古河床崩坡堆积物作为天然堆石坝坝基的适宜性研究

2021-03-10刘万林贾东彦

西北水电 2021年6期

刘万林,贾东彦

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前言

堆积物系指第四纪堆积作用而形成的地质体，是崩滑体、垮塌体、及第四系沉积体等一种或几种的组合体，属斜坡变形破坏后的产物[1]。在中国西北及西南部河谷中广泛发育和分布着第四纪松散堆积物，它们是典型内外力耦合作用的产物[2]。其中古河床堆积物堆积年代较久，堆积厚度较大，结构多较密实，是一套成因多样、成分复杂、结构无序、土石混杂堆积的特殊地质体，近年来受到土力学、岩体力学及工程地质学等相关学科的广泛关注，已成为新的、重要的研究课题[3]。本文以大石峡水利枢纽工程为背景，通过现场地质调查测绘及钻孔、平硐等勘探手段，查明古河床崩坡堆积物的平面范围及空间形态，通过室内试验，查明堆积物的工程物理特性，研究其分布特征及工程特性，为后期治理及工程设计提供依据。

1 概述

大石峡坝址右岸坝轴线下游沿河发育Ⅲ级阶地古河床，高程1 543.00～1 550.00 m，其上分布有大范围、深厚崩坡积堆积物。现场地质调查测绘及钻孔勘探资料表明，崩坡堆积物顺河向长约670 m，垂直河向长约80～125 m。天然坡度35°左右，厚度一般50 m左右，钻孔揭露最大厚度83.5 m。古河床堆积物分布详见图1，典型工程地质横剖面见图2。崩坡堆积物未见变形破坏迹象；堆积物中被冲沟切割的近直立露头自稳能力较强，未见崩塌、溜滑特征；右岸临时道路从堆积物内部低高程穿过，从道路开挖揭露断面来看，堆积物挤压密实，孔隙率低；道路开挖边坡最高15 m，开挖坡度65°左右，未采取支护措施，但边坡自稳能力较好，也未见失稳破坏迹象，崩坡堆积物总体稳定。

图1 崩坡积堆积物平面分布

根据三维倾斜摄影成果计算，堆积物方量约586万m3，其中坝体填筑范围内约162万m3[4]。合理利用崩坡堆积物作为坝体一部分，可以减少工程开挖量而节省投资，也可避免因大挖方引起的次生不良地质问题，如高边坡稳定问题。因此，有必要进一步研究崩坡堆积物的工程特性及其作为坝基的适宜性。

图2 右岸古河床堆积物典型工程地质剖面

2 古河床崩坡堆积物的工程特性

2.1 堆积物物理特性

(1) 颗粒分析

根据现场颗分试验成果显示，大于200 mm的块石粒组平均含量为13.7%，60～200 mm碎石粒组平均含量为16.7%，2～60 mm的角砾粒组平均含量为51.6%，小于5 mm细粒粒组平均含量为23.2%，小于2 mm细粒粒组平均含量为18.6%，小于0.075 mm粉粒粒组平均含量为5.9%。颗分曲线见图4。由图可知，d60=41.0 mm，d30=9.7 mm，d10=0.2 mm，经计算得，不均匀系数Cu=205.0，曲率Cc=11.47，碎块石土颗粒组成以粗粒为主。堆积物颗分曲线见图3。

图3 堆积物颗分曲线图

(2) 渗透分析

根据现场渗透试验结果，堆积物渗透系数K值为2.87×10-3～4.29×10-3cm/s，平均3.53×10-3cm/s，具强透水性。堆积物临界坡降为0.27～0.37，平均0.32，允许水力比降0.10～0.20。

根据相关规范[7]判断碎块石土的渗透变形类型如下：细颗粒含量P=17%，P<25%，该无粘性土渗透变形类型为管涌。根据前期勘察成果，底部砂卵砾石的d10=0.7 mm，则D10/d10=0.2/0.5=0.4，D10/d10<10，因此碎块石土与下部砂卵砾石层接触部位不存在接触冲刷问题。

(3) 密实度

本次密实度测试采用圆锥重型动力触探，测试深度3.0～19.2 m，岩性为碎块石土，现场触探试验数值整体随深度增加锤击数呈增大趋势，符合一般规律。其中0～5 m锤击数为3～20击，修正后锤击数为2.4～14击，平均值7.5击，土体结构松散至中密，以稍密为主；5 m以下锤击数为28～63击，修正后锤击数为19.1～40.3击，平均值35.2击，土体结构中密至密实，以密实为主。

(4) 物理性质指标

根据土体简分析试验成果，汇总碎块石土物理性质指标见下表。由表1可知，碎块石土天然密度2.17～2.22 g/cm3，均值2.20 g/cm3；天然干密度2.12～2.19 g/cm3，均值2.15 g/cm3；天然含水率1.2%～3.2%，均值2.3%，土体偏干燥；孔隙比0.259～0.294，均值0.275，结构密实；压缩系数0.03～0.04，均值为0.04，为低压缩土。

