面板堆石坝软质砂岩主堆料工程特性研究

马栋和，丛中方，隋伟，刘锦程

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春130061；3.山东文登抽水蓄能有限公司，山东威海266440；4.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江牡丹江157005）

面板堆石坝软质砂岩主堆料工程特性研究

马栋和1，2，丛中方3，隋伟1，2，刘锦程4

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春130061；3.山东文登抽水蓄能有限公司，山东威海266440；4.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江牡丹江157005）

软岩料筑坝与传统硬岩料筑坝存在较大的工程差异性，通过室内物理力学试验，对软质砂岩筑坝料的级配、压实性、渗透性、压缩性、强度及应力应变特性进行了测试分析，成果对于软岩堆石坝的设计与施工具有重要的指导意义。

软质砂岩；面板；堆石坝；渗透性；压缩性

0 引言

岩石软硬程度的划分可依据GB50021-2001《岩土工程勘察规范》，以饱和单轴抗压强度为30 MPa作为软硬岩的分界限。与传统的硬岩堆石料相比，软岩堆石料具有压缩模量大，颗粒易细化，压实后孔隙率低，竖向渗透系数小，以及沉降期控制不同等特点。基于上述原因，对软质砂岩筑坝料的各项物理力学特性进行全面测试分析，并对其筑坝适用性进行探讨，成果对于软质砂岩堆石坝的设计与施工均具有重要的指导意义。

1 级配特征

软质砂岩料级爆破开采后的级配特征与经上坝碾压后的级配特征差异较大，这是由于软岩料的抗压强度低，受到振动碾压及洒水湿化等作用，出现颗粒破碎，进而在碾压层表面产生泥化板结现象。对爆破开采后的主堆石料进行了取样筛分，级配曲线如图1所示，碾压前试验料级配组成：小于5 mm含量平均为14.3%，小于0.075 mm含量平均为1.4%，不均匀系数Cu为66，曲率系数Cc值为2.8，其级配良好。碾压后颗粒较碾压前出现了明显的细化，小于5 mm颗粒含量增加至17.3%，小于0.075 mm含量增加至5.3%。

图1 碾压前、后主堆料级配特征

2 压实性

主堆石料碾压采用料场爆破合格料，经反铲均匀装车，用20 t运输汽车装运到坝区，反铲装车过程中剔除了大于800 mm粒径的石块。碾压设备使用25 t自行式振动平碾，工作质量为25 t，碾宽2.12 m，振动频率为28/32 Hz，振幅为2.1/1.1 mm，激振力为430/280 kN；碾压时行进速度为2.0 km/h。碾压结束后，按照SL237-041-1999《土工试验规程》要求采用灌水法进行现场密度检测。检测干密度及孔隙率见表1所示，所用软质砂岩料级配较好，铺料96.5 cm。其中，虚铺厚96.5 cm，碾压后控制在80 cm，洒水碾压后，可达到较高的密度。压实后干密度大于2.07 g/cm3，压实后孔隙率为18.77%～20.83%。

表1 干密度及孔隙率

3 渗透性

3.1 垂直渗透性

垂直渗透性检测采用粗粒土垂直渗透变形仪，仪器筒身直径为50 cm。根据规范要求仪器的内径应大于试样粒径d85的5倍进行制样。并按式（1）—（3）计算垂向渗透系数：

式中：kT——渗透系数，cm/s；v——渗透流速，cm/s；i——渗透坡降。

式中：Q——渗流量，cm3/s；A——试样面积，cm2。

式中：△H——测压管水头，cm；L——与水头差△H相应的渗径长度，cm。

测得竖向渗透系数如图2所示，软岩料的渗透性取决于干密度及细粒（小于5 mm）含量。由于压实后的软岩料颗粒破碎剧烈，细粒含量增多，填筑层上部出现板结层，故竖向渗透系数一般都较小，达到A×10-4cm/s。

