某水电站坝址区河床覆盖层物理力学特性及其参数取值分析

2021-02-14李树武

水力发电 2021年11期

李树武，鲁博，张林

(1.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，陕西西安 710065；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710061)

0 引言

一直以来，水利水电工程建设前期都需要进行大量的地质调查与地质评价，其中针对工程区岩土体物理力学特性进行汇总分析是地质研究的关键，是为工程区提供设计方案的依据。地质勘察多利用钻探确定不同岩层深度及类型，再通过室内试验和原位试验初步确定各层岩体的物理力学参数，这样得到的参数是否可以以点概面，即如何保证各层岩土体物理力学参数的合理性，是当下研究的热点之一。目前，在综合考虑多因素、多方法取得各岩层物理力学参数值方面，国内众多学者做了大量的研究工作，靳锴、唐鸣发[1]以西南某巨型水电站为例，介绍岩体物理力学试验的方法及岩体物理力学参数选取原则。李鹏、焦振华[2]针对不同变异性的物理力学参数进行分析，提出数据统计时需采用不同的方法。对水利水电工程地质参数取值存在的问题也有工程界学者[3-5]进行探究。考虑研究区域地形地貌及水文条件，寻找各物理力学参数的相关性并建立它们之间的关系，可为具体工程物理力学参数的选取提供便利，同时也可对各参数选取的合理性进行校正，有关学者[6-7]也对此展开了研究。

综上，水利水电工程地质勘察中对各岩层物理力学参数的获取和选择是具有差异的，采取的方法是不同的，但都应从实际水文地质条件、工程应用及土性变化情况出发，多角度对比分析，最终选取合理的参数，为工程设计提供可靠依据。本文以四川大渡河某水电站工程坝址勘察为背景，统计了坝址河床覆盖层物理力学参数，从试验方法和合理性2个方面探讨了物理力学参数取值的方法，对工程区的地质条件进行了初步判断。

1 工程概况

四川大渡河某水电站坝址位于四川省金川县城以北约12 km、大渡河右岸支流新扎沟汇合口以上长约1 km的河段上。该工程坝址区河床覆盖层平均厚度约47.27 m，最大厚度可达65 m，主要由含漂石砂卵砾石、砂卵砾石及少量细砂透镜体组成。为全面、系统地研究坝址河床覆盖层工程地质特性，进行了大量细致的勘探、试验及分析研究工作。河床覆盖层的勘探、试验平面布置见图1。

图1 坝址区河床覆盖层试验钻孔分布

2 河床覆盖层工程特性

为了解河床覆盖层的物理力学性质，共对35组钻孔样进行了物性试验，根据覆盖层的物质组成(颗粒粒度)、层位分布、成因类型及工程特性，将河床覆盖层分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3大岩组。根据河床覆盖层的室内试验、原位测试试验及相关科研成果，统计各岩组的物理力学参数，为参数取值及分析提供基础数据。

2.1 覆盖层物理特性成果统计

根据河床覆盖层岩组划分情况，通过对河床覆盖层颗粒分析试验结果总结，获得河床覆盖层各岩组的颗粒最终统计结果，见表1。各岩组颗粒级配累计曲线见图2。

表1 坝址河床覆盖层各岩组颗粒分析结果 %

图2 河床覆盖层各岩组的颗粒级配累计曲线

通过颗粒级配累计曲线可获得覆盖层各岩组的级配特征或粒度成分的相关指标，统计结果见表2。根据河床覆盖层各岩组的颗分试验结果，应用Cu和Cc对土的均匀性进行判别。通过河床覆盖层的级配特征或粒度成分相关指标可以判定，河床覆盖层Ⅰ、Ⅲ岩组的颗粒级配不良，属巨粒混合土；Ⅱ岩组的颗粒级配良好，颗粒略细，为含细粒土砾。

表2 坝址河床覆盖层各岩组颗粒级配定量指标

表征土的物理性质的指标很多，其中最基本的物理性质指标有土的比重Gs、含水量w和密度ρ，这3个指标一般可由室内土工试验直接测定，其他物理指标可以通过这3个基本指标换算获得。试验成果统计见表3。由于钻孔试样改变了土的天然状态，所以无法通过室内试验获取土的天然密度、干密度、孔隙比、含水率等指标。针对坝基覆盖层Ⅲ岩组专门进行了30组物理性试验，成果统计见表4。

