蘇洼龍水電站壩前堆積體抗剪強(qiáng)度特性原位大型直剪試驗(yàn)研究

白 金 朋， 唐 明 武， 董 延 安， 李 耀， 劉 德 斌

(1. 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 朝陽 1000241；2.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041))

0 引 言

在水電站的勘測設(shè)計(jì)、建設(shè)中，壩址區(qū)、庫區(qū)均涉及到堆積體問題，其穩(wěn)定性對壩址、樞紐布置格局方案選擇及庫區(qū)安全產(chǎn)生重大影響；有的堆積體在水電站施工期或運(yùn)行期產(chǎn)生變形不得不投入巨資進(jìn)行加固處理。為此，堆積體邊坡的物理力學(xué)特性、變形及穩(wěn)定性研究一直是水電工程勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)中極為關(guān)注的一個(gè)重要課題[1-2]。

堆積體是由碎石、黏土等殘積物混合堆積而成，具有物質(zhì)成分多樣性、結(jié)構(gòu)不均一性和材料介質(zhì)的非連續(xù)性，是介于土體和巖體之間的特殊地質(zhì)體。對于堆積體巖土力學(xué)特性，國內(nèi)外開展了一系列的研究工作，包括物質(zhì)組成的顆粒特征統(tǒng)計(jì)分析、粒度分形特性及塊石含量對其力學(xué)參數(shù)及滲透性影響的試驗(yàn)研究[3-4]、本構(gòu)關(guān)系的研究等方面。廖秋林認(rèn)為針對堆積體的研究范圍[5]，包括土石混合體的幾何結(jié)構(gòu)特性、幾何模型的建立、力學(xué)試驗(yàn)研究、力學(xué)模型建立及其變形破壞的數(shù)值模擬研究等。其中力學(xué)試驗(yàn)研究包括室內(nèi)與原位大型試驗(yàn)，如室內(nèi)大型常規(guī)三軸試驗(yàn)、室內(nèi)滲透性試驗(yàn)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性數(shù)值模擬研究、現(xiàn)場循環(huán)載荷試驗(yàn)、現(xiàn)場天然和浸水狀態(tài)下大型水平推剪試驗(yàn)、現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)等[6-8]。

本文針對金沙江上游蘇洼龍水電站壩址區(qū)上游前部堆積體進(jìn)行了研究，該堆積體位于金沙江右岸導(dǎo)流洞、泄洪放空洞進(jìn)水口上方。野外大尺度原位試驗(yàn)是揭示這類高度非均質(zhì)和非均勻性復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)力學(xué)特性的一種有效辦法。參照土體與巖體現(xiàn)場原位試驗(yàn)方法，本文對金沙江上游蘇洼龍水電站右岸壩前堆積體在天然狀態(tài)和浸水飽和狀態(tài)下進(jìn)行了4組野外大型原位直接剪切試驗(yàn)，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，取得了一些有益的試驗(yàn)成果。

1 試點(diǎn)布置

壩前堆積體位于壩址區(qū)右岸壩前沖溝內(nèi)，沖溝溝首開闊，出口狹窄，溝口偏右側(cè)有兩處規(guī)模較小的基巖山梁，沖溝寬度200～600 m，平面上呈酒瓶狀。堆積體地面分布高程2 430～2 800 m，順河流平均長度為320 m，前緣至后緣長度為500 m左右，初步估量其儲(chǔ)量約為320萬m3，儲(chǔ)量巨大。堆積物以漂塊石及混合土碎塊石為主，局部砂質(zhì)及黏土質(zhì)較為集中，壩前堆積體細(xì)部(圖1)、表部10～20 m范圍內(nèi)物質(zhì)以稍密至中密為主，局部見有架空現(xiàn)象，中下部一般擠壓較為密實(shí)，底部見有弱膠結(jié)。漂塊石層以塊漂石為主，碎塊石呈次棱角狀，原巖為花崗巖或石英片巖，巖質(zhì)弱風(fēng)化。本次進(jìn)行的4組堆積體原位直剪試驗(yàn)分別在2 430 m高程和2 480 m高程開挖的兩個(gè)坑槽內(nèi)進(jìn)行，其中每個(gè)坑槽內(nèi)布置兩組試驗(yàn)，各包含一組天然試驗(yàn)狀態(tài)和一組浸水飽和試驗(yàn)狀態(tài)。各組試驗(yàn)點(diǎn)布置示意圖見圖2，堆積體直剪試驗(yàn)布置情況見表1[11]。

