蘇洼龍水電站壩前堆積體抗剪強度特性原位大型直剪試驗研究

白 金 朋， 唐 明 武， 董 延 安， 李 耀， 劉 德 斌

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

0 引 言

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

堆積體是由碎石、黏土等殘積物混合堆積而成，具有物質成分多樣性、結構不均一性和材料介質的非連續性，是介于土體和巖體之間的特殊地質體。對于堆積體巖土力學特性，國內外開展了一系列的研究工作，包括物質組成的顆粒特征統計分析、粒度分形特性及塊石含量對其力學參數及滲透性影響的試驗研究[3-4]、本構關系的研究等方面。廖秋林認為針對堆積體的研究范圍[5]，包括土石混合體的幾何結構特性、幾何模型的建立、力學試驗研究、力學模型建立及其變形破壞的數值模擬研究等。其中力學試驗研究包括室內與原位大型試驗，如室內大型常規三軸試驗、室內滲透性試驗、細觀結構及力學特性數值模擬研究、現場循環載荷試驗、現場天然和浸水狀態下大型水平推剪試驗、現場原位直剪試驗等[6-8]。

本文針對金沙江上游蘇洼龍水電站壩址區上游前部堆積體進行了研究，該堆積體位于金沙江右岸導流洞、泄洪放空洞進水口上方。野外大尺度原位試驗是揭示這類高度非均質和非均勻性復雜地質介質力學特性的一種有效辦法。參照土體與巖體現場原位試驗方法，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和浸水飽和狀態下進行了4組野外大型原位直接剪切試驗，并進行了詳細的分析，取得了一些有益的試驗成果。

1 試點布置

壩前堆積體位于壩址區右岸壩前沖溝內，沖溝溝首開闊，出口狹窄，溝口偏右側有兩處規模較小的基巖山梁，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，初步估量其儲量約為320萬m3，儲量巨大。堆積物以漂塊石及混合土碎塊石為主，局部砂質及黏土質較為集中，壩前堆積體細部(圖1)、表部10～20 m范圍內物質以稍密至中密為主，局部見有架空現象，中下部一般擠壓較為密實，底部見有弱膠結。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，巖質弱風化。本次進行的4組堆積體原位直剪試驗分別在2 430 m高程和2 480 m高程開挖的兩個坑槽內進行，其中每個坑槽內布置兩組試驗，各包含一組天然試驗狀態和一組浸水飽和試驗狀態。各組試驗點布置示意圖見圖2，堆積體直剪試驗布置情況見表1[11]。

圖1 壩前堆積體細部照片

圖2 各組試驗點布置示意圖

表1 堆積體直剪試驗布置情況

2 試驗方案

本次堆積體現場原位直剪試驗采用平推法，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，首先切斷試件上側及左、右側碎石土，并加工試件使其高度符合要求；然后在試件上側、左側、右側以及頂面澆筑混凝土保護罩，待保護罩養護達到一定強度后，安裝法向加載系統，并施加法向接觸應力，以保證切斷試件下側碎石土時整個試件不向下滑動；最后切斷試件下側碎石土，并澆筑混凝土保護罩，待整個試件周圍的保護罩達到一定的強度后，方可進行試驗。對于需要注水飽和的試樣，在試樣上側面緩慢注水進行飽和，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。飽和時間根據土的滲透性質確定，飽和時間不宜少于1 d。

施加法向荷載前，各測表每5 min讀數一次，直至連續三次讀數不變為止，視為各測表穩定。根據試驗的具體情況，壩前堆積體直剪試驗的最大法向荷載預加為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，試驗過程中，法向荷載保持不變。按預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后再讀數一次，即可施加下一級剪切荷載。當剪切荷載出現峰值時，應記錄峰值剪切荷載，并繼續施加剪切荷載，直至剪切位移達到試樣邊長的10%時結束試驗。當剪切荷載無峰值時，可將剪切位移達到試樣邊長的10%時的剪切荷載作為破壞值[9-11]。

3 試驗結果

堆積體原位大型直剪試驗可以直接得到剪切過程中土石混合體的應力—位移關系曲線、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度特征。

3.1 應力-位移特征

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

(a)DJTτ1(浸水飽和) (b)DJTτ2(天然)

圖4 典型巖石和土的剪切應力-應變曲線

3.2 堆積體剪切強度參數

根據莫爾-庫侖破壞準則，可以得到4組剪切試驗DJTτ1～DJTτ4的法向應力—剪應力關系曲線(圖5)。由σ-τ關系曲線，可以獲得4組試驗點的堆積體的抗剪強度參數(表2)。

表2 4組試驗點的堆積體的抗剪強度參數

(a)DJTτ1(浸水飽和) (b)DJTτ2(天然)

3.3 試點粒徑成分分析

完成堆積體原位直剪試驗后，在DJTτ1～DJTτ4四組試驗各個試件的剪斷面處取樣，進行顆粒分析試驗，四組試驗的各粒徑組質量百分含量柱狀圖見圖6。

圖6 各粒徑組質量百分含量柱狀圖

本項目采用大于等于5 mm粒徑的質量百分含量表征試點的含石量。計算得到各組試驗的含石量及對應抗剪強度參數，見表3。

表3 各組試驗的含石量及對應抗剪強度參數

4 分析與討論

4.1 堆積體抗剪強度與試驗狀態

本次試驗對兩種狀態下的直剪試驗分別進行綜合分析(群點法)，從表2可以看出其強度參數分別為：浸水飽和狀態下的綜合抗剪斷峰值強度參數為f′=0.79，c′=0.06 MPa，φ′=38.3°；天然狀態下的綜合抗剪斷峰值強度參數為f′=0.88，c′=0.10 MPa，φ′=41.3°；從綜合成果可以看出，浸水飽和狀態下的抗剪斷強度參數無論是是內摩擦角還是內聚力都比天然狀態下的低。

4.2 堆積體抗剪強度與含石量

王自高等[12]研究認為，在含石量一定分布范圍內隨著含石量的不斷增加，其內摩擦角具有線性遞增的特征。一般地，符合線性關系的含石率區間值為30%～70%，也就是說在這個范圍內的堆積體可定義為“土石混合體”，超出這個范圍則可按土(含石率<30%)或巖石(含石率>70%)進行連續介質處理。本次4組直剪試驗結果中，當含石量位于30～70%時，是符合內摩擦角隨含石量線性遞增的特征的。本次4組直剪試驗表明，堆積體的內聚力與含石量沒有明顯線性關系。

5 結 論

結合現場原位直剪試驗，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和強度特性，得到如下啟示：

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

(2)堆積體碎石土抗剪強度參數明顯受試驗狀態(含水率)影響，飽和狀態下的堆積體抗剪強度參數無論是內摩擦角還是內聚力都明顯低于同部位天然狀態下抗剪強度參數。

(3)堆積體碎石土抗剪強度參數受其含石量影響，其中當含石量在一定范圍內時，其內摩擦角呈隨含石量線性遞增的特征而改變。試驗還表明，堆積體的內聚力與含石量沒有明顯線性關系。

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