前坪水库坝壳砂砾料工程特性试验研究

李永新, 鲁琴, 孙培欣

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.郑州市市政工程勘测设计研究院,河南 郑州 450018)



前坪水库坝壳砂砾料工程特性试验研究

李永新1, 鲁琴2, 孙培欣1

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.郑州市市政工程勘测设计研究院,河南 郑州 450018)

以前坪水库西沟—鸭兰沟砂砾石料场为例,在试验代表性级配和控制干密度的条件下,通过大型压缩试验、三轴压缩试验、渗透试验分析了坝壳砂砾石料的变形、强度、渗透特性。试验结果表明:砂砾石料具有低压缩性,饱和固结排水剪与非饱和不固结不排水剪的应力-应变关系均呈应变硬化型,曲线形状比较接近双曲线,无明显剪胀现象;三轴压缩试验过程中的颗粒破碎较为明显,颗粒级配越粗,颗粒破碎率越大,颗粒破碎越明显;坝壳砂砾料的级配宽度不大,各级配砂砾料渗透破坏形式为管涌破坏,渗透系数差异不大,均表现出强透水特性。依托试验研究成果提出了适用于大坝应力-应变分析计算的邓肯-张模型参数和物理力学指标,为坝体设计和稳定性分析提供重要的参考依据,为火成岩地区地质环境条件类似的工程提供借鉴。

坝壳;砂砾石料;级配;压缩特性;三轴压缩强度;渗透性

土石坝的坝壳料是土质防渗体分区坝填筑量最大的坝料,考虑到就地取材、经济性、地形及地质条件的适用性,坝壳料可以是风化石渣、爆破或开挖的石料、卵石料等。近几十年来,鲁布革、小浪底、燕山、糯扎渡等大型水利水电工程的兴建,使得对坝壳砂砾石料的级配、击实性、强度、渗透性等工程特性的研究也越来越深入[1-3]。但是,由于坝壳料来源千差万别,级配及砂砾石母岩成分的差异,导致以上工程的研究成果没有相似性。随着越来越多的土石坝高坝的建设,为了保证土石坝的安全与稳定,针对筑坝材料的物理力学等工程特性的研究得到了业内人士的高度重视。

前坪水库是国家列入“十三五”规划172项重大水利工程项目之一,主坝坝型采用黏土心墙砂砾石坝,最大坝高90.3 m,坝长810.0 m。主坝坝壳砂砾石料927万m3,占填筑总量的76%。坝壳砂砾料往往是多级配的,其工程特性指标不能像防渗土料那样通过室内常规试验获得,并且料场具有典型地域性特点,其他工程的研究成果对本工程的借鉴作用有限。笔者以前坪水库西沟—鸭兰沟砂砾石料场[4]为例,通过大型压缩试验、三轴剪切试验和渗透试验等研究砂砾料的工程特性,为主坝工程设计和建设提供重要依据。

1　坝壳砂砾料试验级配与控制干密度

1.1试验级配

该砂砾料由北汝河河流冲洪积而成,层位稳定,物质组成以安山岩、安山玢岩、流纹岩、流纹斑岩等火成岩为主,磨圆度为次棱角状—次圆状,分选性较差,卵石间为砂质、泥质充填。根据大型颗粒分析的数据,计算出小于某粒径含量占总量的百分数。砂砾料试验级配曲线的上包线采用相应粒径对应级配的最大值,平均级配采用相应粒径对应级配的算术平均值,下包线采用相应粒径对应级配的最小值,相应试样编号分别为1、2、3。

采用等量替代法缩尺,将粒径大于60 mm的砂砾料直接等量替代到5～60 mm的粒组中,其缩尺后的试验级配如图1所示。

图1　坝壳砂砾料试验级配组成曲线

1.2控制干密度

砂砾料的控制干密度以相对密度0.75控制,对图1中不同代表性级配的砂砾料均进行了相对密度试验。最大干密度的测定采用振动压实法,最小干密度的测定采用倾注松填法。控制干密度及相对密度试验结果见表1。