圖1 壩前堆積體細(xì)部照片

圖2 各組試驗(yàn)點(diǎn)布置示意圖

表1 堆積體直剪試驗(yàn)布置情況

2 試驗(yàn)方案

本次堆積體現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)采用平推法，堆積體試件尺寸為50 cm×50 cm×35 cm。試件布置在槽壁上，在試件開挖制備時(shí)，首先切斷試件上側(cè)及左、右側(cè)碎石土，并加工試件使其高度符合要求；然后在試件上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)以及頂面澆筑混凝土保護(hù)罩，待保護(hù)罩養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后，安裝法向加載系統(tǒng)，并施加法向接觸應(yīng)力，以保證切斷試件下側(cè)碎石土?xí)r整個(gè)試件不向下滑動(dòng)；最后切斷試件下側(cè)碎石土，并澆筑混凝土保護(hù)罩，待整個(gè)試件周圍的保護(hù)罩達(dá)到一定的強(qiáng)度后，方可進(jìn)行試驗(yàn)。對于需要注水飽和的試樣，在試樣上側(cè)面緩慢注水進(jìn)行飽和，待試樣充分吸水后，保持試樣表面和地基始終處于濕潤狀態(tài)。飽和時(shí)間根據(jù)土的滲透性質(zhì)確定，飽和時(shí)間不宜少于1 d。

施加法向荷載前，各測表每5 min讀數(shù)一次，直至連續(xù)三次讀數(shù)不變?yōu)橹梗暈楦鳒y表穩(wěn)定。根據(jù)試驗(yàn)的具體情況，壩前堆積體直剪試驗(yàn)的最大法向荷載預(yù)加為0.8 MPa。將最大法向荷載按等差分級分別施加在不同的試體上，試驗(yàn)過程中，法向荷載保持不變。按預(yù)估的最大剪切荷載分8～10級施加，每級荷載施加后，立即測讀剪切位移和法向位移，5 min后再讀數(shù)一次，即可施加下一級剪切荷載。當(dāng)剪切荷載出現(xiàn)峰值時(shí)，應(yīng)記錄峰值剪切荷載，并繼續(xù)施加剪切荷載，直至剪切位移達(dá)到試樣邊長的10%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。當(dāng)剪切荷載無峰值時(shí)，可將剪切位移達(dá)到試樣邊長的10%時(shí)的剪切荷載作為破壞值[9-11]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

堆積體原位大型直剪試驗(yàn)可以直接得到剪切過程中土石混合體的應(yīng)力—位移關(guān)系曲線、剪切作用在土石混合體中所形成的推剪面，而這些結(jié)果則揭示了土石混合體在受剪力作用下的變形破壞特性以及土石混合體的剪切強(qiáng)度特征。

3.1 應(yīng)力-位移特征

圖3給出了DJTτ1～DJTτ4各組試樣剪切所得到的剪應(yīng)力—位移曲線，圖4給出了典型的巖石和土的剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，由此可見堆積體抗剪強(qiáng)度曲線與一般巖石或者土的剪切應(yīng)力—位移(應(yīng)變)曲線有很大的差別，這充分反映了土石混合體成分的復(fù)雜性及其結(jié)構(gòu)的非均勻性特征。

(a)DJTτ1(浸水飽和) (b)DJTτ2(天然)

圖4 典型巖石和土的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 堆積體剪切強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，可以得到4組剪切試驗(yàn)DJTτ1～DJTτ4的法向應(yīng)力—剪應(yīng)力關(guān)系曲線(圖5)。由σ-τ關(guān)系曲線，可以獲得4組試驗(yàn)點(diǎn)的堆積體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(表2)。

