苏洼龙水电站坝前堆积体抗剪强度特性原位大型直剪试验研究

白 金 朋， 唐 明 武， 董 延 安， 李 耀， 刘 德 斌

(1. 中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 朝阳 1000241；2.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川 成都 610041))

0 引 言

在水电站的勘测设计、建设中，坝址区、库区均涉及到堆积体问题，其稳定性对坝址、枢纽布置格局方案选择及库区安全产生重大影响；有的堆积体在水电站施工期或运行期产生变形不得不投入巨资进行加固处理。为此，堆积体边坡的物理力学特性、变形及稳定性研究一直是水电工程勘察设计、施工建设中极为关注的一个重要课题[1-2]。

堆积体是由碎石、黏土等残积物混合堆积而成，具有物质成分多样性、结构不均一性和材料介质的非连续性，是介于土体和岩体之间的特殊地质体。对于堆积体岩土力学特性，国内外开展了一系列的研究工作，包括物质组成的颗粒特征统计分析、粒度分形特性及块石含量对其力学参数及渗透性影响的试验研究[3-4]、本构关系的研究等方面。廖秋林认为针对堆积体的研究范围[5]，包括土石混合体的几何结构特性、几何模型的建立、力学试验研究、力学模型建立及其变形破坏的数值模拟研究等。其中力学试验研究包括室内与原位大型试验，如室内大型常规三轴试验、室内渗透性试验、细观结构及力学特性数值模拟研究、现场循环载荷试验、现场天然和浸水状态下大型水平推剪试验、现场原位直剪试验等[6-8]。

本文针对金沙江上游苏洼龙水电站坝址区上游前部堆积体进行了研究，该堆积体位于金沙江右岸导流洞、泄洪放空洞进水口上方。野外大尺度原位试验是揭示这类高度非均质和非均匀性复杂地质介质力学特性的一种有效办法。参照土体与岩体现场原位试验方法，本文对金沙江上游苏洼龙水电站右岸坝前堆积体在天然状态和浸水饱和状态下进行了4组野外大型原位直接剪切试验，并进行了详细的分析，取得了一些有益的试验成果。

1 试点布置

坝前堆积体位于坝址区右岸坝前冲沟内，冲沟沟首开阔，出口狭窄，沟口偏右侧有两处规模较小的基岩山梁，冲沟宽度200～600 m，平面上呈酒瓶状。堆积体地面分布高程2 430～2 800 m，顺河流平均长度为320 m，前缘至后缘长度为500 m左右，初步估量其储量约为320万m3，储量巨大。堆积物以漂块石及混合土碎块石为主，局部砂质及黏土质较为集中，坝前堆积体细部(图1)、表部10～20 m范围内物质以稍密至中密为主，局部见有架空现象，中下部一般挤压较为密实，底部见有弱胶结。漂块石层以块漂石为主，碎块石呈次棱角状，原岩为花岗岩或石英片岩，岩质弱风化。本次进行的4组堆积体原位直剪试验分别在2 430 m高程和2 480 m高程开挖的两个坑槽内进行，其中每个坑槽内布置两组试验，各包含一组天然试验状态和一组浸水饱和试验状态。各组试验点布置示意图见图2，堆积体直剪试验布置情况见表1[11]。

图1 坝前堆积体细部照片

图2 各组试验点布置示意图

表1 堆积体直剪试验布置情况

2 试验方案

本次堆积体现场原位直剪试验采用平推法，堆积体试件尺寸为50 cm×50 cm×35 cm。试件布置在槽壁上，在试件开挖制备时，首先切断试件上侧及左、右侧碎石土，并加工试件使其高度符合要求；然后在试件上侧、左侧、右侧以及顶面浇筑混凝土保护罩，待保护罩养护达到一定强度后，安装法向加载系统，并施加法向接触应力，以保证切断试件下侧碎石土时整个试件不向下滑动；最后切断试件下侧碎石土，并浇筑混凝土保护罩，待整个试件周围的保护罩达到一定的强度后，方可进行试验。对于需要注水饱和的试样，在试样上侧面缓慢注水进行饱和，待试样充分吸水后，保持试样表面和地基始终处于湿润状态。饱和时间根据土的渗透性质确定，饱和时间不宜少于1 d。

施加法向荷载前，各测表每5 min读数一次，直至连续三次读数不变为止，视为各测表稳定。根据试验的具体情况，坝前堆积体直剪试验的最大法向荷载预加为0.8 MPa。将最大法向荷载按等差分级分别施加在不同的试体上，试验过程中，法向荷载保持不变。按预估的最大剪切荷载分8～10级施加，每级荷载施加后，立即测读剪切位移和法向位移，5 min后再读数一次，即可施加下一级剪切荷载。当剪切荷载出现峰值时，应记录峰值剪切荷载，并继续施加剪切荷载，直至剪切位移达到试样边长的10%时结束试验。当剪切荷载无峰值时，可将剪切位移达到试样边长的10%时的剪切荷载作为破坏值[9-11]。

