壩體防滲土料的地質(zhì)特性分析研究

程潤虎

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

壩體防滲土料的地質(zhì)特性分析研究

程潤虎

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

張峰水庫為斜心墻堆石壩,為了查明壩體防滲土料的物理力學性質(zhì),提供設(shè)計所需的地質(zhì)參數(shù),進行了全面的室內(nèi)大型試驗分析,對防滲土料的工程地質(zhì)特性進行了詳細的研究,提出了壩體防滲土料的有關(guān)地質(zhì)參數(shù),確定了防滲土料的質(zhì)量指標及靜動力參數(shù),為工程設(shè)計提供了全面、可靠的地質(zhì)資料。

大壩;防滲土料;地質(zhì)特性

1 工程概述

張峰水庫為大(1)型水庫,總庫容3.94億m3,壩高72.2 m,壩型為粘土斜心墻堆石壩,心墻兩側(cè)設(shè)反濾體。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g。

防滲土料選用土料場地面高程700～755 m,料場面積81 000 m2。地層巖性為第四系中更新統(tǒng)洪積棕紅、深紅色低液限粘土,含有4～6層鈣質(zhì)結(jié)核層,結(jié)核直徑2～40 cm,單層厚度0.3～1.0 m,總厚度10～30 m。防滲土料場的有用層儲量154.7×104m3,利用率85.5%。

2 土料的組成特征

2.1 土的組成特征

土料為低液限粘土,呈棕紅色,硬塑—可塑狀。土的比重2.70～2.75,塑性指數(shù)9.9～22.9,砂粒2.6%,粉粒77.7%,粘粒19.7%,有效粒徑0.002 8 mm,平均粒徑0.016 mm,限制粒徑0.022 mm,不均勻系數(shù)7.86,曲率系數(shù)1.23,有機質(zhì)含量0%,燒失量4.32%～14.2%,水溶鹽含量0.3%～7.2%,SiO2/R2O3為1.37%～3.82%,pH值7.9～8.6,縮限1.30%～15.4%,收縮率0.05%～1.98%。粘土礦物相對含量ω(B)/10-2,蒙托石5～23,伊利石12～23,高嶺石2～5,綠泥石1～4,石英26～48,斜長石9～18,堿性長石5～11,方解石0～14。

2.2 含水率分布規(guī)律

土的天然含水率平均值17.67%。含水率<15.2%的占15.1%,含水率在15.2%～21.1%的占76.5%,含水率>21.1%占8.4%。土的最優(yōu)含水率15.2%～21.1%,平均值為17.9%。最大干密度1.58～1.77 g/cm3,平均值為1.69 g/cm3。

3 防滲土料的工程地質(zhì)特性分析

3.1 滲透特性分析

按擊實后最大干密度平均值的0.98作為土料設(shè)計干密度,即選取干密度1.65 g/cm3狀態(tài)下進行滲透試驗分析[1,2],防滲土料滲透系數(shù)1.2×10-7～4.6×10-6cm/s,平均值為1.02×10-6cm/s。

3.2 分散性分析

防滲土料的分散性試驗[3]采用雙比重計法測定分散度為15.0%～32.0%,絕大多數(shù)(91%)的分散度<30%;針孔試驗測定多數(shù)(74%)水色透明清亮,且針孔不變,僅少數(shù)水流變渾,進水口變化不明顯,出水口擴大到2～5 mm;碎塊試驗表明絕大多數(shù)(91%)在水中無分散出膠粒的反應(yīng),土塊水解后以細粒狀平堆,水色清澈;孔隙水可溶鹽陽離子試驗測定孔隙水可溶鹽陽離子總量(TDS)為3.97 L/n mmol/L<5 L/n mmol/L,鈉百分比(PS)為25.44%,鈉吸附比(SAR)為0.83<2.7;全土中陽離子交換量試驗測定交換性鈉百分比(ESP)為1.29%<7%。綜上所述,分析判斷防滲土料基本為非分散性土,少量為過渡型。

3.3 壓縮性分析

在設(shè)計干密度狀態(tài)下進行非飽和、飽和狀態(tài)的固結(jié)試驗,試驗壓力采用0～1 600 kPa。防滲土料固結(jié)試驗數(shù)據(jù)見表1,為中等壓縮性。

表1 防滲土料固結(jié)試驗資料表Table 1 Data sheet of consolidation test of impervious soil

3.4 初始孔隙壓力系數(shù)確定

壩體中防滲土料在自重下,固結(jié)產(chǎn)生的孔隙壓力、施工期的初始孔隙壓力u0根據(jù)壓縮試驗資料繪制曲線,求得初始孔隙壓力系數(shù)。其計算公式:

式中:B為初始孔隙壓力系數(shù);σ1為大總主應(yīng)力(kPa),由公式:σ1=σ′1+u0求得;σ′1為有效主應(yīng)力(kPa);u0為初始孔隙壓力(kPa),由公式:

求得;其中:pa為大氣壓力(kPa);e0、e為起始與壓縮變形后的孔隙比;ω為含水率(%);Gs為土的比重;μ為空氣在水中的溶解系數(shù)。

按防滲土料非飽和狀態(tài)的固結(jié)試驗資料分析計算u0、σ1等數(shù)值,見表2。以u0為縱坐標,以σ1為橫坐標繪制曲線見圖1,從圖中分段求得初始孔隙壓力系數(shù)。

表2 防滲土料固結(jié)試驗u0、σ1計算值表Table 2 Calculated value of consolidation test of impervious soil

