煤窑沟水库坝壳料特性试验研究

李针龙

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000）

0 前言

煤窑沟水库是新疆吐鲁番市煤窑沟河上的一座拦河式小（一）型水库，坝型为混凝土面板堆砂砾石坝，采用全库盘复合土工膜防渗。大坝呈“U”型，坝轴线长度为3120 m，最大坝高44.8 m，坝体结构自上游向下游依次为混凝土面板、过渡区、垫层区和砂砾石坝体，前后坝坡坡比均为1∶1.6。坝体填筑总量为160万m3，为了解坝壳料的物理、力学特性、渗透特性，须对大坝筑坝坝壳料进行试验分析。

1 试验材料特性及制备

1.1 材料特性

坝壳料C4料场卵砾石成份主要为砂岩、砾岩、凝灰岩、花岗岩等，该料场岩性分布稳定，有用层储量为340万m3。要求坝壳料Dmax≤500mm，含泥量＜8%，渗透系数≥10-2cm/s～10-3cm/s，填筑要求Dr≥0.80，填筑层厚度80cm。C4料场级配情况与同类工程对比见图1，可以看出坝壳料级配情况较好，考虑采用平均线进行试验。

图1 煤窑沟水库坝壳料场平均线与同类工程对照表

1.2 试料制备

粗粒土的试样制备按《土工试验规程》SL237-053-1999方法进行。根据坝料填筑要求，坝壳料试验级配曲线通过对C4料场砂砾料原级配进行超粒径处理，处理后40 mm～60 mm含量为16.3%，20 mm～40 mm含量为25.6%，10 cm～20 cm含量为18.9%，5 cm～10 cm含量为15.5%，小于5 mm含量为23.7%。

2 试验内容

对煤窑沟水库工程筑坝坝壳料进行常规大三轴试验。以便进行坝体稳定和变形计算工作，试验结果应满足邓肯E～μ、E～B模型参数要求。筑坝坝壳料试验研究主要内容包括以下几个方面:

1）常规物理试验，包括坝壳砂砾料的最大干密度、最小干密度、压缩、渗透及比重试验。

2）筑坝材料静力三轴试验，包括坝壳砂砾料静三轴固结排水剪切试验，提供E～B和E～μ模型参数。

3 试验方法及结果分析

3.1 相对密度试验

坝壳料进行了两次平行试验。试验采用风干土料，试样筒尺寸为φ300 mm×360 mm。最小干密度试验采用固定体积法，试验按《土工试验规程》SL237-054-1999方法进行；最大干密度试验采用振动击实法，以模拟堆石坝现场施工振动碾振动压实，试验采用粗粒料相对密度仪，试样顶部静载14 kPa，振动频率为20 Hz，振动历时8 min，最大干密度2.32 g/m3，最小干密度1.91 g/m3，试验干密度2.25 g/m3。

3.2 三轴压缩试验

3.2.1 试验仪器及试验方法

采用粗粒土三轴仪进行静三轴试验。对C4料场坝壳料进行饱和状态下的固结排水试验，试验方法及参数整理均按《土工试验规程》SL237-060-1999方法进行。大型三轴试验试样尺寸为φ300mm×600mm，每组试料四个围压，最大围压为800kPa。按试验控制干密度进行装样，试样分6层装入成型筒内，每层厚度10 cm，用振捣器夯实。试样饱和采用顶部抽气，试样内形成负压，测计进水量管水位读数后，打开进水阀。试样在负压作用下，水由下而上逐渐饱和试样。待试样上部出水后，停止抽气，用水头饱和法进行饱和，直至进出水量平衡时，认为试样完全饱和，方可进行剪切试验。试样饱和完成后关闭排水阀，施加围压，记录孔隙水压力变化情况，孔压稳定后，打开排水阀进行固结，记录排水管体积随时间的变化，试验中固结时间1 h～1.5 h基本固结稳定，记录固结排水量及固结下沉量。然后进行剪切试验，剪切速率为1.0 mm/min。剪切过程中记录试验轴向荷载（采用500 kN压力传感器进行量测），轴向变形（采用10 cm百分表量测）、剪切排水量（采用量筒量测），直至试验破坏。破坏点的确定方法为:当应力应变关系曲线有峰值时，取峰值点为破坏点；当应力应变关系曲线无峰值时，则取应变15%所对应的点为破坏点。

3.2.2 试验成果

试验得到试样的主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1及体应变εv与ε1之间关系试验结果分别见图2、图3，试样在不同应力条件下的摩尔圆及强度包线，见图4。