表1 崩坡堆积物载荷试验成果

2.2 堆积物的力学特性

(1) 剪切试验

堆积物扰动样室内抗剪试验结果显示，摩擦角为38.6°～39.9°，平均39.4°，凝聚力为14～17 kPa，平均15 kPa。堆积物天然坡度约35°，小于堆积物摩擦角，由此也可以看出来，堆积物边坡整体较稳定。

(2) 现场荷载试验

现场载荷试验在穿过堆积物的12号路路面(碎块石土)挖坑进行，试验成果(表2)表明，天然状态下堆积物具有较高的承载力及抗变形性能，极限承载力2.210～2.328 MPa，平均2.281 MPa。屈服极限承载力1.867～2.112 MPa，平均2.006 MPa，比例极限承载力1.228～1.375 MPa，平均1.277 MPa。变形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。根据设计要求[9]，坝体堆石料压缩模量为89～113 MPa，转换为变形模量为66～84 MPa。古河床堆积物变形模量远大于大坝堆石体变形模量。

表2 崩坡积堆积物载荷试验成果

(2) 旁压试验

现场在堆积体范围内选取了4个试验点，每个点布置2～5个钻孔，针对该地层分别进行天然状态和饱和状态下的旁压试验，但具体实施时发现，由于该地层渗透系数偏大，土层较厚，干孔(灌水孔)灌水后孔内水位迅速下降，且坝址地处阳光强烈、蒸发严重地区，浸润孔周边土体可能不能完全饱和，仅处于非饱和状态，部分典型试验成果见表3。

表3 旁压试验成果

现场原位旁压试验结果显示：堆积体测试深度1.8～29.0 m，原位水平土压力39～268 kPa，平均值为115.8 kPa；临塑压力2 265～4 462 kPa，平均3 401.2 kPa；极限压力4 365～6 950 kPa，平均值为5 997.0 kPa；旁压模量38.4～110.4 MPa，平均值为73.3 MPa。由表可知：随着土层深度增大，旁压模量增大趋势明显，说明埋深越大，土的力学性能更好，符合一般规律；土体湿润后，旁压模量有所降低，降低8.9%～32.2%。

3 坝基适宜性评价

对于分布在右岸坝后古河床的崩坡堆积物，能否作为坝线下游堆石体坝基，下面结合专题试验成果[4]和堆石坝规范[5-6]的要求进行分析与评价。

(1) 碾压土石坝要求堆石坝材料土石类型宜为“天然砂、砾石、卵石、碎石、漂石和开挖石渣料并具较强的抗风化能力，不宜用粉砂”。根据颗分试验成果，古河床崩坡积堆积物定名为“混合土碎石(CbSI)”，属无粘性土，母岩成分为中硬-坚硬的灰岩，堆积体物质组成总体满足规范要求的土石类型。

(2) 碾压土石坝要求堆石坝材料级配连续以保证孔隙充填均匀、密实，而古河床崩坡堆积体主体为块石、碎石及砂，颗粒以粗大的漂、块石为主，约占30.4%，2～60 mm颗粒约占51.6%，小于5 mm细粒约占23.2%，小于0.075 mm粉粒约占5.9%，颗粒级配较连续，粒径级配总体满足规范要求，可类比为砂砾石。

(3) 碾压土石坝要求堆石坝上坝材料的压实度达到0.93～0.96，对应干密度2.18～2.25 g/cm3。而现场探坑测试的平均干密度均值2.15 g/cm3，堆积体压实度约0.92，且密度测试样本中压实度大于0.93(即干密度大于2.13 g/cm3)数量约70%。如果考虑其上堆填约80～120 m厚的坝体填筑料，还可进一步压密，应能基本达到0.93的压实度。

(4) 碾压土石坝要求堆石坝坝壳料作为填筑料时，位于地下水位以下应有较好的透水性，使坝体浸润线较低，防止出现渗透破坏。堆积体现场渗透试验成果显示，渗透系数平均值约3.53×10-3cm/s，总体在1.0×10-3cm/s以上，能满足规范要求的强渗透特性要求。

(5) 堆积物挤压密实，室内试验成果表明碎块石土孔隙率均值为21.6%，高于坝体填筑的块石料孔隙率控制指标(≤18%)，但从现场开挖边坡看，堆积物挤压密实，开挖困难，圆锥重力触探击数也高。施工过程中，通过剥离表部5 m相对松散土层，进行碾压后，其孔隙率能达到18%。

(6) 碾压土石坝要求堆石坝料有较高的强度、抗变形能力和承载能力。古河床崩坡堆积体压缩系数0.03～0.04，为低压缩土；抗剪强度α=38.6°～39.9°，c=140～170 kPa；变形模量163.9～199.5 MPa，平均182.3 MPa。具有较高的强度、抗变形能力和承载能力。堆积体以上坝高不会超过120 m，低于国内已建在现代河床砂砾卵石层上的堆石坝(坝高133 m)[9]，且现代河床砂砾卵、砾石层工程性状差于本工程古河床崩坡堆积体。

综上所述，从堆积物主要物理力学性质指标看，清除堆积物表层5 m松散体后，经碾压处理，总体能满足做为堆石坝坝基的要求。