表1　坝壳砂砾料相对密度试验结果 　g/cm3

2　坝壳砂砾料压缩特性

压缩试验在大型高压压缩仪上完成,试样直径为300 mm、高度为180 mm,最大垂直压力为10 MPa,

压缩试验和大型三轴压缩试验采用的制样控制干密度见表1。

试验时,根据试样级配及控制干密度称取试验用料,拌合均匀,分两层装入压缩容器,并分层夯实到要求的干密度。在施加第一级荷重后,向水槽中注水至满,试样自下向上饱和。垂直压力等级分为0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.6 MPa共6级,每一级加荷历时根据压缩变形稳定情况而定,一般为1 h,压缩变形量由4个呈90°分布的位移传感器测定,取其平均值。压缩试验结果见表2,平均级配的砂砾料孔隙比e与压力p的关系(e-p)曲线如图2所示。

表2和图2表明：在饱和和非饱和两种状态下,3种级配在相应干密度下的压缩系数av都小于0.1 MPa-1,均属低压缩性;各个压力段的压缩模量范围为33.0～149.0 MPa。堆石的压缩表现为瞬时变形,这可在试验过程中明显看出。在多级垂直压力下,压缩变形在很短的时间内达到稳定,而后期变形主要是粗颗粒克服摩擦阻力逐渐调整位置的过程,其变形量是相当微小的。

表2　压缩试验结果

图2　平均级配的砂砾料e-p曲线

3　坝壳砂砾料三轴压缩强度特性

3.1试验方法

试验所用仪器系SJ-70大型高压三轴仪,轴向最大出力为250 t,最大周围压力为7 MPa；试样直径300 mm,高度700 mm；试验方法为饱和固结排水剪(CD)和非饱和不固结不排水剪(UU)。

试样分5层制备,制样方法采用人工夯实法，试样饱和方法采用抽气饱和法。具体为:把制好的试样安装在仪器上,抽真空后,自下而上缓慢注入脱气水,当上管出水后停止抽气,用静水头继续饱和,直至从上管溢出的水中不含气泡为止。根据主坝的最大坝高,试验采用的周围压力σ3分别为0.4、0.6、0.8、1.2 MPa,剪切速度控制在1 mm/min。

3.2试验成果分析

三轴压缩试验得到砂砾料的应力-应变曲线如图3和图4所示,强度指标见表3和表4。

图3　　　　平均级配砂砾料非饱和不固结不排水剪 (UU)特征曲线 (ρd=2.02 g/cm3)

图4　　　　平均级配砂砾料饱和固结排水剪(CD)特征曲线 (ρd=2.02 g/cm3)

试样编号干密度/(g/cm3)总强度指标C/MPaϕ/(°)12.060.22440.022.020.14840.232.070.21540.3

表4　CD试验方法下的前坪坝料强度指标

粗粒土无凝聚力,只有摩擦角,表3中的线性强度指标C值可称为咬合力。从图3和图4中可以看出,在比较大的应力范围内,砂砾料的抗剪强度与法向应力之间的比例关系不是一个常数,它随应力的增加而降低,若用摩尔强度包线表示,则呈向下弯曲的曲线。所以,又提出非线性参数，即每一个摩尔圆均通过原点,得出内摩擦角φ值。这个φ值是指某一个σ3下的φ值,据此,表4给出了该砂砾料的非线性强度指标,其有效内摩擦角φ′采用如下的表达式:

φ′=φ0-Δφlg(σ3/Pa)。

式中:φ0为围压为一个大气压时的内摩擦角,(°); Δφ为随压力变化的内摩擦角,(°);σ3为周围压力,MPa;Pa为一个标准大气压。

在坝体有限元静力分析中,大多采用以E、B为参数的邓肯-张模型,模型表达式如下:

式中:Et为切线弹性模量,MPa;Ei为初始弹性模量,MPa;B为体变模量,MPa;σ3为周围压力,MPa;σ1为最大主应力,MPa;K为弹性模量系数;n为弹性模量指数;Kb为体积模量系数;m为体积模量指数;Pa为一个标准大气压力;Rf为破坏比;C、φ为土的抗剪强度指标。