表3 坝基覆盖层各岩组物理性质试验成果

表4 坝基覆盖层Ⅲ岩组物理性质试验成果

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ岩组从颗粒级配组成上看同属粗粒土，而粗粒土的密实程度是粗粒土的物理性质研究的一项重要内容。通过对粗粒土的密实程度的研究，不仅可以了解其物理状态，还能初步判定其一些工程特性。根据河床覆盖层粗粒土各岩组的颗粒特征(土类型)，结合粗粒土各岩组的已有试验资料，对河床覆盖层粗粒土各岩组采用指标法和原位测试法判断各岩组的密实度。

(1)物理指标法。根据GB 50123—2019《土工试验方法标准》[8]中粗粒土的相对密实度可以评判其密实度，相对密实度与碎石土密实度的关系见表5。为此，对坝址区3个岩组含砂层钻孔样进行了11组相对密度试验，试验前先通过5 mm筛进行筛分，室内试验得到各岩组密实度统计结果为：各岩组的相对密实度在0.7～0.9范围内，整体呈密实状态。

表5 相对密实度与碎石土密实度的关系

(2)原位测试法。由于河床覆盖层含大量漂石、卵石，采用GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》[9]中超重型动力触探N120进行原位测试。触探击数N120与碎石土密实度的关系见表6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层重型动力触探杆长校正击数N120为8.05～9.35，整体呈中密状态。

表6 触探击数N120与碎石土密实度的关系

2.2 覆盖层力学特性成果统计

为研究河床覆盖层的力学性质，在坝址河床覆盖层进行了一系列室内土工试验和原位测试试验，不仅为研究河床覆盖层的力学性质提供准确可靠的试验测试资料，而且通过这些试验测试资料能够获得准确可靠的力学指标，为水电站设计的经济合理性提供可靠的地质参数。限于篇幅，以下仅对Ⅲ岩组的力学参数进行统计。

2.2.1 力学特性试验

Ⅲ岩组室内力学试验成果见表7。压缩系数av(0.1～0.2 MPa)均值为0.01 MPa-1，压缩模量Es均值为147.03 MPa，属低压缩性土；临界坡降均值为0.22，破坏坡降均值为0.49，渗透系数均值为2.32×10-1cm/s，呈管涌破坏，属强透水性土层；内摩擦角均值为41.5，粘聚力均值为83 kPa。总体认为，作为坝基的Ⅲ岩组具有低压缩、强透水的特点。采用大型高压三轴试验机对Ⅲ岩组砂卵砾石进行剪切试验，与室内力学试验条件相同，施加围压0.80～2.40 MPa。三轴剪切试验成果见表8。

表7 坝基覆盖层Ⅲ岩组室内力学特性试验成果

表8 坝基覆盖层Ⅲ岩组三轴剪切试验成果

2.2.2 原位测试力学特性试验

针对Ⅲ岩组在工程现场进行了大型荷载试验、大型剪切试验、管涌试验，试验成果见表9。坝址区覆盖层主要为漂卵石、含卵砂石、砂石层与砂层，钻孔地震纵横波测试成果统计见表10。由于跨孔地震波测试是在下有套管的孔中进行的，再加上地震波要穿透3～5 m距离，因此地震波数据是地层的综合反映，对覆盖层的细节反映不灵敏。

表9 坝基覆盖层Ⅲ岩组现场大型力学性质试验成果

表10 钻孔地震纵横波测试成果

3 河床覆盖层物理力学参数取值分析

3.1 试验方法对物理力学参数取值的影响

前文统计了室内、现场测试试验的物理力学参数，而很多参数是由不同的试验方法得到，试验方法对这些参数是如何影响的是参数取值的关键问题。选取河床覆盖层部分物理力学参数进行探讨，以便为后期参数的取值提供参考。