圖1 防滲土料初始孔隙壓力u0和大總主應(yīng)力σ1關(guān)系曲線Fig.1 Relation curve of impervious soil between initial pore water pressureu0and major principal stressσ1

3.5 抗剪強度試驗

圖2 防滲土料三軸壓縮試驗應(yīng)力摩爾園和強度包絡(luò)線Fig.2 Mohr cicle and strength envelope of consolidated undrained triaxial compression testof impervious soil

3.6 拉伸強度試驗

在設(shè)計干密度狀態(tài)下,防滲土料單軸拉伸試驗的拉伸極限應(yīng)力-15～-21 kPa,極限應(yīng)變0.6%～1.2%。三軸拉伸試驗在50 kPa圍壓時拉伸小主應(yīng)力-21～-29 kPa,拉伸應(yīng)變4.0%～5.6%;在100 kPa圍壓時拉伸小主應(yīng)力-17～-23 kPa,拉伸應(yīng)變5.8%～6.2%;在150 kPa圍壓時拉伸小主應(yīng)力-12～-22kPa,拉伸應(yīng)變4.0%～6.9%;在200 kPa圍壓時拉伸小主應(yīng)力-1～-5 kPa,拉伸應(yīng)變3.8%～6.8%。

3.7 動三軸試驗分析

防滲土料動三軸試驗[4]其E-μ模型和E-B模型參數(shù)見表3。對于雙幅應(yīng)變εdf=5%破壞標準,固結(jié)應(yīng)力比Kc=1.0時,Nf=10、20、30次動抗剪強度指標cd、φd值見表4。在動應(yīng)力作用下破壞振次Nf≤30次破壞時,不會產(chǎn)生液化現(xiàn)象。不同周圍壓力下動孔壓發(fā)展水平都<0.11,且只在σ3c=200 kPa時接近0.1,σ3c=400 kPa時介于0.02～0.06,其余固結(jié)壓力下均介于0.01～0.02之間。動彈性模量(Ed)和動剪切模量計算參數(shù)及公式見表5。

表3 防滲土料動三軸壓縮模型參數(shù)表Table 3 Parameter list of dynamic triaxial compression model of impervious soil

表4 防滲土料動三軸試驗抗剪強度計算表Table 4 Calculation table of shear strength of dynamic triaxial test of impervious soil

3.8 側(cè)壓力系數(shù)和泊松比確定

側(cè)壓力系數(shù)K0計算采用公式K0=0.19+0.233 logIP,泊松比μ計算采用公式μ=K0/(1+K0),防滲土料的側(cè)壓力系數(shù)為0.46,泊松比為0.32。

表5 防滲土料動彈性模量(Ed)、動剪切模量(Gd)參數(shù)及公式表Table 5 Parameter and formula table of dynamic elastic modulus(Ed)and dynamic shearmodulus(Gd)of impervious soil

3.9 滲透破壞試驗分析

防滲土料與反濾料接觸流失試驗中,防滲土料與反濾料細包線料接觸時,臨界水力比降比反濾料粗包線料接觸時大,是由于接觸面處粗包線料比細包線料粒徑大,孔隙也大,土料更易流失的緣故。從防滲土料與反濾料、砼接觸沖刷試驗中臨界水力比降主要取決于接觸的兩種料中抗?jié)B能力較小的料。據(jù)裂縫沖刷試驗表明,在5 mm、2 mm、1 mm三種不同開度情況下,隨著時間的延長,裂縫中滯留的土團逐漸增多,測到的滲透流量逐漸趨于穩(wěn)定,防滲土料在反濾料保護下裂縫不會繼續(xù)發(fā)展,說明防滲土料的臨界水力比降較大[5]。滲透破壞試驗資料見表6。

表6 防滲土料與反濾料滲透破壞試驗資料表Table 6 Data sheet of seepage failure test of impervious soil and filtermaterial

4 結(jié)論

防滲土料巖性為低液限粘土,其粘粒含量、塑性指數(shù)、有機質(zhì)含量、水溶鹽含量、pH值、SiO2/R2O3、滲透系數(shù)各項指標均滿足現(xiàn)行《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)范》的防滲材料的質(zhì)量要求[6]。通過分析研究,防滲土料基本為非分散性土,土料的臨界水力比降較大,強度高,有關(guān)力學指標滿足設(shè)計要求,適宜作為防滲土料。

[1] SL237—1999,土工試驗規(guī)程[S].

[2] GB/T50123—1999,土工試驗方法標準[S].

[3] 王觀平,張來文,等.分散性粘土與水利工程[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[4] 謝定義.土動力學[M].西安:西安交通大學出版,1988.

[5] 劉杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制[M].北京:水利電力出版社,1992.

[6] SL251—2000,水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[S].

(責任編輯:于繼紅)

Analysis and Research on Geological Characteristics of Dam Impervious Soil

CHENG Runhu
(Shanxi Hydroelectric Investigation Design and Research Institute,Taiyuan,Shanxi030024)

Based on test analysis for the impervious soil of dam core wall in Zhangfeng Reservoir,the engineering geological characteristicsof them have been studied in detail in thispaper,which could provide scientific basis for solving engineering problems of the impervious soil.

core wall of dam;impervious soil;geological characteristics

TV443

A

1671-1211(2010)05-0457-04

2010-07-01;改回日期:2010-08-30

程潤虎(1963-),男,高級工程師,水利專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)與水文地質(zhì)研究工作。E-mail:crh5422@163.com