卓于水庫壩殼填筑料試驗(yàn)及結(jié)果分析

王瀚川

(甘肅省水利水電工程局有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730046)

卓于水庫位于西藏自治區(qū)山南市扎囊縣境內(nèi)雅魯藏布江右岸支流扎塘溝左側(cè)支流卓于溝，樞紐位于卓于村西南，距扎囊縣城24km，距山南市澤當(dāng)鎮(zhèn)70km。最大壩高58.81m，正常蓄水位3954.50m，壩長(zhǎng)452.00m，總庫容1043.00萬m3。樞紐工程由瀝青混凝土心墻卵礫石壩、溢洪道及輸水洞組成，屬于中型水庫工程[1]。

2018年12月6日—2019年2月對(duì)西藏自治區(qū)山南市扎囊縣卓于水庫壩殼填筑料進(jìn)行了顆粒分析、滲透試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)(包含不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水3種狀態(tài))，依據(jù)對(duì)壩殼填筑料的相關(guān)技術(shù)要求，分析試驗(yàn)結(jié)果，為評(píng)價(jià)填筑料的質(zhì)量提供依據(jù)[2]。

1 壩殼填筑料取樣、試驗(yàn)依據(jù)及試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)所采用的樣品取自擬選壩殼填筑料1#、2#、3#料場(chǎng)，每個(gè)料場(chǎng)取樣3組，共9組；樣品編號(hào)分別為1#-1、1#-2、1#-3、2#-1、2#-2、2#-3、3#-1、3#-2、3#-3。3個(gè)料場(chǎng)均位于支流溝口一帶的沖洪積階地上，上覆洪坡積礫質(zhì)土層。取樣時(shí)剝離表層0.5～1.5m的坡積礫質(zhì)土層、0.2m的坡積卵石混合土后，通過刻槽法自上而下采取卵石混合土樣。

試驗(yàn)依據(jù)和相關(guān)文件為：《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》[3]《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)范》[4]《土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[6]《西藏山南市扎囊縣卓于水庫工程試驗(yàn)委托書》[7]。

試驗(yàn)項(xiàng)目及要求見表1。

表1 填筑料試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 顆粒分析

顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法，篩析法中小于某粒徑的試樣質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)的計(jì)算式為：

x=(ma/mb)dx

(1)

式中，ma—小于某粒徑的試樣質(zhì)量；mb—所取試樣質(zhì)量；dx—粒徑小于2mm或小于0.075mm的試樣質(zhì)量占總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(粗篩分析時(shí)Dx=100%)。

表2 壩殼填筑料顆粒分析試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

2.2 含泥量

含泥量為砂礫混合料含泥量，根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果資料、依據(jù)規(guī)范要求，礫石用四分法稱取烘干樣40kg、砂1kg各分成2份進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)礫石含泥量試驗(yàn)：將礫石樣裝入瓷盆中后注入清水，并淘洗水中顆粒，分離較粗顆粒、小于0.075mm的顆粒，然后將渾水慢慢倒入1.25及0.075mm的套篩上[6]，濾去小于0.075mm的顆粒。反復(fù)淘洗礫石料直至水變清。將洗凈的礫石料烘干至恒定質(zhì)量(置于105℃±5℃的烘箱中)，待冷卻至恒溫后稱出式樣質(zhì)量[6，8- 10]。

(2)砂含泥量試驗(yàn)：砂樣稱取500g各2份，將砂樣放入洗砂筒中，用清水?dāng)嚢璨⒔?h，然后淘洗水中砂樣，約1min后，將渾水慢慢倒入1.25及0.075mm的套篩上，其余步驟同礫石含泥量試驗(yàn)[6，8- 10]。各級(jí)含泥量計(jì)算公式為：

Q=100(G-G1)/G

(2)

