永德县德党河水库坝壳石碴料力学特性试验

韩华强，寸银川，刘宇宽，赵锡荣，傅 华

(1.南京水利科学研究院， 江苏 南京 210024；2.大理白族自治州水利水电勘测设计研究院， 云南 大理 671000)

由于堆石料具有良好的工作特性，能充分利用当地材料且工程造价相对较低，而被广泛应用于我国水利水电建设[1-4]。近些年，新工艺和新技术的发展带动了堆石坝施工质量的不断提高，可应用的堆石料范围也在不断扩大，导致筑坝材料压实性能的差异性也在逐步增大。为检验施工质量、确保大坝安全，并为运行期大坝的安全管理提供技术支撑，使不同料源的堆石料均能达到坝体技术要求，在填筑过程中均对坝体填筑堆石料开展了大量的级配及密度检测工作，以检验实际施工质量是否达到预期的设计目标[5-7]。但由于施工阶段实际爆破开挖上坝石料的母岩性质、级配及密度均会与前期的设计有所出入，绝大部分工程很难完全符合预期设计，均会和设计要求存在一定的出入，因此，根据施工期坝体填筑质量检测结果进行室内力学特性复核必不可少。然而，虽然当前绝大多数工程都开展了施工期的填筑质量检测工作，但却较少针对施工期实际填筑坝料的力学特性开展相应的试验工作，为此，本文结合德党河水库坝体填筑质量检测结果，现场取样对大坝筑坝坝壳料进行了试验研究。

德党河水库位于永德县，水库总库容5 317万m3，为中型水库，大坝坝型为黏土心墙石碴坝，坝顶宽度22.0 m，坝轴线长576 m，最大坝高75.6 m。大坝筑坝材料有防渗土料、上下游坝壳料、反滤Ⅰ区料及反滤Ⅱ区料，坝体总填筑量约为200万m3。

1 坝壳料的检测结果分析

1.1 颗粒级配

颗粒级配是影响堆石料物理力学性质的重要因素，即使母岩相同，如果堆石料颗粒级配不同，则其物理力学性质和使用范围也会完全不同。已有研究表明：坝料的级配特性显著影响其物理性质和力学行为，且随荷载增大，相关性也明显提高[8-12]。因此，颗粒级配分析是坝壳料力学性质和工程应用研究的基础。

对于反滤Ⅰ区料及反滤Ⅱ区料，现场填筑过程中均开展了级配检测工作，各取得了140组检测结果，相应的颗粒分析试验结果分别见图1(a)及图1(b)，根据检测结果可以看出，反滤Ⅰ区料小于5 mm粒径占总量平均值为90.0%，范围值为86.5%～93.4%，最大粒径为20 mm，不均匀系数范围值为8.0～13.1，平均值为11.2，曲率系数范围值为0.6～0.9，平均值为0.8。反滤Ⅱ区料小于5 mm粒径占总量平均值为15.2%，范围值为9.2%～21.2%，最大粒径为60 mm，不均匀系数范围值为3.8～5.7，平均值为4.6，曲率系数范围值为1.0～1.5，平均值为1.1。对于上、下游坝壳料，施工期间及取样过程中共计取样10组，采用全样筛析法进行颗粒分析，试验结果见图1(c)，由图1(c)可以看出：上、下游坝壳料试样小于5 mm粒径占总量平均值为9.0%，范围值为5.2%～12.7%，大于60 mm粒径占总量平均值为51.2%，范围值为38.5%～63.9%，不均匀系数范围值为7.8～31.9，平均值为18.8，曲率系数范围值为1.1～3.2，平均值为2.1。

图1 坝壳堆石料现场检测级配

1.2 填筑密度

(1)

(2)

(3)

反滤Ⅰ区料共检测干密度285组，检测值范围为2.17 g/cm3～2.28 g/cm3，均值为2.23 g/cm3，检测结果的残余误差(残差)均在3σ范围内。反滤Ⅱ区料共检测干密度值282组，检测值范围为2.10 g/cm3～2.25 g/cm3，均值为2.19 g/cm3，有1个点的密度值2.10 g/cm3的残余误差(残差)超出3σ范围，占整体检测数据的0.4%。坝壳石渣料共检测干密度值142组，检测值范围为2.06 g/cm3～2.17 g/cm3，均值为2.10 g/cm3，有1个点的密度值2.17 g/cm3的残余误差(残差)超出3σ范围，占整体检测数据的0.5%。

对于坝壳石碴料，现场对于反滤Ⅰ区料及反滤Ⅱ区料均相应开展了大量的填筑级配及密度检测工作，然而对于坝壳石渣料，现场虽然开展了大量的密度检测工作，但相应的填筑级配工作开展的较少，如前所述，颗粒级配是影响坝壳石碴料性质的重要因素，即使堆石料母岩相同，如果颗粒级配不同，其力学性质和应用范围也完全不同。因此对于坝体施工过程中坝体填筑质量的现场检测，除填筑密度检测外，填筑过程中也应加强而不宜弱化级配的检测工作。