图2 主应力差与轴向应变关系曲线（饱和CD）

图3 体应变与轴向应变关系曲线

图4 固结排水剪总应力强度包线

根据摩尔-库伦强度定律，四组破坏应力圆的公切线即为土的抗剪强度线，可以得到线性强度指标。然而根据粗粒土三轴试验结果表明，在压力较大的应力范围内，无粘性土的强度和法向应力的关系并不是一个常数，而是随着围压的增大而有所降低的，材料强度包线表现出明显的非线性特征，为准确表达坝料在不同应力条件下的φ值，采用如下公式进行计算，计算结果见表1。

式中:φ为某应力圆切线与横坐标的夹角；φ0压力为一个大气压时的内摩擦角某应力，为试验值；Δφ为试验值；σ3为周围压力；Pa为标准大气压。

表1 三轴试验（排水剪）强度指标

坝壳料饱和状态下三轴试验E～μ模型参数见表2，E～B模型参数见表3。

表2 E～μ模型参数（固结排水剪）参数表

表3 E～B模型参数（固结排水剪）参数表

3.2.3 试验结果修正

整理试验结果得到邓肯E～μ双曲线模型参数K、n、Rf、C、φ、G、F、D，将模型参数代入 E～μ 双曲线理论公式，可得到主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1理论关系曲线及体应变εv与轴向应变ε1理论关系曲线，通过对比发现理论关系曲线与试验关系曲线偏离较大，因此须对模型参数进行修正。

具体方法是以试验曲线为真值，通过微调模型参数使理论曲线逐渐逼近试验曲线，二者拟合较好时所对应的一组模型参数即为修正模型参数，并将试验结果与近期试验室做的同类工程进行比较，见表4。可以看出煤窑沟水库坝料修正后E～μ模型参数（固结排水剪）与同类工程比较相似，试验结果是可信的。

表4 同类工程坝壳料E～μ模型参数（固结排水剪）对照表

修正后E～μ模型主应力差与轴向应变关系曲线及体应变与轴向应变关系曲线见图5、图6。

图5 修正后E～μ模型主应力差与轴向应变关系曲线（C4料场）

图6 修正后E～μ模型体应变与轴向应变关系曲线（C4料场）

将模型参数中 K、n、Rf、φ0、Δφ 代入 E～B双曲线模型中，同样可得到理论主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1关系曲线，同时将参数中Kb、m代入理论公式计算出相应的体应变εv，将试验曲线与理论曲线进行对比，并对上述试验参数进行修正，得到修正后E～B模型参数（固结排水剪）参数，并将试验结果与同类工程进行比较，见表5。可以看出煤窑沟水库坝料修正后E～B模型参数（固结排水剪）与同类工程比较相似，试验结果是可信的。

表5 同类工程E～B模型参数（固结排水剪）对照表

修正后主应力差与轴向应变关系曲线及体应变与轴向应变关系曲线，见图7、图8。

图7 修正后E～B模型应力差与轴向应变关系曲（C4料场）

图8 修正后E～B模型体应变与轴向应变关系曲线（C4料场）

3.3 比重及压缩试验

小于5 mm细粒土的比重采用比重瓶法测定，大于5 mm粗粒土采用虹吸筒法测定，试验比重为2.74。压缩试验仪器采用粗粒土压缩仪，压缩仪容器的直径为500 mm，高为400 mm，最大垂直压力为2.0 MPa。压缩试验结果显示，在100 kPa～200 kPa范围内，煤窑沟水库C4料场坝壳料干燥状态下压缩系数为0.007 MPa-1，压缩模量为186.1 MPa，饱和状态下压缩系数为0.007 MPa-1，压缩模量为 174.7 MPa。

3.4 渗透试验

试验设备采用直径30 cm垂直渗透仪，从底部先使试样饱和并排气，保持水头不变，出水30 min后开始记录，按体积法测定渗透流量3次，改变水头后重复上述试验，计算得出平均渗透系数1.85×10-2cm/s。渗透实验成果表明所选用的坝壳料均具有自由排水性能，满足填筑堆石坝体的有求。

4 结论

1）煤窑沟水库坝壳料场（C4料场）试料经过超径处理后最大干密度为2.32 g/cm3，最小干密度为1.91 g/cm3，相对密度控制在0.85，对应干密度为2.25 g/cm3。

2）通过对试验参数进行修正，可看出煤窑沟水库坝料修正后与同类工程比较相似，试验结果是可信的，E～μ、E～B试验参数满足大坝应力应变计算要求。

3）在100 kPa～200 kPa范围内，可看出C4料场坝壳料浸水饱和后压缩性变化不大。

4）从渗透试验成果可以看出:C4料场坝壳料渗透系数在10-2cm/s数量级以上，可以满足自由排水要求。