韓素麗

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

1 松塔水電站工程概況

松塔水電站土石壩位于山西省壽陽縣松塔鎮(zhèn)下游，所屬的河流水系為汾河水系瀟河支流松塔河，大壩壩址上游控制流域面積1 174 km2。土石壩壩型選擇為均質(zhì)土壩，最大壩高62.60 m，壩頂長539.0 m，頂寬10 m，壩頂上游側(cè)設(shè)1.2 m高的漿砌石防浪墻；上游壩坡為 1:2.75、1:3.0、1:3.5，下游壩坡為 1:2.75、1:3.0、1:3.0；大壩上下游均各設(shè)兩條2.0m寬的馬道；上游壩坡設(shè)干砌石護(hù)坡，下游壩坡設(shè)混凝土塊護(hù)坡。壩體防滲采用黏土截水槽，截水槽的黏土性能與壩體填土性能一致；槽底達(dá)壩基強(qiáng)風(fēng)化基巖下限，底寬6.0m，上、下游邊坡均為1:1.5。本文基于松塔水電站土石壩現(xiàn)場取樣的三軸試驗測試結(jié)果，參考項目初步設(shè)計中相關(guān)數(shù)據(jù)，對壩體壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。大壩的斷面示意圖見圖1。

圖1 大壩斷面示意圖

2 材料與方法

2.1 試驗方法

三軸固結(jié)不排水試驗（簡稱多樣剪）是根據(jù)摩爾—庫倫破壞準(zhǔn)則測定土的強(qiáng)度參數(shù)（凝聚力和內(nèi)摩擦角）。試驗方法為：選取一圓柱體試樣，先在其四周施加一周圍壓力（即小主應(yīng)力），隨后逐漸增加大主應(yīng)力直至破壞為止。根據(jù)破壞時的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力，繪摩爾圓一組，摩爾圓的包線就是抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線。通常以近似的直線表示，其傾角為內(nèi)摩擦角以c表示，在縱軸上的截距為粘聚力以φ表示。試驗執(zhí)行參考《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 50123—1999）》，加荷采用試樣多次分級加荷法，累計的軸向應(yīng)變不超20%。

2.2 儀器設(shè)備

試驗儀器采用KTG全自動應(yīng)變控制式三軸壓縮儀（A型），儀器系統(tǒng)由試驗機(jī)、壓力室、試驗及控制系統(tǒng)、周圍控制系統(tǒng)、反壓控制系統(tǒng)、主應(yīng)力差量測系統(tǒng)、孔隙壓力傳感器、排水傳感器、體變傳感器、數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成。KTG全自動三軸壓縮試驗儀器系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 三軸儀器管路示意圖

2.3 取樣方法

本試驗采用土樣分別取自土壩下游壩坡10 m處不同樁號位置，土樣取土深度2 m，取土?xí)r保留1 m上層土，集中堆放一側(cè)，待取樣完成后回填，取樣時應(yīng)進(jìn)行一次重復(fù)。

2.4 試驗步驟

（1）首先將制備好的一個試樣安裝在壓力室內(nèi)，施加第一級周圍壓力進(jìn)行排水固結(jié)。

（2）固結(jié)完成后進(jìn)行剪切，直至軸向應(yīng)變達(dá)到預(yù)先設(shè)定值就停止剪切，然后退除軸向壓力，待孔壓穩(wěn)定施加第二級周圍壓力。

（3）重復(fù)之前的步驟，加第三級周圍壓力，再重復(fù)之前的步驟。

試驗要求后兩級周圍壓力應(yīng)等于或大于前一級周圍壓力下破壞的最大主應(yīng)力，試樣的軸向應(yīng)變以前一級剪切終了退去軸向壓力后的試樣高度作為后一級的起始高度，累計應(yīng)變不超過20%，將每一級周圍壓力下達(dá)到設(shè)定軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差作為破壞點(diǎn)。

