张峰水库坝基粗粒类土工程地质特性研究

郝永刚

(山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024)

河床砂卵砾石层是水利水电大坝工程中常遇到的地层，一般具有物质组成差异大、厚度变化大、物理力学特性均匀性差等特点[1]。相比一般的细粒土及基岩来说，砂卵砾石层的物理力学特性研究更显复杂，常规的钻探方法很难取得原状样，根据岩芯难以直观分析。对于一些大型或重要的大坝工程来说，研究河床砂卵砾石层作为坝基成为勘察工作重要的内容，往往需要按不同的粒径取大量的砂卵砾石，送至室内按天然状态级配曲线及密度进行配样试验，获取砂卵砾石层相对密度、渗透变形、压缩变形、抗剪强度及动力试验等指标，为大坝渗流、固结、稳定及抗震计算提供必要的参数。这些砂卵砾石地层的大型粗粒土试验往往耗时费力费钱，很多中小型工程都是参考类似工程资料取其经验值。本文主要总结张峰水库大坝坝基砂砾卵石层原位及室内大型粗粒土试验资料，提出砂卵砾石层的主要物理力学参数，为大坝稳定计算提供参数，并可为类似工程参考使用。

1 工程地质概况

张峰水库枢纽工程位于沁河中上游干流，由拦河大坝、导流泄洪洞、溢洪道、供水发电洞等组成。拦河大坝为黏土斜心墙堆石，最大坝高66.1m，总库容3.89亿m3。入库径流多年平均4.15亿m3，枢纽工程等级为Ⅱ级。坝址区设计基本地震加速度值0.10g，抗震设防烈度为7度，地震动反应谱0.45s。

坝轴线处河谷宽约300m，其中河床及漫滩宽度60～120m，分布河床右岸。I级堆积阶地阶面宽100～250m，高出河床1～3m，分布在河床左岸。与河漫滩属同一侵蚀基准面，河床基岩侵蚀面埋深10～20m。两岸山体较雄厚，分布有Ⅱ、Ⅲ级基座阶地，自然坡度20°～40°。

坝址位于王必-大将平缓复式向斜构造南端，构造形迹主要表现为几个宽缓的背斜、向斜，区内岩层呈舒缓波状，倾角一般小于10°。坝线处地下水位基本同河水位。

清除表层全新统表层低液限粉土后，坝基置于全新统下部粗粒土层。为研究坝基粗、巨粒类土层工程特性，结合工程布置，进行了全面的试验研究工作。

2 坝基粗粒类土物理特性

2.1 现场试验

对坝基地下水位以上粗粒土做原位物性指标测试，其天然含水率6%～8%；天然密度2.29～2.46g/cm3，平均值2.37g/cm3，干密度2.16～2.27g/cm3，平均值2.20g/cm3。钻孔圆锥动力触探试验修正后的平均值N63.5=19.3击。据现场多孔抽水试验资料，粗粒土渗透系数K=10m/d，属强透水等级[3]。在坝基粗粒中布置竖井取样，进行大型筛分试验，见表1。

表1 粗粒土现场筛分试验统计

考虑坝基粗粒土层垂向上分布不均，且主要以为卵石混合土、漂石混合土为主，局部夹级配良好砾。分别取级配良好砾、卵石混合土、漂石混合土及漂卵石混合土颗分资料进行级配曲线绘制，绘制包线并取其平均线后各粗粒土天然级配情况见表2，其颗分曲线如图1所示。天然状态下，4种土1～3mm粒径相对缺失，级配良好砾中小于0.5mm的颗粒含量小。将其作为室内试验颗分配样依据。制样干密度(ρd)依据现场试验及地层分布特征综合考虑提供，其中级配良好砾取2.18g/cm3，卵石混合土取2.23g/cm3，漂石混合土取2.19g/cm3、漂卵石混合土取2.21g/cm3。

表2 坝基粗粒土天然级配

2.2 粗粒土室内试验制样

将坝基粗粒土按60～40、40～20、20～10、10～5mm，<5mm等粒径分别取样包装送至试验室，按天然级配情况(见表2)及现场测试干密度采用等量代替法[4]进行配样及试验。配样后级配见表3。