图2 软质砂岩堆石料渗透i～v关系曲线（竖向）

3.2 水平向渗透

水平向渗透性能测试采用自行研制的粗粒土水平渗透仪，结果如图3所示，主堆石水平渗透系数为A×10-1cm/s，远大于其竖直方向渗透系数，水平方向满足自由排水的要求。

图3 主堆料i～v关系曲线（水平）

4 压缩性

软岩堆石料的压缩性质与硬岩堆石料存在较大差异。硬岩堆石料的颗粒基本上为“单体”结构，其压缩变形取决于颗粒的重新排列，在竖向压力的作用下，单体颗粒发生相对移动、重新排列并互相挤密。因此，压缩变形量的大小与颗粒间的摩擦阻力有关，级配好、颗粒坚硬，颗粒间所受到的摩擦阻力愈大，压缩变形就愈小。软岩料的压缩性与母岩抗压强度、初始颗粒级配、密度和含水率大小有关。室内压缩试验结果（见表2），表明软质砂岩料压缩模量属中等，32.7～62.8 MPa，与硬岩堆石料的压缩模量相比较明显偏低。e～p曲线表现为曲线光滑、无突变，说明软质砂岩料在垂直压力作用下逐渐破碎，其压缩变形逐渐增加，在试验垂直压力范围内（p≤3.2 MPa）不会发生突然沉降变形。

5 强度及应力应变特性

对软质砂岩料进行大型三轴剪切试验，采用水头法对试样进行饱和，然后按要求施加围压对试样进行固结，固结稳定后，进行试样的剪切。剪切过程中，由计算机采集试样的轴向荷载、轴向变形、排水量，并同步绘制应力—应变曲线，直至试样破坏或至试样轴向应变的15%。当应力-应变曲线有峰值时，以峰值点为破坏点，峰值点所对应的主应力差为该料的破坏强度；反之，则取轴向应变的15%所对应的点为破坏点，对应的主应力差为该堆石料的破坏强度。整理出的试验材料抗剪强度和邓肯模型参数（E-μ，E-B模型）见表3。

表2 不同高程筑坝料压缩模量

表3 软质砂岩主堆料E-μ、E-B模型参数

6 结论

1）软质砂岩料经填筑碾压后，级配细化，出现颗粒破碎，细颗粒（小于5 mm）含量增加，较碾压前的级配(小于5 mm含量平均为14.3%，小于0.075 mm含量平均为1.4%)小于5mm颗粒含量增加至17.3%，小于0.075 mm含量增加至5.3%，且碾压层表面产生板结现象。

2）软质砂岩料级配较好，铺料96.5 cm（虚铺厚96.5 cm，碾压后控制在80 cm）洒水碾压后，可达到较高的密度。压实后干密度大于2.07 g/cm3，压实后孔隙率18.77%～20.83%。

3）软质砂岩单轴饱和抗压强度小于30 MPa，选用此类岩石作为面板堆石坝主堆料时，由于软质砂岩饱和抗压强度低，分层加水碾压后表层易形成板结，致使主堆区竖向渗透系数偏小为A× 10-4cm/s，不能较好的满足排水要求。主堆料分层碾压后，板结层下部堆石区渗透系数远大于竖直方向渗透系数。通过自行研制的粗粒土水平渗透仪对其渗透性能进行检测，水平向渗透系数为A× 10-1cm/s。

4）软质砂岩料e～p曲线表现为曲线光滑、无突变，说明软质砂岩料在垂直压力作用下的压缩变形是随压力增大而逐渐破碎的，在试验垂直压力范围内（p≤3.2 MPa），不会发生突然沉降变形。

5）三轴试验结果显示，应力应变曲线具有非线性、压硬性和弹塑性等一般规律，应力应变关系曲线基本符合邓肯-张模型曲线，为典型的软岩料。

［1］邢皓枫，龚晓南，傅海峰，王正宏.混凝土面板堆石坝软岩料填筑技术研究［J］.岩土工程学报，2004，26（2）：235-238.

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2016-07-25