對影響堆石料工程特性因素的分析研究

趙曉菊

(中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京 100024)

1 概述

隨著面板堆石壩在抽水蓄能電站中的廣泛應(yīng)用，作為壩體填筑材料的堆石，其工程特性(強(qiáng)度性質(zhì)、變形性質(zhì)及滲流特性)的研究尤為重要。堆石料的壓縮主要是在垂直荷重的作用下顆?？朔Σ磷枇χ匦屡帕械倪^程;抗剪強(qiáng)度主要由滑動摩擦強(qiáng)度、剪脹效應(yīng)和擠碎作用以及重排列作用的效應(yīng)幾部分組成;滲透性是指水在土的孔隙中流動的過程和性質(zhì)，而級配、密度及母巖的性質(zhì)及風(fēng)化程度對于上述的每一部分均會產(chǎn)生一定的影響，從而使堆石混合料的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生變異［1］。筆者以幾座蓄能電站試驗(yàn)資料為依據(jù)，著重分析了控制密度、顆粒級配及母巖的風(fēng)化程度對壩料工程特性的影響。

2 控制密度對堆石料工程特性的影響

對于相同級配，堆石料密度的大小表示其孔隙比的大小，密度越大，孔隙比越小，顆粒間咬合的越緊密，起著有利于抗剪強(qiáng)度的作用。試驗(yàn)選用十三陵抽水蓄能電站面板堆石壩主堆石區(qū)、次堆石區(qū)和墊層區(qū)材料，試驗(yàn)級配及密度見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2、3，圖1。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，對于同一級配、同一母巖、同一應(yīng)力狀態(tài)下，隨著密度的增大，其沉降變形減小，模量增大，抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)，滲透性減小。

表1 試驗(yàn)級配、材料及密度表

表2 三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及滲透試驗(yàn)指標(biāo)表

3 級配對堆石料工程特性的影響

表3 滲透試驗(yàn)指標(biāo)表

資料表明:粒徑大于5 mm 的粗料為70%左右時，粗、細(xì)顆粒形成最佳組合，粗料形成完整骨架，細(xì)料又能填滿孔隙，細(xì)料和粗料相互充填的最密實(shí)，孔隙最少，表現(xiàn)出壓縮沉降變形量最小，抗剪強(qiáng)度最大，滲透系數(shù)最小，滲透破壞比降較大［2］。

圖1 s-P 曲線示意圖

試驗(yàn)選用文登抽水蓄能電站面板堆石壩墊層區(qū)和堆石區(qū)材料，均為石英二長巖。三種試樣裝樣過程中分裝層數(shù)、每層試樣振動時間相同，即對試樣擊實(shí)功率相同，從而使得試樣的密實(shí)度相同，用以研究母巖相同、密實(shí)度相同、應(yīng)力狀態(tài)相同時級配對堆石料工程特性的影響。試驗(yàn)級配見表4，試驗(yàn)參數(shù)見表5、6、7，圖2、3、4。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，墊層料細(xì)粒含量比堆石料高，達(dá)到28.1%，接近30%，因此粗、細(xì)顆粒能夠達(dá)到較好的咬合效果，粗、細(xì)骨料可以共同承擔(dān)骨架作用;而對于堆石料，由于細(xì)顆粒含量少，細(xì)顆粒不能完全充填粗顆粒骨架形成的孔隙，孔隙率較大，由粗骨料承擔(dān)骨架作用。

表4 試驗(yàn)級配及試驗(yàn)后顆粒級配表

(1)在壓縮過程中，粗骨料承擔(dān)骨架作用時粗顆粒的棱角容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而產(chǎn)生破碎、引起骨架顆粒發(fā)生移動重新排列至穩(wěn)定位置而使試樣發(fā)生沉降變形，試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出堆石料沉降變形大，墊層料沉降變形小，模量高。