表3 坝基粗粒土按等量代替法配样试验级配

图1 坝基粗粒土天然级配曲线

2.3 粗粒土比重试验

因试样模拟级配中粒径大于20mm的颗粒含量均超过10%，按要求对粒径大于5mm的颗粒比重采用虹吸筒法，小于5mm的颗粒比重采用比重瓶法。按其所占的颗粒百分含量取其加权平均值，见表4。

表4 比重试验成果

2.4 坝基粗粒土相对密度

相对密度是指最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值。最大孔隙比采用装填法测定，最小孔隙比采用振密法测定。天然孔隙比通过制样干密度及颗粒比重计算求得。坝基粗粒土相对密度试验结果见表5。天然状态下卵石混合土孔隙比相对较小。

表5 坝基粗粒土相对密度试验结果

2.5 粗粒土渗透及管涌试验

测定坝基粗粒土渗透系数及管涌变形破坏下的临界坡降、破坏坡降，为坝基渗漏及渗流稳定计算提供基本参数。粗粒土渗透系数及管涌破坏各参数成果见表6。临界坡降与渗透系数呈正相关关系。

对于无黏性土，不均匀系数cu大于5，细颗粒含量小于25%时，渗透变形类型为管涌，其临界坡降可采用表7中公式进行计算[3]。坝基粗粒土为无黏性土，不均系系数为27.5～270.4，细粒颗粒含量Pc=18%～24%，确定渗透变形类型为管涌。采用管涌或过渡型公式计算临界坡降为0.13～0.80，其中对于漂、卵石混合土计算值小于试验值，对于级配不良砾计算值稍大于试验值。采用管涌型公式计算临界坡降为1.38～6.40。可看出采用管涌型公式计算值与试验值差别较大。可看出临界坡降管涌型计算公式并不适用于所有土类[5]。

表6 坝基粗粒土渗透系数及管涌破坏变形成果

3 坝基粗粒土力学特性

采用前述方法进行配样后，对坝基漂石混合土、卵石混合土及级配良好砾进行了固结试验、静三轴试验及动三轴试验。

3.1 坝基粗粒土固结试验

对坝基粗粒土饱和状状下进行了固结试验，查明粗粒土在各级压力下压缩性能，及不同孔隙比时的渗透性能，并推算了粗粒土变形模量(见表8)。绘制了粗粒土压缩曲线(P-e)(如图2所示)及渗透系数与孔隙比(K-e)关系数曲线(如图3所示)。坝基级配不良砾、卵石混合土、漂石混合土其压缩系数较小，均为低压缩性土，压缩模量较大，随压力增大孔隙比变幅不大。在各级压力作用下，渗透系数在同一数量级范围内变化，坝基粗粒土压缩性对渗透系数影响较小。

表7 依据公式进行渗透变形判别成果

表8 坝基粗粒土固结试验成果

图2 坝基粗粒土P- e压缩曲线

图3 坝基粗粒土K- e关系曲线

3.2 粗粒土三轴压缩试验

对坝基粗料土进行了高压静三轴的固结排水剪(CD)，通过不同周围压力下的固结排水剪切试验得到相应的应力、应变、体变及回弹曲线。分别按库伦强度参数、幂函数强度参数、非线型模型参数(E-μ、E-B模型)3种方法确定抗剪度[6]。成果分别见表9—12。坝基不同级配曲线的粗粒土三轴抗剪强度相差较小。综合考虑，坝基粗粒土饱和状态固结排水剪(CD)抗剪强度建议值c=0kPa，ψ=35.0°

