深厚覆蓋層及圍堰堰體材料工程特性試驗技術(shù)研究

饒錫保，胡勝剛，程永輝，朱國勝，丁紅順，左永振，周小文

(1.長江科學(xué)院 a.水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室;b.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010;2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640)

1 概述

圍堰一般是在水中修筑的臨時性擋水建筑物，但也常與大壩等主體建筑物結(jié)合而成為大壩的一部分。在大江大河水利水電工程建設(shè)中，圍堰具有舉足輕重的作用。圍堰的成敗直接關(guān)系到大壩等永久建筑物的施工安全、工期及造價，如果攔蓄的洪水容量較大，還關(guān)系到下游人民生命財產(chǎn)安全［1］。

在三峽水利樞紐工程圍堰設(shè)計過程中，圍繞圍堰填料開展了大量研究工作［2－5］，如 20世紀(jì)50年代就進行了拋填料密度試驗研究。20世紀(jì)80年代，長江科學(xué)院建成了國內(nèi)首臺6m直徑的土工離心機，成為研究三峽圍堰風(fēng)化砂填料性質(zhì)的主要手段之一。采用離心模型試驗技術(shù)，得到水下拋填干密度達 1.67 ～1.75 t/m3，水下坡角為 l∶2。使風(fēng)化砂的坡角由原來的 l∶3.5改為 l∶2，這一結(jié)果大大簡化了圍堰斷面結(jié)構(gòu)和工程量，從而帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，為保障圍堰工程合理設(shè)計、順利實施和安全運行提供了重要技術(shù)支撐［5－7］。在二期圍堰的建設(shè)和運行過程中，工程安全廣受關(guān)注，圍堰工程設(shè)計和科研人員也密切關(guān)注著堰體變形和防滲體的運行性態(tài)。長江科學(xué)院作為圍堰工程設(shè)計方案的主要研究單位，承擔(dān)了圍堰工程運行期的安全監(jiān)測和數(shù)值仿真評價工作，并在圍堰拆除過程中開展了現(xiàn)場調(diào)查分析和補充試驗研究［8］。

近年來，我國在金沙江、雅礱江、雅魯藏布江、大渡河、烏江等河流上興建水電工程，經(jīng)常遇到深厚覆蓋層問題，覆蓋層厚度多達幾十米到幾百米。如烏東德壩址處覆蓋層厚達 60 m［9，10］、白鶴灘覆蓋層厚達59 m、向家壩覆蓋層一般厚達30～60 m，冶勒水電站覆蓋層最深達420 m［11］，雙江口水電站壩址河床覆蓋層深50～60 m。在這些地方修建高土石圍堰，首先要探明深厚覆蓋層的工程特性，還需要基于當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蠗l件研究堰體填料的工程特性。

國內(nèi)外在深厚覆蓋層上建壩已有一些成功的先例。如加拿大在深122 m的河床沖積層上采用混凝土防滲墻，修建了高107 m的馬尼克3號壩，河床沖積層由粗細砂、卵石和大塊石構(gòu)成。埃及在厚225 m的河床沖積層上，采用水泥黏土灌漿帷幕處理地基，修建了高111 m的阿斯旺壩。我國在深厚覆蓋層上建壩技術(shù)也進入國際先進行列，冶勒、小浪底壩、瀑布溝等水電站均已建在深厚覆蓋層上。雖然如此，但深厚覆蓋層的力學(xué)及滲透特性的確定仍是深厚覆蓋層上建壩及修筑高土石圍堰工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

為了克服深厚覆蓋層條件下土石圍堰工程設(shè)計、施工面臨的難題，在2008年啟動的國家“十一五”科技支撐計劃項目“特大型梯級水利水電工程安全及高效運行若干關(guān)鍵技術(shù)研究”中，第二課題“深厚覆蓋層條件導(dǎo)截流及圍堰安全控制技術(shù)”將“深厚覆蓋層及堰體材料的工程特性試驗技術(shù)研究”列為第3專題。到2011年6月為止，長江科學(xué)院聯(lián)合長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院、華東勘測設(shè)計研究院、華南理工大學(xué)共同完成了專題研究任務(wù)，達到了創(chuàng)新目標(biāo)，并順利通過專題驗收。

