含量為42.5%的墊層區(qū)平均線試樣的破壞峰值整體有所降低。特別是當(dāng)圍壓較小時(shí)，由于骨架被細(xì)顆粒有阻斷的趨勢(shì)，因此剪切破壞峰值降低較為顯著。當(dāng)圍壓超過(guò)2 MPa后，由于墊層區(qū)料平均線試樣的干密度接近主堆石區(qū)料上包線試樣，且砂礫石料顆粒的不易破碎，其強(qiáng)度峰值與主堆石區(qū)上包線試樣的剪切破壞峰值接近。對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)，當(dāng)P<5含量進(jìn)一步提高后，砂礫石料的強(qiáng)度指標(biāo)C值降低較為顯著，φ值略有增加，但φ0、Δφ均降低較為明顯。

綜上，隨P<5含量的增加，壓實(shí)后的砂礫石料強(qiáng)度逐漸增加，但超過(guò)臨界值后，又有降低的趨勢(shì)。

2.3 砂礫石料的變形特性

點(diǎn)繪墊層區(qū)料平均線試樣、主堆石砂礫料上包線、平均線和下包線的Ei/Pa、Bt/Pa隨σ3/Pa的變化關(guān)系匯于圖3，其中Ei為初始切線彈性模量，Bt為切線體積模量，σ3為試驗(yàn)圍壓，Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖3 Ei/Pa(Bt/Pa)-σ3/Pa關(guān)系曲線

對(duì)于主堆石區(qū)砂礫料上包線、平均線和下包線試樣，盡管相對(duì)密度相同，由于上包線試樣粗細(xì)顆粒咬合緊密，細(xì)顆粒能協(xié)同分擔(dān)荷載，因此在各圍壓范圍內(nèi)初始切線彈性模量、切線體積模量均要高于平均線和下包線試樣；且隨圍壓的提高，級(jí)配優(yōu)良的特性得到進(jìn)一步發(fā)揮，差異越顯著。如圖3所示，在圍壓較低時(shí)上包線試樣與下包線試樣的峰值相差不大，出現(xiàn)峰值時(shí)的軸向應(yīng)變也較近，兩者的體變曲線也相差不大，甚至由于下包線試樣形成骨架的粗顆粒含量較高，在剪應(yīng)力作用下的剪脹現(xiàn)象更顯著。但隨圍壓的提高，如圍壓達(dá)到3 MPa時(shí)，上包線試樣剪切峰值不但高于下包線試樣，出現(xiàn)峰值時(shí)的軸向應(yīng)變約為10%，也要小于下包線試樣的12%；對(duì)于體積變形，由于上包線試樣的級(jí)配更為優(yōu)良，骨架形成的孔隙小，在高圍壓條件下產(chǎn)生的體積變形小，剪脹趨勢(shì)更為明顯。反映在鄧肯模型參數(shù)上，上包線試樣的K、Kb值最大，彈性模量系數(shù)n和體積模量系數(shù)m值也最大，下包線數(shù)值最小，平均線居中。

隨P<5含量的進(jìn)一步增加，即為42.5的墊層料，由于此時(shí)的細(xì)顆粒含量較高，已有隔斷粗顆粒骨架的趨勢(shì)，相同壓實(shí)功能條件下得到的密度也開(kāi)始逐漸降低，因此當(dāng)圍壓較低時(shí)，其峰值要低于主堆石區(qū)砂礫料上包線試樣，且在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的體積變形量要大。當(dāng)圍壓進(jìn)一步提高后，特別是高圍壓條件下，由于P<5含量增加量不大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線及體變-應(yīng)變曲線整體變化不大。反映在鄧肯模型參數(shù)上，相比主堆石砂礫料上包線試樣，墊層區(qū)料平均線試樣鄧肯模型參數(shù)K、Kb值要有所降低，彈性模量系數(shù)n和體積模量系數(shù)m值略有增加，整體略有降低。

2.4 砂礫石料的滲透性能

點(diǎn)繪各區(qū)料試樣滲透系數(shù)隨P<5含量的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。相同的相對(duì)密度條件下，各試驗(yàn)材料滲透系數(shù)與P<5含量關(guān)系密切，隨P<5含量的提高，滲透系數(shù)降低。考慮到P<5含量對(duì)滲透系數(shù)的重要影響，試驗(yàn)人員開(kāi)展?jié)B透系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，宜優(yōu)先采用等量替代法進(jìn)行超粒徑處理。另外，相比主堆石區(qū)砂礫料下包線試樣，反濾過(guò)渡區(qū)P<5含量與之相近，但由于缺失了2 mm以下細(xì)顆粒，其滲透系數(shù)要顯著增加。

圖4 滲透系數(shù)隨P<5含量的變化

需要指出的是，相比堆石料，砂礫料的滲透系數(shù)一般要低，如主堆石區(qū)砂礫料上包線試樣，小于5 mm粒徑顆粒含量為37%，滲透系數(shù)為2.50×10-4cm/s，平均線試樣小于5 mm粒徑顆粒含量為25%，滲透系數(shù)為6.01×10-3cm/s，均不滿足堆石區(qū)料滲透系數(shù)大于10-2cm/s的常規(guī)要求，因此對(duì)于采用砂礫石料填筑的高土石壩，應(yīng)重視壩體排水設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 論

(1)P<5含量是影響砂礫石料壓實(shí)性能的重要因素，起始隨P<5含量的提高，最小干密度和最大干密度增加較快；達(dá)到某一定范圍后，增長(zhǎng)趨緩，且超過(guò)某臨界值后又有所降低，對(duì)于文中砂礫石料該臨界值略大于30%。

(2) 起始隨P<5含量的提高，相同相對(duì)密度的砂礫料強(qiáng)度提高，但超過(guò)該臨界值后，又有降低的趨勢(shì)。

(3) 起始隨P<5含量的提高，相同相對(duì)密度的砂礫料初始切線彈性模量、切線體積模量增大，但超過(guò)該臨界值后，又有降低的趨勢(shì)。

(4)P<5含量是影響滲透性能的重要因素，室內(nèi)模擬試驗(yàn)時(shí)宜采用等量替代法進(jìn)行超粒徑處理。

(5) 壓實(shí)后的砂礫石料力學(xué)指標(biāo)較優(yōu)，是高土石壩較為理想的填筑料，但由于砂礫石料滲透系數(shù)低，抗沖刷能力差，采用砂礫石料填筑的高土石壩應(yīng)重視壩體防滲排水和反濾設(shè)計(jì)。