2 现场取样及试样制备

2.1 现场取样

为研究德党河水库坝壳石碴料的力学特性，在坝壳料料场及反滤料加工场分别进行了现场取样，经加工、晾晒、筛分后的室内试样图片见图2。

图2 室内试样照片

2.2 试样制备

试样制备按《土工试验方法标准》[13](GB/T 50123—2019)进行。反滤Ⅰ区料及反滤Ⅱ区料直接采用现场检测级配平均线，对于坝壳料试验级配曲线，则通过对上述检测级配曲线平均线超粒径部分采用混和缩尺法缩尺得到，相应的试验级配曲线分别见图3。试验密度则根据3σ原则，剔除残差的绝对值|vi|>3σ的检测值，然后取残差均在3σ范围内各区料的现场检测值的均值做为试验制样密度，反滤Ⅰ区料为2.23 g/cm3，反滤Ⅱ区料为2.19 g/cm3，坝壳石渣料为2.10 g/cm3。

图3 室内试验级配曲线

3 试验方法及试验结果

为确定德党河水库坝壳石碴料实际的物理力学特性，根据坝体填筑过程中各区实际检测的级配及密度，现场取样对德党河水库工程筑坝坝壳料进行了常规的物理力学试验，试验过程均按《土工试验方法标准》[13](GB/T 50123—2019)进行。

3.1 比重及相对密度试验

按级配分别取小于5 mm细粒土的比重和大于5 mm粗粒土比重加权平均做为混合料的比重值，其中细粒土比重采用比重瓶法测定，粗粒土比重采用虹吸筒法测定，混合料比重值分别见表1。

表1 相对密度及比重试验结果

根据规范要求[13]，相对密度试验采用粗粒料相对密度试验仪，试样筒尺寸为φ300 mm×360 mm，试验用料为烘干料。最小干密度试验采用人工法，试验过程中尽量使大颗粒不对周围颗粒产生挤压。最大干密度试验采用表面振动法，以模拟大坝现场施工振动碾振动压实的施工过程，表面振动器静载为14 kPa，振动频率为40 Hz。试样分层铺装，振动历时8 mim。试验结果见表1。

3.2 三轴固结排水试验

(1) 试验仪器及主要试验过程。采用粗粒土三轴仪进行静三轴试验。对反滤Ⅰ区料、反滤Ⅱ区料及石渣坝壳料均进行饱和状态下的固结排水试验。大型三轴试验试样尺寸为φ300 mm×700 mm，按级配、试验控制干密度及试样体积进行备样，然后分5层每层高度14 cm装入成型筒内，并用表面振动器振动密实，以模拟大坝现场施工振动碾振动压实的施工过程。试样成型后采用水头饱和法进行饱和，至进出水量平衡时即认为试样完全饱和。然后关闭排水阀，按300 kPa、600 kPa、900 kPa和1 200 kPa四个围压分别施加围压，并记录孔隙水压力变化情况，待孔压稳定后，打开排水阀进行固结，约1.0 h～1.5 h试样基本固结稳定，记录固结排水量并换算固结下沉量。然后进行剪切试验，剪切速率按规范要求取为2.0 mm/min。剪切过程中自动记录试验轴向荷载、轴向变形、剪切排水量，直至试样破坏。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。

(2) 试验结果分析。试样在不同应力条件下的摩尔圆及强度包线，见图4。相应的线性强度指标见表2。

图4 摩尔-库仑强度包线

由于坝壳石碴料颗粒破碎的特性，坝壳石碴料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，表现出明显的非线性。将每一围压下的剪切角φ值求出，绘制φ-lgσ3关系曲线，可按下式计算不同围压时的φ。计算结果见表2。

表2 三轴试验(CD)强度指标

φ=φ0-Δφlg(σ3/Pa)

(4)

式中：σ3为周围压力；Pa为标准大气压;φ为某应力圆切线与横坐标的夹角；φ0为当σ3/Pa为1时的内摩擦角，为试验值；Δφ为当σ3增加10倍时剪切角的减小量，为试验值。

试验得到试样的主应力差(σ1-σ3)与轴向应变ε1及体积应变εv与轴向应变ε1之间关系曲线分别见图5、图6，根据试验结果整理得到的邓肯模型(E-μ)参数及邓肯模型(E-B)参数别见表3及表4。