(1)试验方法对各岩组密实度的影响。从本文采用的物理指标和原位测试2种方法对土层密实度的分析结果发现，指标法分析成果普遍高于原位测试法。这主要是由于指标法室内试验的局限性造成的，室内密实度试验无论采用锤击法还是振动法都对试样中的粗大颗粒剔除，使土粒排列更为紧密。相比而言，原位测试法分析成果更能反应土体赋存的真实状态。

(2)试验方法对Ⅲ岩组强度参数的影响。为了获取Ⅲ岩组的强度参数，分别进行了直剪和三轴剪试验，获得的抗剪强度参数值c、φ存在差异，内摩擦角值基本接近，均值分别为41.5°、45.21°；粘聚力差别大，均值分别为83、12.7 kPa。三轴剪切试验考虑了周围压力、土体的真实破坏状态，因此试验结果更可靠。

(3)试验方法对各岩组渗透系数的影响。对比室内与现场原位测试结果，室内渗水试验结果偏大，是现场原位测试结果的10～100倍。这种巨大的差异主要是因为室内试验没有完全模拟现场情况，如土颗粒级配、土体内部结构、尺寸效应、温度变化等因素，本文研究的土类为粗颗粒土，渗水路径很重要，现场原位测试能够较好地贴近实际情况。

3.2 力学参数取值合理性分析

通过试验方法得到的参数不一定完全满足工程需要，若试验结果差异很大，往往需要以实际地质条件，客观地对试验成果论证后选取力学参数。本文根据河床覆盖层的力学试验成果，依据相关规范和手册，结合河床覆盖层各岩组的性状特征，对河床覆盖层各岩组的力学参数取值从水力特征参数、变形性参数(压缩性参数)、抗剪强度参数、非线性应力应变参数和地基土承载力等几方面分别研究河床覆盖层的力学参数取值。

3.2.1 水力特征参数

(1)渗透系数。为查明河床覆盖层的渗透系数，在3个钻孔做了1组注水和6组抽水试验，试验结果见表11。测试结果表明，河床覆盖层含漂砂卵砾石层、砂卵砾石层渗透性大，其透水性均为强透水，这与其含大量巨粒颗粒的实际情况相符。

表11 抽(注)水试验测定渗透系数汇总

(2)允许坡降。GB 50021—2016《水力发电工程地质勘察规范》[10]、GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[11]、B.C.ISTOMINA[12]都提出了允许坡降建议值。方法一是结合粗粒土各岩组颗粒的不均匀系数和曲率系数确定的；方法二是由临界坡降和破坏坡降的试验值除以安全系数计算允许坡降，建议1.5～2折算；方法三是由不均匀系数Cu确定允许坡降。综上所述，通过多种方法并进行对比，根据砂卵砾石试验值及上述不同方法确定的允许坡降范围值，保证取值的合理性。考虑Ⅰ、Ⅲ岩组成分接近，均颗粒较粗，故取允许坡降Jcr为0.10～0.15；Ⅱ岩组颗粒略细，则取Jcr为0.15～0.20。

(3)抗冲性。河床冲刷区漂块卵石含量较高，呈中密状态，且长期处于大渡河的冲刷状态下，易冲刷物质已经被带走，相对卵砾石层，具有较强的抗冲性能。同时结合冲刷区水深，经工程类比，建议河床覆盖层的抗冲流速取1.5～2 m/s。

3.2.2 变形模量

变形模量E0以载荷试验、动力触探、标准贯入等多种现场原位测试试验成果为基础，经综合分析确定。每种现场原位测试试验的原理、考虑的影响因素、对土样的扰动程度、试验误差等方面都存在差异，既各具优点，又各具缺点。因此，不同的现场原位测试试验获得的变形模量E0是有差异的。此外，某些现场原位测试试验受试验条件的影响，仅能测试一定深度或一定类型的覆盖层，仅能获得某一岩组的变形模量E0。通过对比这几种方法，再结合我国已有坝基覆盖层经验，最终建议Ⅰ、Ⅲ岩组E0为40～45 MPa；Ⅱ岩组E0为35～40 MPa。

3.2.3 抗剪强度

通过室内直接剪切试验、高压三轴剪切试验、原位现场大型剪切试验及动力触探、标准贯入测试等测试试验，获得了河床覆盖层的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ。力学试验集中在Ⅲ岩组含漂卵砾石层。

