老均質(zhì)壩擴(kuò)建穩(wěn)定計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選擇

劉洪雨

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 德陽(yáng) 618000)

1 概述

SL 274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》D.1.1及DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》E.1.1都給出了土石壩穩(wěn)定分析時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選擇方法，對(duì)于新建土壩穩(wěn)定計(jì)算時(shí)可以直接按實(shí)際工況選擇對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)，但老壩體加高擴(kuò)建時(shí)強(qiáng)度指標(biāo)選擇就有許多爭(zhēng)議，爭(zhēng)議的焦點(diǎn)就在于運(yùn)行多年的老壩體是否已經(jīng)完全排水固結(jié)，計(jì)算時(shí)是不是該用固結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)。通過(guò)對(duì)多座老均質(zhì)土壩勘察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)許多運(yùn)行多年的壩并沒(méi)有完全固結(jié)，由于固結(jié)剪切指標(biāo)與不排水剪切指標(biāo)相差很大，若老壩體沒(méi)有固結(jié)而在擴(kuò)建設(shè)計(jì)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)錯(cuò)誤地選擇了固結(jié)剪切強(qiáng)度指標(biāo)則會(huì)對(duì)工程帶來(lái)很大安全隱患甚至?xí)饓误w滑坡破壞。

2 老壩體土物理特性

擴(kuò)建的老壩體一般是20世紀(jì)60—70年代所修建的，由于當(dāng)時(shí)施工水平的限制許多壩體內(nèi)存在低密度、低強(qiáng)度、高壓縮性的土層，有些壩體內(nèi)排水系統(tǒng)失效導(dǎo)致運(yùn)行多年并未完全固結(jié)，這些壩體土很難滿足現(xiàn)有規(guī)范對(duì)均質(zhì)壩設(shè)計(jì)、施工的要求。通過(guò)對(duì)多座老均質(zhì)壩勘察資料分析發(fā)現(xiàn)這些老壩體土有以下特性：

(1)壩體填筑土黏粒含量高，為18.5%～50.3%，液限含水量為23.4%～43.7%，塑性指數(shù)為8.4～22.7，屬低液限黏土，試驗(yàn)結(jié)果證明原壩料不能滿足均質(zhì)壩土料的滲透方面要求。

(2)壩料壓實(shí)度普遍偏低，勘察的水庫(kù)中壓實(shí)度最大的為99%，最小的為90%，平均為95%，不能滿足SL 274—2001中要求的3級(jí)中低壩及3級(jí)以下的中壩壓實(shí)度應(yīng)為96%～98%的要求。

(3)壩體土飽和度高，為84.1%～100%，平均達(dá)到95.9%，壩體處于基本飽和狀態(tài)，說(shuō)明壩體排水系統(tǒng)可能失效，土體無(wú)法排水固結(jié)。

3 老壩體土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

下面列出兩座老壩體實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分析說(shuō)明老均質(zhì)壩擴(kuò)建穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)如何選擇抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

3.1 龔家堰水庫(kù)

龔家堰水庫(kù)工程位于彭山縣黃豐鎮(zhèn)共和村，屬岷江二級(jí)支流龔家堰溝，為已建的小(1)型水庫(kù)，總庫(kù)容323×104m3。大壩于1958年4月開(kāi)工建設(shè)，1959年12月竣工，壩型為均質(zhì)黏土壩，壩頂高程473.64m，最大壩高26.30m，壩軸線長(zhǎng)80.00m。工程擴(kuò)建前勘測(cè)階段在原壩體上布置了4個(gè)鉆孔，上游編號(hào)ZK201、ZK202，壩軸線編號(hào)ZK203，下游編號(hào)ZK211，隨鉆孔深度共取了13組原狀樣。壩體原狀土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)直剪試驗(yàn)及三軸試驗(yàn)確定。

考慮到原壩體基本處于飽和狀態(tài)，直剪試驗(yàn)采用3種試驗(yàn)方法：①原狀樣狀態(tài)快剪，其控制條件為壩體經(jīng)50年運(yùn)行實(shí)際固結(jié)程度條件下的天然干密度和天然含水率，不再飽和不再固結(jié)的快剪試驗(yàn)。由于試樣本身含水率較高，基本飽和，因此原狀樣狀態(tài)快剪指標(biāo)實(shí)質(zhì)是為不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度；②飽和固結(jié)慢剪，試樣抽氣飽和后排水固結(jié)，抗剪指標(biāo)與原狀樣狀態(tài)下的抗剪指標(biāo)比較；③飽和固結(jié)快剪。