分析图3和图4可知:该砂砾料非饱和不固结不排水剪和饱和固结排水剪的应力-应变关系基本呈应变硬化型,曲线形状比较接近双曲线,从体变曲线看无明显剪胀现象,应力、应变分析计算采用邓肯-张模型还是合适的。试验得到的邓肯-张模型参数见表5,模型的K值为400～620,干密度越大K值越大。施工时应注意碾压质量,提高坝体坝料的干密度,以减少沉降变形。

表5　邓肯-张模型参数

3.3颗粒破损率分析

为了定量地分析颗粒破碎的特征,需要采用一定的指标来度量颗粒破碎的具体变化数量。本文采用Marsal研究Mica Dam堆石料[5]时建议的指标描述颗粒破碎的程度。首先，计算各个粒组含量试验前后的差值ΔWk;然后,取所有正值ΔWk的和作为颗粒破碎率Bg,用百分数表示。计算公式为

Bg=∑ΔWk=∑(Wki-Wkf)。

式中:Wki为试验开始前某级配粒组含量;Wkf为试验后对应同一级配粒组的含量。

破碎率包括了制样过程和压力施加过程中的颗粒破碎,压缩试验和三轴压缩试验的破碎率见表6。

表6　颗粒破碎率统计 　%

由于该工程坝壳砂砾料所受应力较小,压缩试验过程中的破碎现象不明显,三轴压缩试验的颗粒破碎率超过了10%,颗粒破碎较为明显。颗粒级配越粗,颗粒破碎率越大,颗粒破碎越明显。考虑到压缩试验和三轴压缩试验的制样过程类似,制样过程中的破碎率应基本一致,然而三轴压缩试验过程中剪应力的施加使得颗粒进一步破碎,其试验过程中的破碎率高于压缩试验过程中的破碎率。

4　渗透稳定性

4.1试验方法

渗透及渗透稳定性试验在大型垂直渗透变形仪(直径为800 mm)中进行,筒身透明,可以直接观察试验过程中发生的现象,进出口和中间均设有测压管,用来量测试样实际承受的水头，渗流方向由下向上。

为保证试样的均匀性,制样时分两层均匀地将砂砾料装入仪器内击实,试样采用滴水饱和。试验过程中,分级施加水头,由小逐渐加大,每级水头维持时间一般在30～60 min。

试验过程中,每施加一级水头,在读取上、下游水头的同时,测量渗流量;并透过有机玻璃筒身观察试样沿壁及试样下游出口的渗流情况。

观察到如下现象之一，则渗透及渗透稳定试验结束:①渗流出口水色连续浑浊;②下游出口连续不断地带出细颗粒,并呈束状流出;③沿仪器壁观察到细颗粒在大空隙中不断跳动并带出;④水力比降J与渗透速度V的关系曲线的斜率明显偏离45°。

4.2试验结果

图5为渗透及渗透稳定试验水力比降与渗透速度(J-V)关系曲线,当3个试样的水力比降J分别为0.17、0.11、0.14时,渗流水变浑浊,出口有细颗粒跳动，发生了渗透变形现象。表7为前坪水库坝基坝料渗透及渗透稳定试验结果。

图5　坝壳砂砾料渗透试验J-V关系曲线

试样编号试样干密度/(g/cm3)破坏形式临界水力比降开始渗透变形J开始破坏前一级J完全水力破坏J破坏采用值(J+J破坏)/2渗透系数K20/(cm/s)12.06管涌0.170.300.560.430.74522.02管涌0.110.240.320.281.13032.07管涌0.140.140.280.212.050

5　结　语

本文通过试验代表性级配和控制干密度条件下的大型压缩试验、三轴压缩试验、渗透试验,研究了坝壳砂砾石料的工程特性,结论如下：

1)坝壳砂砾石料在控制干密度(相对密度0.75)条件下表现出良好的低压缩特性,饱和及非饱和状态下的压缩系数都小于0.1 MPa-1,各个压力段的压缩模量范围为33～149 MPa。