2.5 測試結(jié)果

粘聚力又叫內(nèi)聚力，是在同種物質(zhì)內(nèi)部相鄰各部分之間的相互吸引力，這種相互吸引力是同種物質(zhì)分子之間存在分子力的表現(xiàn)；內(nèi)聚力能使物質(zhì)聚集成液體或固體，特別是在與固體接觸的液體附著層中，由于內(nèi)聚力與附著力相對大小的不同，致使液體浸潤固體或不浸潤固體。內(nèi)摩擦角是指物質(zhì)在垂直重力作用下發(fā)生剪切破壞時錯動面的傾角，它反映了土的摩擦特性，一般認(rèn)為包含兩個部分，即土顆料的表面摩擦力與顆粒間嵌入作用產(chǎn)生的咬合力。土石壩取樣三軸儀測定的有效粘聚力c’和有效內(nèi)摩擦角φ’結(jié)果見圖3。

從圖3數(shù)據(jù)可以看出，試驗測定的壩體土有效粘聚力最大值 c’max=94.0 kPa，有效粘聚力最小值 c’min=3.0 kPa，平均值 c’p=45.9 kPa，大值平均值 c’maxp=73.0 kPa，小值平均值c’minp=28.33 kPa；壩體土內(nèi)有效摩擦角最大值φ’max=29.5°,粘聚力最小值 φ’min=20.4°,平均值 φ’p=26.03°，大值平均值 φ’maxp=28.64°，小值平均值 φ’minp=23.42°。

3 測試結(jié)果與初步設(shè)計參數(shù)的分析比較

根據(jù)設(shè)計單位提供的該土石壩主體工程設(shè)計資料可知：上下游壩坡計算工況包括正常蓄水位（58.4 m）情況、校核洪水位（59.62 m）情況、正常蓄水位加地震與水庫水位由正常蓄水位降至死水位（25.4 m）情況四種工況；設(shè)計中選取的計算參數(shù)為：壩體土的粘聚力c’=10.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ’=23°；設(shè)計中采用理正軟件中的簡化Bishop法計算壩坡的安全系數(shù)，計算結(jié)果見表1。

表1 土石壩主體工程壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果表

將現(xiàn)場取樣的三軸儀測試統(tǒng)計結(jié)果和設(shè)計選用值相比較可知，選取的壩體土粘聚力值c’＝10.7kPa小于測試統(tǒng)計結(jié)果中的小值平均值c’minp=28.33kPa，內(nèi)摩擦角值φ’=23°則小于小值平均值φ’minp=23.42°。如果用現(xiàn)場測試的幾組統(tǒng)計值（平均值，大值平均值，小值平均值）均利用簡化Bishop法計算上下游壩坡安全系數(shù)，計算工況就選擇正常蓄水位情況，分析上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)，計算結(jié)果見表2，計算公式如下：

式中：W——土條重量，浸潤線以上按濕重度計，浸潤線與壩坡外水位間按飽和重度計，壩坡外水位以下按浮重度計；

u——條塊底面中心點(diǎn)出的滲透壓力；

α——土條底面中心點(diǎn)的切線與水平線間的夾角；

b——土條寬度；

φ’，C’——土條底面中心點(diǎn)所通過土層的內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力；

Mc——水平地震慣性力對圓心點(diǎn)的力矩；

R——滑弧半徑。

表2 土石壩不同粘聚力和內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計值分析壩坡穩(wěn)定

因此，從現(xiàn)場取樣三軸儀測試統(tǒng)計結(jié)果的穩(wěn)定計算結(jié)果來看，其值均大于設(shè)計值，可認(rèn)為壩體填筑土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）能滿足設(shè)計要求。對于其中出現(xiàn)的奇異點(diǎn)（比如7號土樣的粘聚力測試值為5kPa，5號土樣的內(nèi)摩擦角測試值20.3°，應(yīng)該在鄰近位置進(jìn)行重新取樣再次進(jìn)行測試。

4 結(jié)果分析

文章利用三軸儀（KTG全自動應(yīng)變控制式三軸壓縮儀）對新建土石壩的壩體填筑土取樣進(jìn)行了測試，根據(jù)測試得到土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值（粘聚力和內(nèi)摩擦角），然后與初步設(shè)計提出的壩坡穩(wěn)定分析壩體土參考值進(jìn)行了比較，并利用簡化Bishop法重新計算了各統(tǒng)計值下壩體上下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果表明壩體填筑土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。對于測試中出現(xiàn)的奇異值點(diǎn)，建議進(jìn)行重新測試，如果其值確實較小，應(yīng)提請設(shè)計單位對該部位土體進(jìn)行重新分析，提出改造措施和方案。