三軸試驗(yàn)采用3種方法：①不固結(jié)不排水(UU)剪，與直剪的原狀樣快剪控制條件一致；②固結(jié)排水(CD)剪，即飽和固結(jié)后的排水慢剪；③固結(jié)不排水(CU)剪，即飽和排水固結(jié)后的快剪。兩種試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 龔家堰水庫(kù)原壩體土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 黨仲水庫(kù)

黨仲水庫(kù)工程位于青衣江水系安溪河上游雙橋鄉(xiāng)桂香村黨仲溝境內(nèi)，為已建的小(1)型水庫(kù)，總庫(kù)容882×104m3。大壩于1970年動(dòng)工興建，1972年春完工，壩型為均質(zhì)土壩，壩頂高程510.00m，最大壩高33.0m，壩軸線長(zhǎng)169.2m。

壩體擴(kuò)建勘測(cè)時(shí)在上游壩體取原狀土樣10組，下游壩體取原狀樣9組，由于黨仲水庫(kù)擴(kuò)建較早，受當(dāng)時(shí)試驗(yàn)條件限制僅做了直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 黨仲水庫(kù)原壩體土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 老壩體擴(kuò)建抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選擇

通過(guò)3.1試驗(yàn)條件可以看出，老壩體擴(kuò)建設(shè)計(jì)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)最符合工程實(shí)際邊界條件的試驗(yàn)為壩體土原狀樣的不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度試驗(yàn)；若原老壩體多年運(yùn)行并未固結(jié)，則說(shuō)明原壩體填筑料或者排水系統(tǒng)有問(wèn)題，如果在擴(kuò)建過(guò)程中沒(méi)對(duì)老壩體采取排水(固結(jié))措施時(shí)穩(wěn)定計(jì)算各工況均應(yīng)使用原狀樣不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)；使用壩體原狀樣的快剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)應(yīng)折減。分析原因如下：

(1)根據(jù)老壩體排水固結(jié)條件(排水條件不好)、壓實(shí)度(壓實(shí)度低)、飽和程度(飽和度高)等物理特性與表1、表2所列實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可以看出這些老壩體雖然運(yùn)行多年，但并未完全固結(jié)。

(2)根據(jù)SL 274—20018.3.2及SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》4.4.2中規(guī)定，“對(duì)填筑施工期的黏性土邊坡，土體的抗剪強(qiáng)度也可采用τf=cu+σtanφu計(jì)算”，式中，cu，φu—土體不排水剪總強(qiáng)度指標(biāo)；根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》E.9.1“對(duì)于排水條件差的黏性土地基，宜采用飽和快剪強(qiáng)度或三軸壓縮試驗(yàn)不固結(jié)不排水剪強(qiáng)度”，擴(kuò)建工程是在老壩體上加高，老壩體對(duì)于加高部分壩體而言可看作是施工期地基土和邊坡，且老壩體厚度大，飽和程度高(一般大于95%以上)，滲透系數(shù)小(一般小于10-6cm/s)，在快速加載條件下排水條件差，所以穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)使用原樣土不固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。

(3)從表1所列天然狀態(tài)快剪數(shù)據(jù)可以看出，同一種壩體土料快剪強(qiáng)度指標(biāo)遠(yuǎn)大于不固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)，從表1與表2上游土樣天然狀態(tài)快剪數(shù)據(jù)(下游土樣飽和度較小，已基本固結(jié))對(duì)比也可以看出天然狀態(tài)快剪指標(biāo)大于不固結(jié)不排水指標(biāo)，這是因?yàn)樘烊粻顟B(tài)快剪試驗(yàn)時(shí)直剪儀無(wú)法控制排水，土樣易失水固結(jié)，且快剪試驗(yàn)僅適用于滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s的黏土料，所以這時(shí)天然樣快剪指標(biāo)往往不能如實(shí)反映原樣土天然狀態(tài)抗剪強(qiáng)度，在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用三軸剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若試驗(yàn)條件不允許而只有快剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)對(duì)比類似工程并將快剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果合理折減后使用。

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不是一成不變的，應(yīng)用條件跟壩體是否為新填筑土層、壩體填筑土層快慢程度、壩基土滲透系數(shù)大小、排水棱體排水效果、施工時(shí)壩體含水情況等諸多邊界條件有關(guān)，只有深刻理解三種抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)M的工程條件才能做出正確選擇。本文統(tǒng)計(jì)的實(shí)測(cè)老壩體資料不多，可能沒(méi)有涵蓋所有老壩體擴(kuò)建情況，但遇到上文類似的壩體土料物理特性與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)設(shè)計(jì)者應(yīng)高度重視，以免選擇不合適的抗剪指標(biāo)而造成工程事故。