式中，Q—含泥量，%；G—試驗(yàn)前的烘干樣質(zhì)量，g；G1—試驗(yàn)后烘干樣質(zhì)量，g。

以2次測(cè)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，相差不大于0.05%[8- 10]。

(3)砂礫混合含泥量：砂礫混合含泥量按各粒級(jí)含泥量的加權(quán)平均法求得，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.3 密度試驗(yàn)

2.3.1最小干密度試驗(yàn)

采用固定體積法，選取符合試樣的容重筒，用小鏟將風(fēng)干試樣徐徐松填于試樣筒內(nèi)，鋼直刀刮平后稱量筒及試樣總重，計(jì)算其最小干密度：

ρdmin=md/Vs

(3)

2.3.2最大干密度試驗(yàn)

采用振動(dòng)臺(tái)法，直接用已進(jìn)行最小干密度試驗(yàn)的試樣，加上套筒及加重板振動(dòng)8min后去除蓋板及加重物，測(cè)讀試樣高度，計(jì)算試樣體積，進(jìn)而計(jì)算其最大干密度：

ρdmax=md/Vs

(4)

2.3.3表觀密度試驗(yàn)

粒徑大于5mm的礫石采用水中浮稱法，粒徑小于5mm的砂粒采用李氏比重瓶法，分別按規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)并計(jì)算表觀密度，結(jié)果以測(cè)得砂的表觀密度及礫石的表觀密度加權(quán)平均計(jì)算可得。

2.3.4試樣制備干密度

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定的最大干密度、最小干密度、表觀密度及委托方給定的相對(duì)密度計(jì)算填筑料制備干密度，計(jì)算公式如下。

相對(duì)密度：

(5)

試樣制備密度：

(6)

據(jù)據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可得最小干密度、最大干密度、表觀密度及試樣制備密度數(shù)值，見表3。

2.4 天然休止角

天然休止角反映的是顆粒摩擦力或咬合力的大小。試驗(yàn)取代表性的風(fēng)干試樣若干，在松散狀態(tài)下堆積，當(dāng)堆積體穩(wěn)定后用地質(zhì)羅盤測(cè)量堆積坡面與水平面的夾角。本試驗(yàn)進(jìn)行2次平行測(cè)定，取其算術(shù)平均值。試驗(yàn)所測(cè)得的天然休止角見表3。

2.5 滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的垂直滲透變形儀，筒身內(nèi)徑為300mm，高度600mm，試驗(yàn)時(shí)剔除粒徑大于60mm的顆粒，按制備干密度計(jì)算并稱取試樣質(zhì)量，拌和均勻，分3層裝入儀器中，每層用擊實(shí)錘擊實(shí)。試樣在儀器中采用毛細(xì)管飽和法進(jìn)行飽和，緩慢調(diào)解供水箱高度，依次接通相應(yīng)的測(cè)壓管，觀察各測(cè)壓管水位與出水口水位齊平時(shí)開始測(cè)讀。逐次升高水頭，待水流穩(wěn)定后記錄測(cè)壓管水位并測(cè)量滲流量，測(cè)讀數(shù)次，測(cè)讀的水位及滲流量基本穩(wěn)定后提升至下一級(jí)水頭進(jìn)行試驗(yàn)。觀察四周有氣泡冒出及細(xì)顆粒跳動(dòng)時(shí)判定為滲透變形破壞。

試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)k20及臨界坡降見表3。

表3 壩殼填筑料物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2.6 三軸壓縮試驗(yàn)

2.6.1試驗(yàn)設(shè)備

大型三軸壓縮試驗(yàn)采用SZ30- 4D三軸剪切試驗(yàn)機(jī)，試樣直徑300mm，試樣高度600mm。

2.6.2樣品制備

由于室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備的直徑為300mm，允許粗粒土最大粒徑為60mm，故需對(duì)超徑顆粒按規(guī)范要求進(jìn)行等量替代，根據(jù)填筑料顆粒級(jí)配曲線，按相關(guān)規(guī)程要求進(jìn)行了超徑顆粒等量替代，確定的三軸壓縮試驗(yàn)級(jí)配見表4，三軸試驗(yàn)用料粒徑范圍為：60～40、40～20、20～5、<5mm。

