卓于水庫壩殼填筑料試驗及結果分析

王瀚川

(甘肅省水利水電工程局有限責任公司，甘肅 蘭州 730046)

卓于水庫位于西藏自治區山南市扎囊縣境內雅魯藏布江右岸支流扎塘溝左側支流卓于溝，樞紐位于卓于村西南，距扎囊縣城24km，距山南市澤當鎮70km。最大壩高58.81m，正常蓄水位3954.50m，壩長452.00m，總庫容1043.00萬m3。樞紐工程由瀝青混凝土心墻卵礫石壩、溢洪道及輸水洞組成，屬于中型水庫工程[1]。

2018年12月6日—2019年2月對西藏自治區山南市扎囊縣卓于水庫壩殼填筑料進行了顆粒分析、滲透試驗和三軸壓縮試驗(包含不固結不排水、固結不排水和固結排水3種狀態)，依據對壩殼填筑料的相關技術要求，分析試驗結果，為評價填筑料的質量提供依據[2]。

1 壩殼填筑料取樣、試驗依據及試驗項目

試驗所采用的樣品取自擬選壩殼填筑料1#、2#、3#料場，每個料場取樣3組，共9組；樣品編號分別為1#-1、1#-2、1#-3、2#-1、2#-2、2#-3、3#-1、3#-2、3#-3。3個料場均位于支流溝口一帶的沖洪積階地上，上覆洪坡積礫質土層。取樣時剝離表層0.5～1.5m的坡積礫質土層、0.2m的坡積卵石混合土后，通過刻槽法自上而下采取卵石混合土樣。

試驗依據和相關文件為：《水利水電工程地質勘查規范》[3]《水利水電工程天然建筑材料勘察規范》[4]《土工試驗規程》[5]《水工混凝土試驗規程》[6]《西藏山南市扎囊縣卓于水庫工程試驗委托書》[7]。

試驗項目及要求見表1。

表1 填筑料試驗項目及要求

2 室內試驗

2.1 顆粒分析

顆粒分析試驗采用篩析法，篩析法中小于某粒徑的試樣質量占試樣總質量的百分數的計算式為：

x=(ma/mb)dx

(1)

式中，ma—小于某粒徑的試樣質量；mb—所取試樣質量；dx—粒徑小于2mm或小于0.075mm的試樣質量占總質量百分數(粗篩分析時Dx=100%)。

表2 壩殼填筑料顆粒分析試驗及計算結果

2.2 含泥量

含泥量為砂礫混合料含泥量，根據顆粒分析試驗結果資料、依據規范要求，礫石用四分法稱取烘干樣40kg、砂1kg各分成2份進行試驗。

(1)礫石含泥量試驗：將礫石樣裝入瓷盆中后注入清水，并淘洗水中顆粒，分離較粗顆粒、小于0.075mm的顆粒，然后將渾水慢慢倒入1.25及0.075mm的套篩上[6]，濾去小于0.075mm的顆粒。反復淘洗礫石料直至水變清。將洗凈的礫石料烘干至恒定質量(置于105℃±5℃的烘箱中)，待冷卻至恒溫后稱出式樣質量[6，8- 10]。

(2)砂含泥量試驗：砂樣稱取500g各2份，將砂樣放入洗砂筒中，用清水攪拌并浸泡2h，然后淘洗水中砂樣，約1min后，將渾水慢慢倒入1.25及0.075mm的套篩上，其余步驟同礫石含泥量試驗[6，8- 10]。各級含泥量計算公式為：

Q=100(G-G1)/G

(2)

式中，Q—含泥量，%；G—試驗前的烘干樣質量，g；G1—試驗后烘干樣質量，g。

以2次測的平均值作為試驗結果，相差不大于0.05%[8- 10]。

(3)砂礫混合含泥量：砂礫混合含泥量按各粒級含泥量的加權平均法求得，試驗結果見表2。

2.3 密度試驗

2.3.1最小干密度試驗

采用固定體積法，選取符合試樣的容重筒，用小鏟將風干試樣徐徐松填于試樣筒內，鋼直刀刮平后稱量筒及試樣總重，計算其最小干密度：

ρdmin=md/Vs

(3)

2.3.2最大干密度試驗

采用振動臺法，直接用已進行最小干密度試驗的試樣，加上套筒及加重板振動8min后去除蓋板及加重物，測讀試樣高度，計算試樣體積，進而計算其最大干密度：

ρdmax=md/Vs

(4)

