某水电站土石坝筑坝材料土工试验研究

肖明涛

（陕西黄河生态工程有限公司，陕西 西安 710018）

1 工程概况

某水电站位于长江水系的一级支流马边河上，开发任务是发电，兼有改善下游防洪和灌溉条件功能。水电站大坝为沥青混凝土心墙堆石坝。根据工程特点，坝料分区主要分为垫层料、过渡料、反滤料、堆石料、石渣料、石渣混合料、堆石排水棱体等，各部位填筑料分层碾压密实，大坝总填筑方量约272.5 万m3。堆石料的相对密度、孔隙率指标既是施工填筑标准的依据，又是填筑质量检测标准的依据；渗透及渗透变形性质、变形特性及高压大三轴非线性指标是坝体沉降、稳定分析计算的科学依据[1]。通过工程实例，对沥青混凝土堆石坝筑坝材料进行物理力学试验研究，为石英砂岩作为堆石坝筑坝材料提供科学依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

水电站大坝的堆石料主要采用库区上游左岸2 km处河口料场的石英砂岩，大坝沥青混凝土心墙的骨料采用库区上游左岸4.2 km处甘沟料场的石灰岩。

2.2 试验方法

2.2.1 物理性质试验

通过水中称量法进行比重试验和密度试验；采用煮沸法进行饱和吸水率试验；采用自由浸水法进行吸水率试验。干抗拉、压强度试验采用烘干试件；湿抗拉、压强度采用饱和试件。试验在2 000、100 kN 的压力机上进行，压力机为刚性试验机。试件的轴向变形通过位移传感器量测，横向变形通过电阻应变仪测定，应力-应变曲线由X-Y 函数记录仪绘制。

2.2.2 相对密度试验

试验仪器采用直径30 cm，高度34 cm 的J250型相对密度振动台（频率为45～60 Hz，振幅为0～2 mm）。相对密度试验采用干法试样进行。先通过固定体积法测定试样的最小干密度，然后将振动台调至所需的振幅和频率，再将已经测定的最小干密度试样置于振动台上，振动8 min 后可测定其最大干密度。

2.2.3 室内高压大三轴试验

GST-80型三轴仪[2，3]可施加最大围压为8.0 MPa，试样断面尺寸为300 mm×600 mm，最大粒径为60 mm，试验数据全过程自动采集。采用固结排水剪（CD），试样施加围压为500～1 500 kPa，对试验数据分析整理后，根据摩尔-库仑理论进行三轴试验E-μ、E-B模型参数计算。高压大三轴试验后，对堆石混合料（围压为500～1 500 kPa）进行破碎率测定。

3 试验主要内容和结果分析

3.1 物理性质试验

室内和现场的物理性质试验均在河口堆石料场取4 组石英砂岩进行。取样位置在河口堆石料场，编号HDS1～HDS4，按4 组物理性质平均编号为HDS平。DSⅠ上、DSⅠ平、DSⅠ下为主堆石Ⅰ区设计包络线。

河口堆石料检测结果与主堆石Ⅰ区控制级配关系，如图1所示。

河口堆石料检测结果表明：天然含水率1.5%～1.6%，平均1.6%。比重2.63～2.66，平均2.64。在颗粒级配组成中，最大粒径600 mm，粒径400～600 mm 的块石含量为7.4%～12.7%，平均10.3%；200～400 mm的块石含量为11.7%～14.8%，平均13.1%；粒径60～200 mm 的碎石含量为25.1%～36.9%，平均31%；粒径2～60 mm 的砾粒含量为36.1%～42.1%，平均39.1%；粒径0.075～2 mm 的砂粒含量为6.3%～7.8%，平均7.05%；粒径＜0.075 mm 的细粒含量为0.68%～1.1%，平均0.89%；粒径＜5 mm 的砾细粒含量为11.1%～13.9%，平均12.5%。

从图1 可以看出，河口堆石料检测级配组成中HDS平在DSⅠ包络线范围内，其级配组成基本可满足坝体填筑设计技术要求。

3.2 力学性质试验

主堆石Ⅰ区料的相对密度试验成果详见表1，其干密度与相对密度的关系曲线如图2 所示、孔隙率与相对密度的关系曲线如图3所示。

表1 主堆石Ⅰ区料相对密度试验成果

图2 主堆石Ⅰ区料Dr-ρd关系

图3 主堆石Ⅰ区料Dr-n关系

试验成果表明，HDSⅠ在包络线控制状态下。当相对密度＝0.80 时，干密度为1.92～2.03 g/cm3，相应孔隙率为27.0%～23.9%；当相对密度＝0.85时，干密度为1.95～2.06 g/cm3，相应孔隙率为25.7%～22.6%；当相对密度＝0.90 时，干密度为2.01～2.10 g/cm3，相应孔隙率为24.2%～21.1%；当相对密度＝0.95时，干密度为2.03～2.12 g/cm3，相应孔隙率为22.8%～19.7%。