表4 三軸壓縮試驗(yàn)顆粒級(jí)配

按表3確定的試樣制備密度計(jì)算試驗(yàn)所需的土樣，以裝填層數(shù)均勻分成10等份。在底座上扎好橡皮膜安裝成型筒，將橡皮膜順直、緊貼成型筒內(nèi)壁，將上邊沿外翻在成型筒上，用擊實(shí)法將試樣逐層裝入并整平表面，加上透水板，扎緊橡皮膜，去掉成型筒，安裝在壓力室，旋緊與底盤連接的螺栓。

2.6.3試驗(yàn)類型

(1)不固結(jié)不排水剪。本次試驗(yàn)圍壓分4級(jí)，分別為200、400、600、800kPa。試樣抽氣后，施加周圍壓力至需要值，并保持恒壓。開動(dòng)油壓機(jī)，施加軸向壓力，試樣的軸向應(yīng)變每0.1%～0.4%測(cè)記軸向測(cè)力計(jì)和百分表讀數(shù)各一次；當(dāng)接近峰值時(shí)，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[5]《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》[8]試驗(yàn)要求結(jié)束試驗(yàn)，并對(duì)剪后試樣進(jìn)行描述[10]。

(2)固結(jié)不排水剪。試樣抽氣后，試樣內(nèi)形成負(fù)壓，徐徐打開排水閥，試樣在負(fù)壓作用下，水由下而上逐漸飽和，直至排水量管中的水位不再變化時(shí)，試樣已達(dá)到飽和。關(guān)閉排水閥，施加周圍壓力至預(yù)定值，并保持恒定，開排水閥，以時(shí)間的平方測(cè)記量水管水位和孔隙壓力計(jì)讀數(shù)。正常情況下，排水量應(yīng)趨于穩(wěn)定，即曲線的下段趨于水平，即認(rèn)為固結(jié)完成。關(guān)閉排水閥，開壓力機(jī)，以不飽和不固結(jié)的方法進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

(3)固結(jié)排水剪。以固結(jié)不排水的方法將試樣固結(jié)完成后，不關(guān)閉排水閥，使試樣保持排水條件。開壓力機(jī)，以不飽和不固結(jié)的方法進(jìn)行剪切，在剪切過程中測(cè)記軸向壓力表、軸向百分表讀數(shù)并測(cè)記量水管讀數(shù)。

2.6.4試驗(yàn)結(jié)果

(1)繪制應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。繪制應(yīng)力差(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系曲線，如圖1—2所示。(篇幅所限，僅附3#-1固結(jié)排水、3#-2不固結(jié)不排水的應(yīng)力-應(yīng)變曲線)。

圖1 3#-1固結(jié)排水應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 3#-2不固結(jié)不排水應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(2)線性強(qiáng)度參數(shù)的確定。線性強(qiáng)度參數(shù)反映的是土體抵抗剪切破壞的最大能力。根據(jù)莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則，土體在各向主應(yīng)力作用下，作用在某一應(yīng)力面上的剪應(yīng)力τ與法向應(yīng)力σ之比達(dá)到某一值時(shí)，土體就沿著該面發(fā)生剪切破壞[11]，而與作用的各向主應(yīng)力的大小無關(guān)。莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式為：

(σ1-σ3)f=2cosφ+(σ1-σ3)fsinφ

(7)

式中，σ1—大主應(yīng)力；σ3—小主應(yīng)力；(σ1-σ3)f—破壞強(qiáng)度。

2個(gè)參數(shù)c、φ與抗剪強(qiáng)度、法向應(yīng)力之間的關(guān)系用庫侖方程式表示為：

τ=c+σtanφ

(8)