表5 三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

表6 破壞強(qiáng)度值表

表7 文登水電站滲透及滲透變形試驗(yàn)成果表

圖2 s-P 曲線示意圖

(2)用強(qiáng)度指標(biāo)表示，墊層料φ值較大，應(yīng)力～應(yīng)變曲線及體積變形曲線顯示在σ3=200、400 kPa 時三種料應(yīng)力～應(yīng)變曲線較接近。隨著σ3的增加，墊層料總體表現(xiàn)為應(yīng)變軟化性，而堆石料曲線則表現(xiàn)為應(yīng)變硬化性，并且三種料應(yīng)力～應(yīng)變曲線差距越來越大，說明因母巖強(qiáng)度較高，在圍壓σ3較低、剪切應(yīng)力較小時，級配的優(yōu)勢并沒有顯現(xiàn)出來。隨著圍壓增大，堆石料的顆粒破碎增加，抗剪強(qiáng)度也隨之降低，級配對強(qiáng)度和變形的影響明顯的表現(xiàn)出來。體變曲線顯示墊層料在剪切過程中均發(fā)生了剪脹，而堆石料隨著圍壓的變化，顆粒破碎較明顯，阻礙了剪脹效應(yīng)的發(fā)揮，體變曲線由剪脹型逐步過渡到剪縮型［3］。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖4 ε1～εv關(guān)系曲線表圖

表8 試驗(yàn)級配及試驗(yàn)后顆粒級配表

(3)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:堆石料、墊層料滲透系數(shù)逐漸減小，破壞水力比降逐漸增大，而墊層料的破壞水力比降大于44.2。堆石料和過渡料的破壞型式為管涌型。由于墊層料細(xì)骨料能較好的填滿混合料的孔隙，混合料中的孔隙少可使其滲透系數(shù)小，破壞水力比降大;而堆石料由于細(xì)料含量少，細(xì)料填不滿粗料的孔隙，孔隙多反映出滲透系數(shù)較大［4］。同時，由于細(xì)粒含量少，一部分細(xì)顆粒不是互相緊密接觸的，甚至有的顆粒處于自由狀態(tài)，粗顆粒不能完全制約細(xì)顆粒，導(dǎo)致其抵抗?jié)B透破壞的能力較低，土體中的細(xì)顆粒在孔隙通道中移動并被帶出土體以外，形成管涌破壞。

4 母巖的風(fēng)化程度對堆石料工程特性的影響

試驗(yàn)采用呼和浩特抽水蓄能電站堆石區(qū)材料、筑壩材料，均為片麻狀黑云母花崗巖，試驗(yàn)級配、密度均相同，只是風(fēng)化程度為微新～弱風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化兩種，試驗(yàn)參數(shù)見表8、9、10，圖5。

表9 三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

表10 滲透及滲透變形試驗(yàn)成果表

圖5 s-P 曲線示意圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，母巖風(fēng)化程度的大小直接影響著堆石料的工程特性，風(fēng)化程度越高，其沉降變形越大;模量低，強(qiáng)度值越低;制樣過程中風(fēng)化程度越高，破碎量越大并增加了細(xì)粒含量，則滲透性減小。試驗(yàn)后顆粒級配表也反映出強(qiáng)風(fēng)化料由于制樣過程、飽和浸水軟化過程及試驗(yàn)過程細(xì)料的大量增加而使其工程特性次于微新～弱風(fēng)化料。

5 結(jié)語

試驗(yàn)研究結(jié)果表明:控制密度、顆粒級配及母巖的風(fēng)化程度對堆石料的工程特性影響較大。密度大，堆石混合料中粗、細(xì)顆粒咬合的程度越好，母巖風(fēng)化程度越低，堆石體可以得到較小的沉降變形、較高的抗剪強(qiáng)度。

［1］傅志安，鳳家驥.混凝土面板堆石壩［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1993.

［2］郭慶國，編.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.

［3］柏樹田，崔亦昊.堆石的力學(xué)性質(zhì)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1997，58(3):21-30.

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