2)砂砾料非饱和不固结不排水剪和饱和固结排水剪的应力-应变关系基本呈应变硬化型,无明显剪胀现象,应力、应变分析计算适合采用邓肯-张模型。模型的K值为400～620,干密度越大K值越大。施工时应注意碾压质量,提高坝体坝料的干密度,以减少沉降变形。

3)饱和固结排水剪试验测得砂砾料的线性有效摩擦角φ为36.8°～39.4°,C为0.115～0.191 MPa,密度高时的强度指标较高。非饱和不固结不排水剪试验测得砂砾料的线性有效摩擦角φ为40.0°～40.3°,C为0.148～0.224 MPa。

4)三轴压缩试验的颗粒破碎率超过了10%,颗粒破碎较为明显。颗粒级配越粗,颗粒破碎率越大,颗粒破碎越明显。

5)坝壳砂砾料的级配宽度不大,细粒土含量低,各级配砂砾料渗透系数差异不大,均表现出强透水特性。坝壳砂砾石料排水性好,方便开挖,也有利于填筑后的坝体干燥。

6)坝壳砂砾料的渗透破坏形式为管涌破坏,临界水力比降为0.21～0.43.

[1]闫汝华.弱膨胀黏土质砂砾岩坝料的工程特性及应用研究[J].南水北调与水利科技,2008,6(4):96-98.

[2]冯业林,孙君实,刘强.糯扎渡心墙堆石坝防渗土料工程特性研究[J].水力发电,2005,31(5):43-45.

[3]张永辉,林万胜.黑泉水库混凝土面板砂砾石坝料特性[J].华北水利水电学院学报,2005,26(4):141-144.

[4]李永新,孙培欣.河南省前坪水库工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R].郑州:河南省水利勘测有限公司,2015.

[5]Marsai R J.Large scale testing of rockfill materials[J].Journal of Soils Mechanics and Foundation Engineering Division,ASCE,1967,93(SM2):27-43.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Study on the Engineering Characteristics of the Sand and Gravel Aggregate in the Dam Shell of Qianping Reservoir

LI Yongxin1, LU Qin2, SUN Peixin1

(1.Henan Hydraulic Engineering Investigation and Surveying Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China;2.Zhengzhou Municipal Engineering Survey and Design Institute, Zhengzhou 450018, China)

Taking the sand and gravel aggregate field of Xigou-Yalangou in Qianping Reservoir for an example, in the case of the representative gradations and control of dry density, the deformation, strength and permeability of the sand and gravel aggregate in the dam shell were analyzed by large compression test, triaxial compression test and penetration test. The experimental results showed that the sand and gravel aggregate had a low compressibility, its stress-strain relationship presented strain hardening under the conditions of the saturated consolidated drained shear and the non-saturated non-consolidated shear, the curve shape was close to a hyperbola, and no obvious shear dilation appeared. In triaxial compression test, the particle breakage was more obvious, the particle breakage rates were bigger when the particle graduations were lower, and the particle breakage was more obvious. The graduation width of the sand and gravel aggregate in the dam shell was not big, the permeation damage modes of the sand and gravel aggregate at every graduation level was piping failure, the difference of permeability coefficient was not obvious, and the sand and gravel aggregate presented strong permeable characteristics. Based on the experimental results, Duncan-Chang model and the physical and mechanical parameter indexes were proposed to analyze and calculate the stress-stain relationship of the dam, and the results would provide important

for the design and stability analysis of dam body, and could also provide some references for similar engineering in the local geological environment of igneous rock.

dam shell; sand and gravel aggregate; gradation; compression characteristics; triaxial compression test; permeability

2015-11-03

李永新(1970—),男,河南郑州人,高级工程师,主要从事工程地质勘察、岩土工程方面的研究。E-mail:13838528202@126.com。

鲁琴(1971—),女,河南郑州人,高级工程师,主要从事岩土工程勘察方面的研究。E-mail:1443883550@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.009

TV42+2;TU192

A

1002-5634(2016)01-0050-05

孙培欣(1966—),男,河南郑州人,高级工程师,主要从事水文地质与工程地质方面的研究。E-mail:979576787@qq.com。