图5 主应力差与轴向应变关系曲线

图6 体积应变与轴向应变关系曲线

表3 邓肯模型(E-μ)参数

表4 邓肯模型(E-B)参数

(3) 南水双屈服面模型参数。邓肯E-μ模型体现了土体的非线性特征，考虑了历史对变形的影响，但也存在明显缺点，即采用竖向应变ε1与侧向应变(-εr)双曲线关系计算出的切线泊松比μt值常偏大，与试验资料拟合不理想，况且，卸荷泊松比和加载泊松比取值又一样。此外，邓肯E-μ模型也不能反映中主应力的影响，不能反映土体的各向异性，从根本上说不能反映堆石料的剪胀、剪缩性等。鉴于此，1980年邓肯等采用切线体积模量Bt代替切线泊松比μt对E-μ模型进行了修正，即为E-B模型。邓肯E-B模型能反映土体变形的主要特征即非线性，可以体现应力历史对变形的影响，用于增量计算，能一定程度上反映应力路径对变形的影响，但从根本上讲，仍不能反映剪胀(缩)性，也不能反映体积应力引起的剪切变形，同样也不能反映各向异性，不能反映中主应力的影响等，但该模型参数确定简单，且在参数确定方面积累了比较成熟的经验，使用简便，因此该模型应用较为广泛[14-15]。

而南水模型是在E-B模型的基础上发展起来的，不仅参数确定类似于邓肯模型，应用较为简便，而且一定程度上克服了邓肯E-B模型的缺点，考虑了土体的非线性、剪胀(缩)性、压硬性及应力引起的各向异性等，“南水”双曲服面模型较邓肯模型更能反映石碴料的力学特性。

(1) 参数cd、nd

绘制最大剪缩体应变和围压的关系曲线，最大剪缩体应变εvd和围压σ3的关系如下：

(5)

式中：Pa为大气压，量纲与σ3相同；cd、nd分别代表lgεvs与lg(σ3/Pa)直线的截距和斜率。

(2) 参数Rd

(6)

式中：(σ1-σ3)d与最大剪缩体应变εvd对应的偏应力。

根据试验结果整理得到的“南水”双屈服面模型参数见表5。

表5 “南水”双屈服面模型参数

3.3 渗透试验

渗透试验试样尺寸为φ300 mm×300 mm，渗流方向从下向上。装样时在透水孔直径为2 mm的透水板上部铺一层0.075 mm细钢丝网，以减少颗粒离析造成透水板堵塞，并在仪器壁内侧涂凡士林以避免沿仪器壁发生集中渗漏，然后分三层每层高度100 mm，并采用表面振动法进行装样，在振动装样过程中严格控制试样干密度并防止试样发生颗粒离析。试样成型后采用滴水饱和法使其饱和，然后保持水头不变，待水流和测压管水位稳定后，测定一定时间内的渗流出水量，并同时测定进、出水口水流的温度，然后根据达西定律计算试样的渗透系数。

表6 渗透系数试验结果

渗透试验结果表明，坝壳料具有自由排水性能，且反滤Ⅰ区料、反滤Ⅱ区料及石渣坝壳料宏观满足规范对于心墙坝“坝体渗透性宜向上、下游逐步增大”的设计要求。

4 结 论

(1) 对德党河水库反滤Ⅰ区料及反滤Ⅱ区料均开展了140组填筑级配检测，而上、下游坝壳料仅开展了10组级配检测工作。检测结果表明：反滤Ⅰ区料小于5 mm粒径占总量平均值为90.0%，最大粒径为20 mm，不均匀系数平均值为11.2，曲率系数平均值为0.8。反滤Ⅱ区料小于5 mm粒径占总量平均值为15.2%，最大粒径为60 mm，不均匀系数平均值为4.6，曲率系数平均值为1.1。上、下游坝壳料小于5 mm粒径占总量平均值为9.0%，大于60 mm粒径占总量平均值为51.2%，不均匀系数平均值为18.8，曲率系数平均值为2.1。

(2) 对德党河水库反滤Ⅰ区料开展了285组、反滤Ⅱ区料282组、坝壳石渣料142组密度检测工作。根据3σ原则，反滤Ⅰ区料检测干密度均值为2.23 g/cm3。反滤Ⅱ区料检测干密度值均值为2.19 g/cm3。坝壳石渣料检测干密度均值为2.10 g/cm3。

(3) 颗粒级配是影响坝壳石碴料性质的重要因素，即使堆石料母岩相同，如果颗粒级配不同，其力学性质和使用范围也完全不同。对于坝料填筑质量现场检测，除填筑密度检测外，填筑过程中也应加强而不宜弱化级配的检测工作。

(4) 根据坝体填筑质量检测结果，现场取样对大坝坝壳料进行了室内试验研究，取得了反映坝壳料实际物理力学特性的力学及渗透参数，对掌握大坝实际的受力及变形现状，以及大坝的运行管理均具有重要意义。

(5) 南水模型是在E-B模型的基础上发展起来的，不仅参数确定类似于邓肯模型，应用较为简便，而且一定程度上克服了邓肯E-B模型的缺点，考虑了土体的非线性、剪胀(缩)性、压硬性及应力引起的各向异性等，更能反映坝壳石碴料的力学特性。