本文僅概要介紹本專題的研究主要內(nèi)容、技術(shù)路線和主要結(jié)論，詳細研究方法和具體成果將由研究團隊成員另行撰文介紹。

2 研究現(xiàn)狀

由于河床覆蓋層砂礫石顆粒粗大和深層取樣困難，其密度和級配尚沒有一套直接的確定方法。河灘淺層砂礫石可采用挖坑確定級配和密度，進而可采用一般方法確定砂礫石力學(xué)和滲透特性。水下深層砂礫石目前只能采用鉆孔取樣方法粗略確定級配，難以確定密度，所以力學(xué)和滲透特性目前沒有可行的確定方法，使得深厚覆蓋層的設(shè)計參數(shù)確定已成為圍堰及土石壩工程設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

基于當(dāng)前原位勘探技術(shù)，采用重型動力觸探試驗和旁壓試驗等方法都可間接地反映土層的物理狀態(tài)，但如何建立觸探和旁壓試驗指標(biāo)與土層密度、級配之間的相關(guān)關(guān)系，是需要研究的問題。此外，在深厚覆蓋層中進行重型動力觸探試驗往往因遇到較大的礫石致使試驗結(jié)果離散性大，進行旁壓試驗時也可能因鉆孔孔壁的完整性難以保證而使試驗結(jié)果離散性大，因此，這些原位試驗技術(shù)也需要改進。

由于深厚覆蓋層的密度和級配難于確定，使得其強度、變形等力學(xué)特性也難以確定。如果能夠通過動探和旁壓等試驗成果間接確定密度和級配，則可以通過室內(nèi)備樣試驗測試其力學(xué)特性。長江科學(xué)院已經(jīng)在一些水電站工程中開展了深厚覆蓋層原位檢測試驗方法研究，尤其在原位試驗指標(biāo)與室內(nèi)相關(guān)試驗指標(biāo)的關(guān)系、旁壓模量與設(shè)計所必須的變形模量的相關(guān)關(guān)系方面，通過室內(nèi)模型試驗開展了研究，已經(jīng)取得一些規(guī)律性的研究成果。

由于圍堰的大部分堰體由水下拋填形成，類似自然的堆積過程，很難進行人工控制，如何確定拋填形成堰體的密度成為控制設(shè)計和施工的關(guān)鍵指標(biāo)。由于水下拋填多采用砂、砂礫石、石碴料等散體材料，不能取樣直接測定其密度;而進行現(xiàn)場原型試驗非常困難，代價很高，基本不可能進行;同時，目前也沒有理論或經(jīng)驗方法來估算圍堰水下拋填形成的密度，堰體密度的確定方法仍為困擾圍堰設(shè)計和施工的難題。

為測試覆蓋層土體與圍堰拋填體的力學(xué)特性和滲透特性，必須進行室內(nèi)土工試驗和室內(nèi)模型試驗。室內(nèi)試驗遇到主要問題是縮尺效應(yīng)問題，需要研究將現(xiàn)場大粒徑顆?？s小后帶來的誤差。堰體拋石顆粒大，而室內(nèi)離心模型試驗只能做小粒徑的顆粒拋投試驗，也需要研究縮尺問題。粗粒料的尺寸效應(yīng)問題，是影響試驗成果離散性和可重復(fù)性的一個重要影響因素，是土工試驗研究同行公認(rèn)的技術(shù)難度之一。目前粗粒料級配縮尺模擬的方法，大都采用剔除法、一級替代法、等量替代法、相似級配法和混合法。不論采取何種縮尺方法，其模型級配與原型級配相比都有明顯的差異。對這些方法的具體使用條件，現(xiàn)規(guī)范沒有明確的規(guī)定。近些年，不少學(xué)者在粗粒料縮尺效應(yīng)方面投入了研究精力，由于模型級配與原型級配相似理論的研究困難較大，使得該方面研究很難取得突破，取得的研究成果定性的多、定量的少，對粗粒料的滲透特性影響程度的研究成果更少。對粗粒料的力學(xué)與滲透試驗的尺寸效應(yīng)問題進行試驗研究仍是粗粒料試驗研究的的重要任務(wù)。

總之，深厚覆蓋層變形大、拋填堰體密度低，圍堰的安全對工程建設(shè)關(guān)系重大，要確保圍堰安全，需要對河床深厚覆蓋層工程特性測試技術(shù)、拋填堰體密度變化規(guī)律、防滲控制體系等關(guān)鍵技術(shù)問題，開展有針對性的研究。

3 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線

3.1 研究內(nèi)容

針對“深厚覆蓋層和圍堰水下拋填施工的密度確定與粗粒料工程特性試驗中的縮尺效應(yīng)問題”等技術(shù)難點開展了深厚覆蓋層及堰體材料工程特性試驗技術(shù)專題研究，本專題分解為3個子題，子題設(shè)置及相應(yīng)的研究內(nèi)容如下。