2.3.3表觀密度試驗

粒徑大于5mm的礫石采用水中浮稱法，粒徑小于5mm的砂粒采用李氏比重瓶法，分別按規范進行試驗并計算表觀密度，結果以測得砂的表觀密度及礫石的表觀密度加權平均計算可得。

2.3.4試樣制備干密度

根據室內試驗確定的最大干密度、最小干密度、表觀密度及委托方給定的相對密度計算填筑料制備干密度，計算公式如下。

相對密度：

(5)

試樣制備密度：

(6)

據據室內試驗結果，可得最小干密度、最大干密度、表觀密度及試樣制備密度數值，見表3。

2.4 天然休止角

天然休止角反映的是顆粒摩擦力或咬合力的大小。試驗取代表性的風干試樣若干，在松散狀態下堆積，當堆積體穩定后用地質羅盤測量堆積坡面與水平面的夾角。本試驗進行2次平行測定，取其算術平均值。試驗所測得的天然休止角見表3。

2.5 滲透試驗

試驗采用的垂直滲透變形儀，筒身內徑為300mm，高度600mm，試驗時剔除粒徑大于60mm的顆粒，按制備干密度計算并稱取試樣質量，拌和均勻，分3層裝入儀器中，每層用擊實錘擊實。試樣在儀器中采用毛細管飽和法進行飽和，緩慢調解供水箱高度，依次接通相應的測壓管，觀察各測壓管水位與出水口水位齊平時開始測讀。逐次升高水頭，待水流穩定后記錄測壓管水位并測量滲流量，測讀數次，測讀的水位及滲流量基本穩定后提升至下一級水頭進行試驗。觀察四周有氣泡冒出及細顆粒跳動時判定為滲透變形破壞。

試驗測定的滲透系數k20及臨界坡降見表3。

表3 壩殼填筑料物理力學試驗結果

2.6 三軸壓縮試驗

2.6.1試驗設備

大型三軸壓縮試驗采用SZ30- 4D三軸剪切試驗機，試樣直徑300mm，試樣高度600mm。

2.6.2樣品制備

由于室內三軸壓縮試驗設備的直徑為300mm，允許粗粒土最大粒徑為60mm，故需對超徑顆粒按規范要求進行等量替代，根據填筑料顆粒級配曲線，按相關規程要求進行了超徑顆粒等量替代，確定的三軸壓縮試驗級配見表4，三軸試驗用料粒徑范圍為：60～40、40～20、20～5、<5mm。

表4 三軸壓縮試驗顆粒級配

按表3確定的試樣制備密度計算試驗所需的土樣，以裝填層數均勻分成10等份。在底座上扎好橡皮膜安裝成型筒，將橡皮膜順直、緊貼成型筒內壁，將上邊沿外翻在成型筒上，用擊實法將試樣逐層裝入并整平表面，加上透水板，扎緊橡皮膜，去掉成型筒，安裝在壓力室，旋緊與底盤連接的螺栓。

2.6.3試驗類型

(1)不固結不排水剪。本次試驗圍壓分4級，分別為200、400、600、800kPa。試樣抽氣后，施加周圍壓力至需要值，并保持恒壓。開動油壓機，施加軸向壓力，試樣的軸向應變每0.1%～0.4%測記軸向測力計和百分表讀數各一次；當接近峰值時，根據《土工試驗規程》[5]《水工混凝土砂石骨料試驗規程》[8]試驗要求結束試驗，并對剪后試樣進行描述[10]。

(2)固結不排水剪。試樣抽氣后，試樣內形成負壓，徐徐打開排水閥，試樣在負壓作用下，水由下而上逐漸飽和，直至排水量管中的水位不再變化時，試樣已達到飽和。關閉排水閥，施加周圍壓力至預定值，并保持恒定，開排水閥，以時間的平方測記量水管水位和孔隙壓力計讀數。正常情況下，排水量應趨于穩定，即曲線的下段趨于水平，即認為固結完成。關閉排水閥，開壓力機，以不飽和不固結的方法進行剪切試驗。

(3)固結排水剪。以固結不排水的方法將試樣固結完成后，不關閉排水閥，使試樣保持排水條件。開壓力機，以不飽和不固結的方法進行剪切，在剪切過程中測記軸向壓力表、軸向百分表讀數并測記量水管讀數。

2.6.4試驗結果

(1)繪制應力-軸向應變曲線。繪制應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1的關系曲線，如圖1—2所示。(篇幅所限，僅附3#-1固結排水、3#-2不固結不排水的應力-應變曲線)。