为了对河床覆盖层的抗剪强度指标粘聚力c和内摩擦角φ进行合理取值，不仅要分析各种试验结果，还要分析覆盖层各岩组特征。参考部分国内外工程坝基砂卵砾石层地基土强度参数，建议值大多接近试验值的下限，大部分工程内摩擦角取值在35°左右，与该坝址环境相近的都江堰工程、毛家村水库卵砾石的内摩擦角取值分别为33°、37°。水电行业对晚更新世以后堆积的砂卵砾石作为坝基取粘聚力为0。综合分析，该水电站坝基覆盖层建议的强度参数：c=0,Ⅰ、Ⅲ岩组φ=32°～35°，Ⅱ岩组φ=30°～32°。

3.2.4 承载力

河床覆盖层的承载力主要考虑天然状态下的承载力大小。依据载荷试验和动力触探、标贯试验等试验资料，结合河床覆盖层的工程特征，以载荷试验成果为主，参考标贯和动力触探试验值综合确定覆盖层承载力。

参考国内外及川西部分工程地基砂卵砾石层、砂土地基土承载力参数取值可以看出，定名为砂卵石、砾石土的承载力根据其密实度不同存在较大差距。与该坝址环境相近的有映秀湾水电站、铜街子水电站坝基，参考其他工程经验值，重点依据试验成果分析，综合选取坝基覆盖层建议的承载力参数：Ⅰ、Ⅲ岩组fk=550～600 kPa，Ⅱ岩组fk=500～550 kPa。

3.3 覆盖层物理力学参数建议值

由于河床覆盖层的厚度大、物质成分不均匀，埋深各异，物理力学性质差异较大。即便勘察中采用了多种方法进行了试验研究，但成果仍有较大的离散性。除了各岩组本身的物质组成和结构上的差异外，不同试验方法、同一方法不同试验点位及环境的差异均可造成测试成果的离散。总的规律是颗粒越粗，其物理力学特性越好；密实程度越高，工程特性也越好。综合前述各项试验成果及分析，提出表征坝基覆盖层宏观物理力学特性的主要参数建议值，见表12。对土体除提出了变形模量建议值外，还提供压缩模量建议值。由于压缩模量是在侧限条件下(无侧向变形)竖向应力和竖向应变的比值，其值应大于变形模量值，但由于土不是真正的弹性体，并具有结构性，且求解变形模量、压缩模量试验的要求不同，所以多情况下E0/Es都大于1。相比较而言，变形模量E0更能真实反映天然土层的变形特征。

表12 河床覆盖层物理力学参数建议值

通过对河床覆盖层物理力学性质的研究分析发现，河床覆盖层物理力学特性具有以下特征：

(1)河床覆盖层各岩组存在物理力学性质差异。Ⅰ、Ⅲ岩组比Ⅱ岩组的物理力学性质好，其变形性、抗剪强度、承载力等参数明显高于Ⅱ岩组。

(2)河床覆盖层粗粒土岩组的干密度较大。据Ⅲ岩组现场大型力学配套物理性质试验成果，干密度为2.17～2.30 g/cm3，孔隙比为0.17～0.25。因此，河床覆盖层粗粒土岩组在原位状态下均呈较密实状态。此外，虽然Ⅰ、Ⅱ岩组处于河床的中下部，无法做现场原位试验，但其经过长时间的自然压实固结，覆盖层的可压缩性应较Ⅲ岩组更小。

(3)覆盖层3大岩组的渗透性好。由室内渗透试验与多组现场抽注水试验可知，坝址覆盖层粗粒土渗透系数大，为1×10-3～1×10-2cm/s，属于强透水，会产生坝基管涌型渗透破坏问题。因此，设计中应考虑有效的防渗工程措施。

(4)覆盖层Ⅲ岩组可以作为坝基持力层。河床覆盖层粗粒土岩组的承载力相对较高，其标准承载力为500～550 kPa。且厚度较大，可以作为大坝堆石体基础。

综上所述，河床覆盖层物理力学性状较好，但存在包括坝基渗漏、坝基沉降、渗流破坏等主要工程地质问题，需采取有效的工程处理措施。