由表1 可知，当相对密度逐级提高后干密度也显著提高，但孔隙率呈现降低现象，表明相对密度试验成果的相关性较好。

表1、图2—3 表明，相对密度＝0.90 的试验成果可作为河口料场主堆石Ⅰ区料施工填筑标准及填筑质量检测标准的依据[4，5]。因此，可按相对密度=0.90对应的干密度控制室内力学试验试样。

3.3 室内力学性质试验

主堆石Ⅰ区料室内力学性质试验成果详见表2—4，其孔隙比与压力的关系曲线如图4所示。

表2 主堆石Ⅰ区料室内力学性质试验成果

图4 主堆石Ⅰ区料孔隙比与压力关系

由表2 可知，主堆石Ⅰ区料渗透变形试验的临界坡降为0.23～0.38，破坏坡降为0.51～0.96，渗透系数为4.31×10-1～6.62×10-2cm/s，表明主堆石Ⅰ区料为强透水性；压缩试验的压缩系数av（0.1～0.2MPa）为0.045～0.048 MPa-1，压缩模量Es（0.1～0.2MPa）为26.8～28.4 MPa，表明主堆石Ⅰ区料呈低压缩性；直剪试验的黏聚力c为62～73 kPa，内摩擦角φ为40.5°～41.5°，表明主堆石Ⅰ区料具有较高的抗剪强度。

表3—4 表明，主堆石Ⅰ区料在不同压力下的压缩系数、压缩指数、变形模量及单位沉降量可供坝体沉降及稳定分析使用。

表3 主堆石Ⅰ区料室内压缩试验成果

表4 主堆石Ⅰ区料压缩指数成果

3.4 室内高压大三轴试验

主堆石Ⅰ区料室内高压大三轴试验成果，详见表5—6。

表5 主堆石Ⅰ区料室内高压大三轴试验成果

表6 主堆石Ⅰ区料室内高压大三轴试验成果

HDSⅠ上包线的主应力差及体积变化与轴向应变的关系曲线如图5—6 所示，HDSⅠ上包线的固结排水剪强度包线如图7所示。

图5 HDSⅠ上包线主应力差与轴向应变关系曲线

图6 HDSⅠ上包线体积变化与轴向应变关系曲线

图7 HDSⅠ上包线固结排水剪强度包线

HDSⅠ平均线的主应力差及体积变化与轴向应变的关系曲线如图8—9 所示，HDSⅠ平均线的固结排水剪强度包线如图10所示。

图8 HDSⅠ平均线主应力差与轴向应变关系曲线

图9 HDSⅠ平均线体积变化与轴向应变关系曲线

图10 HDSⅠ平均线固结排水剪强度包线

3.5 室内高压大三轴破碎率测定

主堆石Ⅰ区料室内高压大三轴破碎率测定成果，详见表7。

表7 主堆石Ⅰ区料室内高压大三轴破碎率测定成果

由表7 可知，围压=500 kPa，破碎率为11.47%；围压=1 000 kPa，破碎率为13.39%；围压=1 500 kPa，破碎率为15.91%，破碎率随围压的增大而增大。

4 结论

（1）河口石英砂岩堆石料具有高抗剪强度、低压缩性和强透水性的工程性质，适合应用于大坝任何部位；室内力学成果和相对密度指标可供设计计算分析和施工填筑质量控制之用。

（2）软岩筑坝在国内外以往多是在面板堆石坝体内下游干燥区、次堆石区和坝体中间部位采用，但没有在沥青混凝土心墙坝中应用实例。因此，软岩开挖渣料应用于沥青混凝土心墙堆石坝需注意。

（3）泥质粉砂岩、粉砂质泥、岩石英砂岩耐崩解性能差，软化现象较为突出。

（4）研究筑坝材料优化的基本目的，就是在满足设计要求前提下，尽可能采用坝址附近最优质、最便利的材料筑坝。研究成果表明，河口砂岩可用于沥青心墙上下游反滤过渡料、上游堆石料和主堆石料；石渣混合料可用于下游次堆石料。