式中，τ—作用在破壞面上的剪切應(yīng)力；c—黏聚力；φ—內(nèi)摩擦角；σ—作用在破壞面的法向應(yīng)力。

在固結(jié)排水剪切試驗(yàn)中，孔隙壓力等于零，抗剪強(qiáng)度包線的傾角和在縱軸上的截距分別為φd、cd。

根據(jù)本次三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，繪制莫爾強(qiáng)度包線，如圖3—4所示(篇幅所限，僅附3#-1固結(jié)排水、3#-2不固結(jié)不排水的莫爾強(qiáng)度包線)。

圖3 3#-1固結(jié)排水的莫爾強(qiáng)度包線

依據(jù)不同試樣的莫爾強(qiáng)度包線，求得不同試樣填筑料線性抗剪強(qiáng)度參數(shù)，見表5。

(3)非線性強(qiáng)度參數(shù)。鄧肯等人在1980年提出，無黏性粗顆粒材料的φ值隨圍壓的增大而減少，不符合莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，表現(xiàn)為非線性關(guān)系，其非線性強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系為：

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(9)

式中，φ0—一個(gè)大氣壓下的摩擦角；Δφ—當(dāng)σ3增加1個(gè)對(duì)數(shù)周期下剪切角φ的減小值；φ——過原點(diǎn)作某一應(yīng)力圓切線與橫坐標(biāo)(σ)軸的夾角，與周圍壓力σ3呈對(duì)數(shù)關(guān)系，即：

圖4 3#-2不固結(jié)不排水的莫爾強(qiáng)度包線

(10)

按非線性關(guān)系確定的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果見表5。

表5 填筑料抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

經(jīng)對(duì)卓于水庫壩殼填筑料進(jìn)行顆分、含泥量、密度試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)和三軸壓縮等試驗(yàn)，查明了1#、2#和3#壩殼填筑料場(chǎng)砂礫石的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行了壩殼料三軸壓縮試驗(yàn)，并按線性的莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則和非線性的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則提出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

(1)根據(jù)壩殼填筑料1#、2#、3#料場(chǎng)9組樣品顆粒分析結(jié)果，定名為漂石混合土、卵石混合土、混合土卵石3類土。含泥量最大值為16.8%，最小值為11.3%，平均值為14.0%。最小干密度在1.63～1.77g/cm3之間，最大干密度在2.20～2.22g/cm3之間，表觀密度在2.66～2.69g/cm3之間，依據(jù)試驗(yàn)委托書[7]要求的相對(duì)密度Dr≥0.8計(jì)算的試樣制備干密度在2.07～2.11g/cm3之間[14]。天然休止角最大值為36.0°，最小值為34.4°，平均值為35.4°。滲透系數(shù)在9.28×10-3～1.15×10-2cm/s之間，滲透破壞臨界坡降在0.67～1.57之間[15]。

(2)根據(jù)粗粒土的性質(zhì)、大壩填筑要求和不同的排水條件，試驗(yàn)了固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪和不固結(jié)不排水剪3種類型共12組試驗(yàn)，其中固結(jié)不排水剪8組，線性抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角在33.6°～35.1°之間，黏聚力在0.034～0.092MPa之間。非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ0在37.9°～45.0°之間，Δφ在3.9°～10.04°之間。固結(jié)排水剪3組，線性抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角在34.9°～36.2°之間，黏聚力在0.053～0.124MPa之間。非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ0在43.3°～49.6°，Δφ在6.48°～13.76°之間。不固結(jié)不排水剪1組，線性抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角為36.2°，黏聚力為0.152MPa。非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ0為49.2°，Δφ為9.41°。

(3)依據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)范》[4]附表4.3.1-1中填筑料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，對(duì)1#、2#和3#料場(chǎng)的壩殼填筑料進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。1#、2#和3#料場(chǎng)的壩殼填筑料除含泥量大于8%不滿足要求外，其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足填筑料的質(zhì)量要求。