表2 4組試驗(yàn)點(diǎn)的堆積體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

(a)DJTτ1(浸水飽和) (b)DJTτ2(天然)

3.3 試點(diǎn)粒徑成分分析

完成堆積體原位直剪試驗(yàn)后，在DJTτ1～DJTτ4四組試驗(yàn)各個(gè)試件的剪斷面處取樣，進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，四組試驗(yàn)的各粒徑組質(zhì)量百分含量柱狀圖見圖6。

圖6 各粒徑組質(zhì)量百分含量柱狀圖

本項(xiàng)目采用大于等于5 mm粒徑的質(zhì)量百分含量表征試點(diǎn)的含石量。計(jì)算得到各組試驗(yàn)的含石量及對應(yīng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表3。

表3 各組試驗(yàn)的含石量及對應(yīng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)

4 分析與討論

4.1 堆積體抗剪強(qiáng)度與試驗(yàn)狀態(tài)

本次試驗(yàn)對兩種狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)分別進(jìn)行綜合分析(群點(diǎn)法)，從表2可以看出其強(qiáng)度參數(shù)分別為：浸水飽和狀態(tài)下的綜合抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.79，c′=0.06 MPa，φ′=38.3°；天然狀態(tài)下的綜合抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.88，c′=0.10 MPa，φ′=41.3°；從綜合成果可以看出，浸水飽和狀態(tài)下的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)無論是是內(nèi)摩擦角還是內(nèi)聚力都比天然狀態(tài)下的低。

4.2 堆積體抗剪強(qiáng)度與含石量

王自高等[12]研究認(rèn)為，在含石量一定分布范圍內(nèi)隨著含石量的不斷增加，其內(nèi)摩擦角具有線性遞增的特征。一般地，符合線性關(guān)系的含石率區(qū)間值為30%～70%，也就是說在這個(gè)范圍內(nèi)的堆積體可定義為“土石混合體”，超出這個(gè)范圍則可按土(含石率<30%)或巖石(含石率>70%)進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)處理。本次4組直剪試驗(yàn)結(jié)果中，當(dāng)含石量位于30～70%時(shí)，是符合內(nèi)摩擦角隨含石量線性遞增的特征的。本次4組直剪試驗(yàn)表明，堆積體的內(nèi)聚力與含石量沒有明顯線性關(guān)系。

5 結(jié) 論

結(jié)合現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)，獲得了蘇洼龍水電站壩前堆積體在剪切作用下的變形特點(diǎn)和強(qiáng)度特性，得到如下啟示：

(1)堆積體碎石土剪切應(yīng)力-位移曲線不同與典型的巖石或土的應(yīng)力-位移曲線，曲線有明顯的應(yīng)力屈服和塑性變形特征，峰值后無明顯的應(yīng)力降。

(2)堆積體碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)明顯受試驗(yàn)狀態(tài)(含水率)影響，飽和狀態(tài)下的堆積體抗剪強(qiáng)度參數(shù)無論是內(nèi)摩擦角還是內(nèi)聚力都明顯低于同部位天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

(3)堆積體碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)受其含石量影響，其中當(dāng)含石量在一定范圍內(nèi)時(shí)，其內(nèi)摩擦角呈隨含石量線性遞增的特征而改變。試驗(yàn)還表明，堆積體的內(nèi)聚力與含石量沒有明顯線性關(guān)系。

(4)本次針對堆積體采用現(xiàn)場原位直剪試驗(yàn)獲得了堆積體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)(含水率)、含石量進(jìn)行的分析，只是一定程度上認(rèn)識了該堆積體抗剪強(qiáng)度性質(zhì)。但影響堆積體的抗剪強(qiáng)度的因素還有很多，比如其中石塊的風(fēng)化程度、試件的尺寸效應(yīng)、膠結(jié)或松散程度、石塊的磨圓度、堆積的密實(shí)度等，還需要通過大量的原位試驗(yàn)來研究這些因素與堆積體抗剪強(qiáng)度之間的規(guī)律性。