子題1:河床深厚覆蓋層物理狀態(tài)及力學(xué)特性測試技術(shù)研究。研究覆蓋層的密度、級配和力學(xué)、滲透特性的確定方法，建立動探、旁壓參數(shù)與密度的相關(guān)關(guān)系，確立現(xiàn)場密度和級配的成套試驗方法。

子題2:堰體拋填施工物理模擬技術(shù)研究。在三峽二期圍堰經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)就水下拋填問題做深入研究，研究水下堰體拋填密度的確定方法，提出水下拋填的離心模擬方法和水下拋填的數(shù)值模擬方法。

子題3:粗粒料力學(xué)特性與滲透特性的尺寸效應(yīng)研究。研究將室內(nèi)小粒徑試驗成果映射到現(xiàn)場粗粒土的力學(xué)特性和滲透特性的方法，建立粗粒料力學(xué)特性與滲透特性尺寸效應(yīng)的定量評估方法。

3.2 技術(shù)路線

本專題以烏東德、白鶴灘和雙江口等水電站圍堰工程為依托，采用試驗測試、物理模型、數(shù)值計算等多種研究手段開展了系統(tǒng)研究工作，所采取的技術(shù)路線闡述如下:

(1)通過不同級配、密度砂礫石料的大尺寸模型試驗，建立旁壓模量、重型(超重型)動探擊數(shù)與砂礫石層密度、顆粒級配、上覆壓力的相關(guān)關(guān)系;再通過現(xiàn)場覆蓋層砂礫石的旁壓或動探測試成果確定對應(yīng)模型級配與相應(yīng)埋深條件下砂礫石的密度;再根據(jù)模型級配和確定的砂礫石密度開展砂礫石層的物理力學(xué)參數(shù)試驗，建立整套確定深厚覆蓋層砂礫石的物理力學(xué)參數(shù)的新方法。

(2)通過開展拋填料的物理性試驗和室內(nèi)模型試驗，并結(jié)合理論分析，對拋填堰體密度的影響因素進行了系統(tǒng)總結(jié)分析和研究，進一步揭示了影響拋填堰體密度的形成機理和分布規(guī)律;在分析現(xiàn)有土工試驗方法原理和水下拋填施工過程的基礎(chǔ)上，提出了離心模型試驗作為研究拋填堰體密度的方法;在三峽二期圍堰風(fēng)化砂拋填密度離心模型試驗成果的基礎(chǔ)上，對3種典型級配條件的風(fēng)化砂、2種級配的砂礫石料、4種級配的石渣料(工程開挖料)的水下拋填密度進行了離心模型試驗研究，獲得了以上3類典型拋填料的密度，分析了級配、顆粒形狀、顆粒大小等因素對拋填密度的影響;系統(tǒng)分析了影響堰體密度的機理和規(guī)律，結(jié)合三峽二期圍堰和本次開展的離心模型試驗成果，首次提出了散粒材料拋填密度的經(jīng)驗公式和參數(shù)的意義及取值;并提出了用經(jīng)驗公式和試驗測定兩種方法確定拋填堰體的密度。

(3)在調(diào)研國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上，運用離散元法模擬顆粒的堆積過程，研究各種因素對顆粒堆積密度的影響。研究了不同級配下石渣料顆粒堆積密度，模擬了按實際石渣料的級配和Fuller級配2種級配曲線的顆粒堆積，并研究Fuller級配曲線中n=0.6的級配石渣料在各種水流條件下的拋投堆積;依據(jù)數(shù)值試驗結(jié)果，建立顆粒堆積密度的估算方法。

(4)對粗粒料采用相似級配法或等量替代法進行縮尺，制作室內(nèi)試樣;進行不同縮尺度三軸試驗、壓縮試驗，建立力學(xué)性質(zhì)增量與縮尺度的關(guān)系;研究了不同超徑替代方法和縮尺度的擊實試驗、三軸試驗成果的縮尺效應(yīng);進行不同超徑處理方法和縮尺度的滲透試驗，研究粗粒料級配特征與儀器尺寸之間的關(guān)系對滲透試驗成果的影響，總結(jié)尺寸效應(yīng)規(guī)律，研究尺寸效應(yīng)的處理原則和方法。

4 重要研究結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

本專題結(jié)合實際工程，重點研究了河床深厚覆蓋層物理狀態(tài)及力學(xué)特性測試技術(shù)、堰體拋填施工物理模擬技術(shù)、堰體拋填密度的數(shù)值模擬、粗粒料力學(xué)特性與滲透特性的尺寸效應(yīng)。通過采用試驗測試、物理模型、數(shù)值計算等綜合手段的研究，取得如下的重要研究結(jié)論:

(1)提出了確定河床深厚覆蓋層砂礫石料現(xiàn)場密度的方法，即先在覆蓋層現(xiàn)場進行原位測試(旁壓和動探試驗)，再進行室內(nèi)模型試驗，建立砂礫石料的密度、級配、上覆壓力和旁壓模量、動探擊數(shù)之間的關(guān)系，并以此推求現(xiàn)場砂礫石料的密度。

(2)通過改進旁壓試驗孔鉆頭和巖芯管直徑，設(shè)置開縫鋼管保護旁壓探頭等技術(shù)，保證了現(xiàn)場測試成果的可靠性;并研發(fā)了室內(nèi)旁壓和動探測試的模型試驗系統(tǒng)。

(3)本次進行的大量模型試驗成果表明，覆蓋層砂礫石料的密度、級配、上覆壓力和旁壓模量、動探擊數(shù)之間具有很好的相關(guān)性，并已在依托工程中得到了很好的應(yīng)用。

(4)水下拋填堰體密度影響因素主要包括拋填料自身的性質(zhì)(比重、顆粒形狀、顆粒大小和級配)、拋填水深及水的性質(zhì)(水的粘度和密度)、拋填的施工方式、水上填筑堰體荷載等，當(dāng)采用合適的拋投工藝時，可以大大減少水深對拋填密度的影響。

(5)進行拋填密度模擬時，可重點考慮水下混合堆積密度和壓密固結(jié)引起的密度變化。水中的混合堆積密度可采由相對密度試驗獲得的最小干密度值，而壓密固結(jié)引起的密度變化可通過離心模型試驗方法進行模擬。

(6)通過開展不同級配的風(fēng)化砂、砂礫料和石渣料的離心模型試驗，表明顆粒級配、形狀等材料本身屬性對密度值有較大的影響，堰體密度沿深度方向逐漸增大，采用完全相似級配的試驗縮尺對模型材料的密度影響不明顯。

(7)通過對風(fēng)化砂、砂礫石料和石渣料的拋填密度值及其變化規(guī)律的分析，首次提出了散體材料的水下拋填密度經(jīng)驗公式;應(yīng)用離散元方法首次進行圍堰水下拋填密度數(shù)值模擬研究，提出了拋填堆積體的密度估算方法;為工程設(shè)計和施工提供了拋填體密度的估算方法，填補了水下拋填密度計算方法上的空白。

(8)粗粒料的壓實干密度受最大粒徑和細粒料含量的影響較大;在細粒料含量較少和同等壓實功能條件下，等量替代法縮尺后的壓實干密度隨最大粒徑的縮小而明顯減小;相似級配法縮尺后細粒料含量有所增加，其壓實干密度隨縮尺倍數(shù)的增加而有所增加;相同的粗粒料在不同縮尺方法和壓實度條件下得到的強度參數(shù)差別不大，摩擦角φ和Φo的變異性小，而應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線差異性較大。

(9)滲透系數(shù)隨著滲透儀直徑與試驗材料d85比值的增大而增大，但增大的速率越來越緩，當(dāng)滲透儀直徑大于試驗材料d85的6倍時，對滲透系數(shù)影響較小，尺寸效應(yīng)影響已不明顯;在粗粒料滲透試驗中，當(dāng)需要對超徑顆粒進行處理時，應(yīng)盡量保持d60以下顆粒含量(尤其是細粒含量)不變，采用局部替代的超徑處理方法比相似級配法和剔除法更合理。

4.2 建 議

(1)本次研究提出的利用原位測試推求河床深厚覆蓋層砂礫石料現(xiàn)場密度的試驗方法是可行的，建議進一步開展工程應(yīng)用研究。

(2)在深厚覆蓋層中進行重型動力觸探試驗，桿長效應(yīng)對測試成果的影響尚沒有合理的處理辦法。建議對桿長修正問題進行專項研究。

(3)水下拋填堰體密度是一個非常復(fù)雜的靜、動力過程問題，建議研制可精細模擬水下拋填施工過程的離心模型試驗附屬設(shè)備，并開展相關(guān)專項研究。

(4)建議進一步研制粗粒料大型試驗設(shè)備，以盡可能消除縮尺效應(yīng)對試驗成果的影響。

致謝:感謝國家“十一五”科技支撐計劃和中國長江三峽集團公司對本項研究的支持。本項研究成果是多家單位通力合作的結(jié)晶，不僅得益于專題組成員共同為成果所做出貢獻，還得益于咨詢專家組在項目立項、研究工作開展及成果提煉過程中所提出的寶貴意見，在此一并致謝。

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