土石壩壩體土抗剪強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的分析研究

韓素麗

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

1 松塔水電站工程概況

松塔水電站土石壩位于山西省壽陽(yáng)縣松塔鎮(zhèn)下游，所屬的河流水系為汾河水系瀟河支流松塔河，大壩壩址上游控制流域面積1 174 km2。土石壩壩型選擇為均質(zhì)土壩，最大壩高62.60 m，壩頂長(zhǎng)539.0 m，頂寬10 m，壩頂上游側(cè)設(shè)1.2 m高的漿砌石防浪墻；上游壩坡為 1:2.75、1:3.0、1:3.5，下游壩坡為 1:2.75、1:3.0、1:3.0；大壩上下游均各設(shè)兩條2.0m寬的馬道；上游壩坡設(shè)干砌石護(hù)坡，下游壩坡設(shè)混凝土塊護(hù)坡。壩體防滲采用黏土截水槽，截水槽的黏土性能與壩體填土性能一致；槽底達(dá)壩基強(qiáng)風(fēng)化基巖下限，底寬6.0m，上、下游邊坡均為1:1.5。本文基于松塔水電站土石壩現(xiàn)場(chǎng)取樣的三軸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，參考項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)中相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)壩體壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。大壩的斷面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 大壩斷面示意圖

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)方法

三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱多樣剪）是根據(jù)摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則測(cè)定土的強(qiáng)度參數(shù)（凝聚力和內(nèi)摩擦角）。試驗(yàn)方法為：選取一圓柱體試樣，先在其四周施加一周圍壓力（即小主應(yīng)力），隨后逐漸增加大主應(yīng)力直至破壞為止。根據(jù)破壞時(shí)的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力，繪摩爾圓一組，摩爾圓的包線就是抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線。通常以近似的直線表示，其傾角為內(nèi)摩擦角以c表示，在縱軸上的截距為粘聚力以φ表示。試驗(yàn)執(zhí)行參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 50123—1999）》，加荷采用試樣多次分級(jí)加荷法，累計(jì)的軸向應(yīng)變不超20%。

2.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器采用KTG全自動(dòng)應(yīng)變控制式三軸壓縮儀（A型），儀器系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)、壓力室、試驗(yàn)及控制系統(tǒng)、周圍控制系統(tǒng)、反壓控制系統(tǒng)、主應(yīng)力差量測(cè)系統(tǒng)、孔隙壓力傳感器、排水傳感器、體變傳感器、數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成。KTG全自動(dòng)三軸壓縮試驗(yàn)儀器系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 三軸儀器管路示意圖

2.3 取樣方法

本試驗(yàn)采用土樣分別取自土壩下游壩坡10 m處不同樁號(hào)位置，土樣取土深度2 m，取土?xí)r保留1 m上層土，集中堆放一側(cè)，待取樣完成后回填，取樣時(shí)應(yīng)進(jìn)行一次重復(fù)。

2.4 試驗(yàn)步驟

（1）首先將制備好的一個(gè)試樣安裝在壓力室內(nèi)，施加第一級(jí)周圍壓力進(jìn)行排水固結(jié)。

（2）固結(jié)完成后進(jìn)行剪切，直至軸向應(yīng)變達(dá)到預(yù)先設(shè)定值就停止剪切，然后退除軸向壓力，待孔壓穩(wěn)定施加第二級(jí)周圍壓力。

（3）重復(fù)之前的步驟，加第三級(jí)周圍壓力，再重復(fù)之前的步驟。

試驗(yàn)要求后兩級(jí)周圍壓力應(yīng)等于或大于前一級(jí)周圍壓力下破壞的最大主應(yīng)力，試樣的軸向應(yīng)變以前一級(jí)剪切終了退去軸向壓力后的試樣高度作為后一級(jí)的起始高度，累計(jì)應(yīng)變不超過(guò)20%，將每一級(jí)周圍壓力下達(dá)到設(shè)定軸向應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)。

