某水電站土石壩筑壩材料土工試驗研究

2024-02-01 12:48:58肖明濤

海河水利 2024年1期

肖明濤

（陜西黃河生態工程有限公司，陜西西安 710018）

1 工程概況

某水電站位于長江水系的一級支流馬邊河上，開發任務是發電，兼有改善下游防洪和灌溉條件功能。水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩。根據工程特點，壩料分區主要分為墊層料、過渡料、反濾料、堆石料、石渣料、石渣混合料、堆石排水棱體等，各部位填筑料分層碾壓密實，大壩總填筑方量約272.5 萬m3。堆石料的相對密度、孔隙率指標既是施工填筑標準的依據，又是填筑質量檢測標準的依據；滲透及滲透變形性質、變形特性及高壓大三軸非線性指標是壩體沉降、穩定分析計算的科學依據[1]。通過工程實例，對瀝青混凝土堆石壩筑壩材料進行物理力學試驗研究，為石英砂巖作為堆石壩筑壩材料提供科學依據。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水電站大壩的堆石料主要采用庫區上游左岸2 km處河口料場的石英砂巖，大壩瀝青混凝土心墻的骨料采用庫區上游左岸4.2 km處甘溝料場的石灰巖。

2.2 試驗方法

2.2.1 物理性質試驗

通過水中稱量法進行比重試驗和密度試驗；采用煮沸法進行飽和吸水率試驗；采用自由浸水法進行吸水率試驗。干抗拉、壓強度試驗采用烘干試件；濕抗拉、壓強度采用飽和試件。試驗在2 000、100 kN 的壓力機上進行，壓力機為剛性試驗機。試件的軸向變形通過位移傳感器量測，橫向變形通過電阻應變儀測定，應力-應變曲線由X-Y 函數記錄儀繪制。

2.2.2 相對密度試驗

試驗儀器采用直徑30 cm，高度34 cm 的J250型相對密度振動臺（頻率為45～60 Hz，振幅為0～2 mm）。相對密度試驗采用干法試樣進行。先通過固定體積法測定試樣的最小干密度，然后將振動臺調至所需的振幅和頻率，再將已經測定的最小干密度試樣置于振動臺上，振動8 min 后可測定其最大干密度。

2.2.3 室內高壓大三軸試驗

GST-80型三軸儀[2，3]可施加最大圍壓為8.0 MPa，試樣斷面尺寸為300 mm×600 mm，最大粒徑為60 mm，試驗數據全過程自動采集。采用固結排水剪（CD），試樣施加圍壓為500～1 500 kPa，對試驗數據分析整理后，根據摩爾-庫侖理論進行三軸試驗E-μ、E-B模型參數計算。高壓大三軸試驗后，對堆石混合料（圍壓為500～1 500 kPa）進行破碎率測定。

3 試驗主要內容和結果分析

3.1 物理性質試驗

室內和現場的物理性質試驗均在河口堆石料場取4 組石英砂巖進行。取樣位置在河口堆石料場，編號HDS1～HDS4，按4 組物理性質平均編號為HDS平。DSⅠ上、DSⅠ平、DSⅠ下為主堆石Ⅰ區設計包絡線。

河口堆石料檢測結果與主堆石Ⅰ區控制級配關系，如圖1所示。

河口堆石料檢測結果表明：天然含水率1.5%～1.6%，平均1.6%。比重2.63～2.66，平均2.64。在顆粒級配組成中，最大粒徑600 mm，粒徑400～600 mm 的塊石含量為7.4%～12.7%，平均10.3%；200～400 mm的塊石含量為11.7%～14.8%，平均13.1%；粒徑60～200 mm 的碎石含量為25.1%～36.9%，平均31%；粒徑2～60 mm 的礫粒含量為36.1%～42.1%，平均39.1%；粒徑0.075～2 mm 的砂粒含量為6.3%～7.8%，平均7.05%；粒徑＜0.075 mm 的細粒含量為0.68%～1.1%，平均0.89%；粒徑＜5 mm 的礫細粒含量為11.1%～13.9%，平均12.5%。

從圖1 可以看出，河口堆石料檢測級配組成中HDS平在DSⅠ包絡線范圍內，其級配組成基本可滿足壩體填筑設計技術要求。

3.2 力學性質試驗

主堆石Ⅰ區料的相對密度試驗成果詳見表1，其干密度與相對密度的關系曲線如圖2 所示、孔隙率與相對密度的關系曲線如圖3所示。

表1 主堆石Ⅰ區料相對密度試驗成果

圖2 主堆石Ⅰ區料Dr-ρd關系

圖3 主堆石Ⅰ區料Dr-n關系

試驗成果表明，HDSⅠ在包絡線控制狀態下。當相對密度＝0.80 時，干密度為1.92～2.03 g/cm3，相應孔隙率為27.0%～23.9%；當相對密度＝0.85時，干密度為1.95～2.06 g/cm3，相應孔隙率為25.7%～22.6%；當相對密度＝0.90 時，干密度為2.01～2.10 g/cm3，相應孔隙率為24.2%～21.1%；當相對密度＝0.95時，干密度為2.03～2.12 g/cm3，相應孔隙率為22.8%～19.7%。

由表1 可知，當相對密度逐級提高后干密度也顯著提高，但孔隙率呈現降低現象，表明相對密度試驗成果的相關性較好。

表1、圖2—3 表明，相對密度＝0.90 的試驗成果可作為河口料場主堆石Ⅰ區料施工填筑標準及填筑質量檢測標準的依據[4，5]。因此，可按相對密度=0.90對應的干密度控制室內力學試驗試樣。

3.3 室內力學性質試驗

主堆石Ⅰ區料室內力學性質試驗成果詳見表2—4，其孔隙比與壓力的關系曲線如圖4所示。

表2 主堆石Ⅰ區料室內力學性質試驗成果

圖4 主堆石Ⅰ區料孔隙比與壓力關系

由表2 可知，主堆石Ⅰ區料滲透變形試驗的臨界坡降為0.23～0.38，破壞坡降為0.51～0.96，滲透系數為4.31×10-1～6.62×10-2cm/s，表明主堆石Ⅰ區料為強透水性；壓縮試驗的壓縮系數av（0.1～0.2MPa）為0.045～0.048 MPa-1，壓縮模量Es（0.1～0.2MPa）為26.8～28.4 MPa，表明主堆石Ⅰ區料呈低壓縮性；直剪試驗的黏聚力c為62～73 kPa，內摩擦角φ為40.5°～41.5°，表明主堆石Ⅰ區料具有較高的抗剪強度。

表3—4 表明，主堆石Ⅰ區料在不同壓力下的壓縮系數、壓縮指數、變形模量及單位沉降量可供壩體沉降及穩定分析使用。