3 试验结果

堆积体原位大型直剪试验可以直接得到剪切过程中土石混合体的应力—位移关系曲线、剪切作用在土石混合体中所形成的推剪面，而这些结果则揭示了土石混合体在受剪力作用下的变形破坏特性以及土石混合体的剪切强度特征。

3.1 应力-位移特征

图3给出了DJTτ1～DJTτ4各组试样剪切所得到的剪应力—位移曲线，图4给出了典型的岩石和土的剪切应力—应变曲线，由此可见堆积体抗剪强度曲线与一般岩石或者土的剪切应力—位移(应变)曲线有很大的差别，这充分反映了土石混合体成分的复杂性及其结构的非均匀性特征。

(a)DJTτ1(浸水饱和) (b)DJTτ2(天然)

图4 典型岩石和土的剪切应力-应变曲线

3.2 堆积体剪切强度参数

根据莫尔-库仑破坏准则，可以得到4组剪切试验DJTτ1～DJTτ4的法向应力—剪应力关系曲线(图5)。由σ-τ关系曲线，可以获得4组试验点的堆积体的抗剪强度参数(表2)。

表2 4组试验点的堆积体的抗剪强度参数

(a)DJTτ1(浸水饱和) (b)DJTτ2(天然)

3.3 试点粒径成分分析

完成堆积体原位直剪试验后，在DJTτ1～DJTτ4四组试验各个试件的剪断面处取样，进行颗粒分析试验，四组试验的各粒径组质量百分含量柱状图见图6。

图6 各粒径组质量百分含量柱状图

本项目采用大于等于5 mm粒径的质量百分含量表征试点的含石量。计算得到各组试验的含石量及对应抗剪强度参数，见表3。

表3 各组试验的含石量及对应抗剪强度参数

4 分析与讨论

4.1 堆积体抗剪强度与试验状态

本次试验对两种状态下的直剪试验分别进行综合分析(群点法)，从表2可以看出其强度参数分别为：浸水饱和状态下的综合抗剪断峰值强度参数为f′=0.79，c′=0.06 MPa，φ′=38.3°；天然状态下的综合抗剪断峰值强度参数为f′=0.88，c′=0.10 MPa，φ′=41.3°；从综合成果可以看出，浸水饱和状态下的抗剪断强度参数无论是是内摩擦角还是内聚力都比天然状态下的低。

4.2 堆积体抗剪强度与含石量

王自高等[12]研究认为，在含石量一定分布范围内随着含石量的不断增加，其内摩擦角具有线性递增的特征。一般地，符合线性关系的含石率区间值为30%～70%，也就是说在这个范围内的堆积体可定义为“土石混合体”，超出这个范围则可按土(含石率<30%)或岩石(含石率>70%)进行连续介质处理。本次4组直剪试验结果中，当含石量位于30～70%时，是符合内摩擦角随含石量线性递增的特征的。本次4组直剪试验表明，堆积体的内聚力与含石量没有明显线性关系。

5 结 论

结合现场原位直剪试验，获得了苏洼龙水电站坝前堆积体在剪切作用下的变形特点和强度特性，得到如下启示：

(1)堆积体碎石土剪切应力-位移曲线不同与典型的岩石或土的应力-位移曲线，曲线有明显的应力屈服和塑性变形特征，峰值后无明显的应力降。

(2)堆积体碎石土抗剪强度参数明显受试验状态(含水率)影响，饱和状态下的堆积体抗剪强度参数无论是内摩擦角还是内聚力都明显低于同部位天然状态下抗剪强度参数。

(3)堆积体碎石土抗剪强度参数受其含石量影响，其中当含石量在一定范围内时，其内摩擦角呈随含石量线性递增的特征而改变。试验还表明，堆积体的内聚力与含石量没有明显线性关系。

(4)本次针对堆积体采用现场原位直剪试验获得了堆积体的抗剪强度参数，并根据试验状态(含水率)、含石量进行的分析，只是一定程度上认识了该堆积体抗剪强度性质。但影响堆积体的抗剪强度的因素还有很多，比如其中石块的风化程度、试件的尺寸效应、胶结或松散程度、石块的磨圆度、堆积的密实度等，还需要通过大量的原位试验来研究这些因素与堆积体抗剪强度之间的规律性。