2.5 測(cè)試結(jié)果

粘聚力又叫內(nèi)聚力，是在同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力，這種相互吸引力是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)；內(nèi)聚力能使物質(zhì)聚集成液體或固體，特別是在與固體接觸的液體附著層中，由于內(nèi)聚力與附著力相對(duì)大小的不同，致使液體浸潤(rùn)固體或不浸潤(rùn)固體。內(nèi)摩擦角是指物質(zhì)在垂直重力作用下發(fā)生剪切破壞時(shí)錯(cuò)動(dòng)面的傾角，它反映了土的摩擦特性，一般認(rèn)為包含兩個(gè)部分，即土顆料的表面摩擦力與顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力。土石壩取樣三軸儀測(cè)定的有效粘聚力c’和有效內(nèi)摩擦角φ’結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)測(cè)定的壩體土有效粘聚力最大值 c’max=94.0 kPa，有效粘聚力最小值 c’min=3.0 kPa，平均值 c’p=45.9 kPa，大值平均值 c’maxp=73.0 kPa，小值平均值c’minp=28.33 kPa；壩體土內(nèi)有效摩擦角最大值φ’max=29.5°,粘聚力最小值 φ’min=20.4°,平均值 φ’p=26.03°，大值平均值 φ’maxp=28.64°，小值平均值 φ’minp=23.42°。

3 測(cè)試結(jié)果與初步設(shè)計(jì)參數(shù)的分析比較

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的該土石壩主體工程設(shè)計(jì)資料可知：上下游壩坡計(jì)算工況包括正常蓄水位（58.4 m）情況、校核洪水位（59.62 m）情況、正常蓄水位加地震與水庫(kù)水位由正常蓄水位降至死水位（25.4 m）情況四種工況；設(shè)計(jì)中選取的計(jì)算參數(shù)為：壩體土的粘聚力c’=10.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ’=23°；設(shè)計(jì)中采用理正軟件中的簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算壩坡的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土石壩主體工程壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

將現(xiàn)場(chǎng)取樣的三軸儀測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)選用值相比較可知，選取的壩體土粘聚力值c’＝10.7kPa小于測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果中的小值平均值c’minp=28.33kPa，內(nèi)摩擦角值φ’=23°則小于小值平均值φ’minp=23.42°。如果用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的幾組統(tǒng)計(jì)值（平均值，大值平均值，小值平均值）均利用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算上下游壩坡安全系數(shù)，計(jì)算工況就選擇正常蓄水位情況，分析上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，計(jì)算公式如下：

式中：W——土條重量，浸潤(rùn)線以上按濕重度計(jì)，浸潤(rùn)線與壩坡外水位間按飽和重度計(jì)，壩坡外水位以下按浮重度計(jì)；

u——條塊底面中心點(diǎn)出的滲透壓力；

α——土條底面中心點(diǎn)的切線與水平線間的夾角；

b——土條寬度；

φ’，C’——土條底面中心點(diǎn)所通過(guò)土層的內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力；

Mc——水平地震慣性力對(duì)圓心點(diǎn)的力矩；

R——滑弧半徑。

表2 土石壩不同粘聚力和內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計(jì)值分析壩坡穩(wěn)定

因此，從現(xiàn)場(chǎng)取樣三軸儀測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果來(lái)看，其值均大于設(shè)計(jì)值，可認(rèn)為壩體填筑土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于其中出現(xiàn)的奇異點(diǎn)（比如7號(hào)土樣的粘聚力測(cè)試值為5kPa，5號(hào)土樣的內(nèi)摩擦角測(cè)試值20.3°，應(yīng)該在鄰近位置進(jìn)行重新取樣再次進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)果分析

文章利用三軸儀（KTG全自動(dòng)應(yīng)變控制式三軸壓縮儀）對(duì)新建土石壩的壩體填筑土取樣進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試得到土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值（粘聚力和內(nèi)摩擦角），然后與初步設(shè)計(jì)提出的壩坡穩(wěn)定分析壩體土參考值進(jìn)行了比較，并利用簡(jiǎn)化Bishop法重新計(jì)算了各統(tǒng)計(jì)值下壩體上下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果表明壩體填筑土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于測(cè)試中出現(xiàn)的奇異值點(diǎn)，建議進(jìn)行重新測(cè)試，如果其值確實(shí)較小，應(yīng)提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位對(duì)該部位土體進(jìn)行重新分析，提出改造措施和方案。