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
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。
4 结 论
(1) 古河床堆崩坡堆积物地形较平顺,表面未见任何拉裂变形特征,总体稳定性较好。
(2) 古河床堆积物属强透水层,渗透破坏类型为管涌破坏,与下部砂卵石层不存在接触冲刷问题。
(3) 表层0~5 m土体呈松散-中密状,以稍密为主;5 m以下土体呈中密-密实状,以密实为主。
(4) 在清除表层5 m松散体后,经碾压处理后可做为坝基。