圖1 3#-1固結排水應力-應變曲線

圖2 3#-2不固結不排水應力-應變曲線

(2)線性強度參數的確定。線性強度參數反映的是土體抵抗剪切破壞的最大能力。根據莫爾-庫侖破壞準則，土體在各向主應力作用下，作用在某一應力面上的剪應力τ與法向應力σ之比達到某一值時，土體就沿著該面發生剪切破壞[11]，而與作用的各向主應力的大小無關。莫爾-庫侖破壞準則的表達式為：

(σ1-σ3)f=2cosφ+(σ1-σ3)fsinφ

(7)

式中，σ1—大主應力；σ3—小主應力；(σ1-σ3)f—破壞強度。

2個參數c、φ與抗剪強度、法向應力之間的關系用庫侖方程式表示為：

τ=c+σtanφ

(8)

式中，τ—作用在破壞面上的剪切應力；c—黏聚力；φ—內摩擦角；σ—作用在破壞面的法向應力。

在固結排水剪切試驗中，孔隙壓力等于零，抗剪強度包線的傾角和在縱軸上的截距分別為φd、cd。

根據本次三軸剪切試驗結果，繪制莫爾強度包線，如圖3—4所示(篇幅所限，僅附3#-1固結排水、3#-2不固結不排水的莫爾強度包線)。

圖3 3#-1固結排水的莫爾強度包線

依據不同試樣的莫爾強度包線，求得不同試樣填筑料線性抗剪強度參數，見表5。

(3)非線性強度參數。鄧肯等人在1980年提出，無黏性粗顆粒材料的φ值隨圍壓的增大而減少，不符合莫爾-庫倫破壞準則，表現為非線性關系，其非線性強度參數關系為：

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(9)

式中，φ0—一個大氣壓下的摩擦角；Δφ—當σ3增加1個對數周期下剪切角φ的減小值；φ——過原點作某一應力圓切線與橫坐標(σ)軸的夾角，與周圍壓力σ3呈對數關系，即：

圖4 3#-2不固結不排水的莫爾強度包線

(10)

按非線性關系確定的強度參數結果見表5。

表5 填筑料抗剪強度參數

3 試驗結果及分析評價

經對卓于水庫壩殼填筑料進行顆分、含泥量、密度試驗、滲透試驗和三軸壓縮等試驗，查明了1#、2#和3#壩殼填筑料場砂礫石的物理力學性質，進行了壩殼料三軸壓縮試驗，并按線性的莫爾-庫倫破壞準則和非線性的強度破壞準則提出了抗剪強度參數。

(1)根據壩殼填筑料1#、2#、3#料場9組樣品顆粒分析結果，定名為漂石混合土、卵石混合土、混合土卵石3類土。含泥量最大值為16.8%，最小值為11.3%，平均值為14.0%。最小干密度在1.63～1.77g/cm3之間，最大干密度在2.20～2.22g/cm3之間，表觀密度在2.66～2.69g/cm3之間，依據試驗委托書[7]要求的相對密度Dr≥0.8計算的試樣制備干密度在2.07～2.11g/cm3之間[14]。天然休止角最大值為36.0°，最小值為34.4°，平均值為35.4°。滲透系數在9.28×10-3～1.15×10-2cm/s之間，滲透破壞臨界坡降在0.67～1.57之間[15]。

(2)根據粗粒土的性質、大壩填筑要求和不同的排水條件，試驗了固結不排水剪、固結排水剪和不固結不排水剪3種類型共12組試驗，其中固結不排水剪8組，線性抗剪強度內摩擦角在33.6°～35.1°之間，黏聚力在0.034～0.092MPa之間。非線性抗剪強度指標φ0在37.9°～45.0°之間，Δφ在3.9°～10.04°之間。固結排水剪3組，線性抗剪強度內摩擦角在34.9°～36.2°之間，黏聚力在0.053～0.124MPa之間。非線性抗剪強度指標φ0在43.3°～49.6°，Δφ在6.48°～13.76°之間。不固結不排水剪1組，線性抗剪強度內摩擦角為36.2°，黏聚力為0.152MPa。非線性抗剪強度指標φ0為49.2°，Δφ為9.41°。

(3)依據《水利水電工程天然建筑材料勘察規范》[4]附表4.3.1-1中填筑料質量技術指標，對1#、2#和3#料場的壩殼填筑料進行了分析評價。1#、2#和3#料場的壩殼填筑料除含泥量大于8%不滿足要求外，其他各項指標滿足填筑料的質量要求。