3.3 坝基粗粒土大型三轴动力试验

坝基粗粒土按表3配制级配不良砾(JPL)和漂卵石混合土(PLT)做了饱和状态下的大型动三轴试验。试验的动强度以轴向应变为5%作为破坏标准[4]。

表9 坝基粗粒土固结排水剪(CD)库伦强度参数

表10 坝基粗粒土固结排水剪(CD)强度幂函数参数

表11 坝基粗粒土固结排水剪(CD)强度E- u模型参数总表

表12 坝基粗粒土固结排水剪(CD)强度E- B模型参数总表

表13 不同测压下振次Nf=10、20、30时动应力比值及动强度指标

3.3.1动应力比值与振次的关系

粗粒土饱和状态在动力作用下的破坏强度特征指标的确定，采用固结侧压力分别为200、600、1000、1600kPa，固结比Kc=1.5时，动强度试验整理得到的动应力比值(σd/2σ3)与振次(Nf)的关系曲线，二者在双对数坐标上可以表示成为直线关系，取其截距(A)和斜率(B)，二者关系可用下式表示：

(1)

其动应力比值与振次的关系及参数见表13。动应力比值随振次的增加而降低。当A、B2个参数确定后，就可求得任一振次下的动应力比值。

3.3.2动强度指标

根据动应力比值整理的动莫尔圆强度包线求得，动强度特征指标见表13。就强度指标内摩擦角φd而言，漂卵石混合土稍高于级配良好砾。

3.3.3孔隙水压力

试验表明，当固结比Kc=1.5时，轴向应变达到破坏标准(5%)时，孔隙水压力达到固结侧向压力的80%。在固结比Kc=1.5时、不同固结压力下孔隙水压力的产生和变化规律可用u/σ3～N/Nf关系表示，Nf表示在不排水条件下达到预定破坏标准时的振次，N表示任一等效均匀应力的振次，u/σ3为相应振次的孔压比。二者可用下式表示：

u/σ3=-(N/Nf)m+q(N/Nf)

(2)

式中，m、q—拟合参数，见表14。

表14 破坏孔压比及孔隙水力压力参数

3.3.4最大动剪模量

(3)

式中，Pa—大气压力；k—试验常数，为直线在纵轴上的截距；n—试验常数，为直线的斜率。

表15 破坏孔压比及孔隙水力压力参数

3.3.5动剪模量比和阻尼比与动剪应变的关系

由动应变(εd)可求得动剪应变γd=εd(1+μ)。将达到的不同动剪应变下的动剪模量比值Gd/Gdmax和动剪应变γd的关系在半对数坐标上绘出，以Hardin经验公式的形式对Gd/Gdmax-γd关系曲线进行拟合得出关系式：

Gd/Gdmax=1/(1+γd/w)

(4)

式中，w—拟合参数。

不同应变下的阻尼比可由下式计算：

λd=A/4πAt

(5)

表16 不同动剪应变时动剪模量比、阻尼比值

式中，A—三轴动力试验所得到滞回圈的面积，cm2；At—三角形的面积，cm2。

将阻尼比λd与动剪应变γd的关系在半对数坐标上绘出曲线，用Hardin经验公式的形式对λd～γd关系曲线进行拟合得出关系式：

λd=aγd/b/(1+γd/b)

(6)

式中，a、b—拟合参数。

不同动剪应变下的动剪模量比值Gd/Gdmax和动剪应变γd试验值、拟合参数见表16。动剪模量和阻尼比随剪应变的增大而变化，表明粗粒土具有的非线性性质。

4 结语

坝基粗粒类土岩性以卵石混合石、漂石混合土为主，局部为级配良好砾，天然状态下相对密度0.80～0.83，三种土力学性质差别小。其各项指标均可满足粗粒土作为填筑料质量要求【7】。坝基粗粒土具强透水性，存在渗漏及渗透变形问题。坝基设截水槽后，可作为坝基持力层。临界坡降管涌型计算公式对粗粒类土并不适用。

坝基粗粒土固结试验表明其压缩系数较小，为低压缩性土，压缩模量较大，随压力增大孔隙比变幅不大；粗粒土破坏强度随着固结应力的增大而逐渐增大，强度指标与颗粒级配关系不大，分析与卵砾石成分有一定关系。粗粒土动三轴试验得到动应力比值与振次的关系、动强度指标、孔压比与振次关系以及动剪模量和阻尼比关系，并计算出所需参数，可满足抗震稳定计算要求。坝基粗粒土试验成果资料为类似工程提供了参考。