黃維，傅世平

（1.華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州，310018）

1 前言

沙坪二級壩址河谷兩岸左緩右陡，呈不對稱“U”型。左岸高程575 m以上為崩坡積層，后緣高程790 m左右，往下游方向逐漸降低，前后緣最大高差約240 m，縱向長約375 m，平面上呈喇叭形。壩線一帶一般厚9～13.5 m，壩前深厚，一般厚20～60 m，鉆孔揭示最大厚度達179.9 m以上，總方量約240.3萬m3。崩坡積體基覆界面具有明顯的臺階狀特征，臺階一般寬22～32 m。

崩坡積體顆粒組成極不均一，空間分布差異很大，崩坡積體自下而上可分為⑤-1、⑤-2、⑤-3、⑥、⑦層。

⑤-1、⑤-2、⑤-3塊碎石層：碎石含量約85%～90%，粉質(zhì)粘土含量10%～15%，稍密～中密為主；厚27～44 m。

⑥層碎石夾粉質(zhì)粘土：碎石含量約70%～80%，粉質(zhì)粘土含量約20%～30%，稍密～中密為主，弱膠結(jié)；分布較廣泛，厚2～38 m，向上游厚度增加。

⑦層碎石：塊石含量約10%，碎石含量約85%～90%，少量粉質(zhì)粘土充填，稍密為主，局部松散、架空；岸坡地表普遍發(fā)育，厚3～7 m。

物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)選擇以室內(nèi)大剪試驗、真三軸試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合工程類比法、經(jīng)驗公式法，綜合確定左岸崩坡積體的物理力學(xué)指標。大剪試驗是粗粒土直接剪切試驗的俗稱，是測定土體抗剪強度的一種常用方法，大剪試驗相對粗粒土的剪切試驗而言，比較復(fù)雜，每組試驗材料需要大約600 kg；三軸剪切試驗是測定土體抗剪強度的一種比較完善的室內(nèi)試驗方法。兩種試驗每組樣品的最大粒徑均不超過6 cm。

2 崩坡積體物理性質(zhì)

崩坡積體天然容重、含水率見表1。1號、2號和3號試樣級配的特征粒徑、不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)見表2。根據(jù)表2可知，1號、2號和3號試樣均不能同時滿足Cu大于5及Cc等于1～3，故均屬級配不良。

圖1 崩坡積體典型剖面圖Fig.1 Typical profile of colluvial clay

表1 天然容重成果表Table 1 Natural unit weight

3 崩坡積體力學(xué)性質(zhì)

左岸崩坡積體的巖土體力學(xué)性質(zhì)指標，以室內(nèi)土工試驗成果為基礎(chǔ)，結(jié)合經(jīng)驗公式法、工程地質(zhì)類比法確定。

3.1 大型剪切試驗成果

大剪試驗樣品分別取自覆蓋層中三個不同層位，每組樣品的最大粒徑不超過6 cm。據(jù)1號、2號和3號試樣試驗結(jié)果，綜合分析垂直壓應(yīng)力σ-水平剪應(yīng)力峰值τ關(guān)系曲線、天然和飽和容重、含水率及級配曲線，最終確定抗剪強度指標見表3。

表2 試樣特征粒徑、不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)Table 2 Characteristic particle diameter,non-uniformity coefficient and curvature coefficient

從表3可以看出，1號試樣內(nèi)摩擦角最高且天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)差值最?。ㄏ嗖畈坏?度），2號試樣內(nèi)摩擦角最低且天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)差值最大（相差在7度以上）。其原因在于1號試樣塊碎石含量最多，細顆粒含量最低；2號試樣塊碎石含量最少，細顆粒含量最高。

3.2 真三軸剪切試驗成果

分別對4號（塊碎石層⑤3）、5號（塊碎石夾粉質(zhì)粘土層⑥）和6號（碎塊石層⑦）試樣進行天然、飽水兩種狀態(tài)下的抗剪強度指標測定。

根據(jù)三軸剪切試驗測得的數(shù)據(jù)，整理并繪制主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。圖2為4號試樣飽水主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線（其余曲線相似），應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型曲線，未發(fā)生應(yīng)變軟化。在軸向應(yīng)變達12%之前，主應(yīng)力差值迅速增加；當軸向應(yīng)變大于12%后，主應(yīng)力差值略有增加，試樣應(yīng)變硬化的速率減小。

表3 天然和飽水狀態(tài)下抗剪強度指標Table 3 Shear strength index in natural state and water-saturated state

圖2 4號飽水主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 Graph of the principal stress difference and axial strain under water-saturated state

從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線并不十分光滑，而是在局部出現(xiàn)波動，但總體發(fā)展趨勢明顯，這是因為塊碎石土體中塊碎石含量較多，顆粒間以點接觸為主，在剪切過程中，接觸點處出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部應(yīng)力超過塊碎石土體顆粒接觸強度，產(chǎn)生了尖點破碎，引起了應(yīng)力與應(yīng)變的波動，隨后在壓力作用下顆粒發(fā)生重新排列、定向，達到一個新的平衡狀態(tài)，在宏觀上表現(xiàn)為應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展。

綜合分析主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線、固結(jié)不排水剪強度包線、天然和飽和容重、含水率和級配曲線，得出天然和飽水狀態(tài)下的抗剪強度指標見表4。從表4可知，天然狀態(tài)下6號試樣內(nèi)摩擦角最大，5號試樣內(nèi)摩擦角最小。其原因在于6號試樣塊碎石含量多，而土的含量少；相反，5號試樣塊碎石含量略少，而土的含量略多。另外，在飽水狀態(tài)下，4號、5號和6號試樣抗剪強度指標均有不同程度的降低，主要是由于試樣中土的含量不同，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角不同程度的降低。

3.3 經(jīng)驗公式

在工程地質(zhì)調(diào)查過程中，經(jīng)常遇到大量的滑坡、崩塌等復(fù)雜成因的第四系松散崩坡積體。這些松散崩坡積體以碎石或碎塊石夾土組成，碎、礫石的含量一般在30%～70%之間。這類土的力學(xué)性質(zhì)介于土體與堆石體之間。由于夾雜著大小不等的碎塊石，用常規(guī)的小試件進行試驗已經(jīng)不可能，需要做現(xiàn)場大剪試驗或室內(nèi)大剪試驗，但要花費大量的資金和精力，針對該問題，有學(xué)者通過試驗，提出了碎石土抗剪強度的計算方法。

時衛(wèi)民、鄭宏錄等人在研究三峽庫區(qū)碎石土抗剪強度指標試驗的過程中，根據(jù)抗剪強度與細粒含水量及碎石含量的變化關(guān)系，以細粒的液性指數(shù)和碎石含量為指標，提出了碎石土抗剪強度的實用計算公式。在碎石土抗剪強度指標的確定上，具有較高的參考價值。

表4 天然和飽水狀態(tài)下抗剪強度指標Table 4 Shear strength index in natural state and water-saturated state

式中：CC、?C——純土?xí)r的粘聚力和內(nèi)摩擦角；

KC、K?——分別為含石量對粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響系數(shù)，按表5取值；

P5——粒徑大于5 mm的顆粒含量，以小數(shù)計；

A——臨界含石量，按表5取值。

表5 含石量對強度參數(shù)的影響系數(shù)Table 5 Influence coefficient of the stone content to strength parameter

表中：KC、K?——分別為含石量對粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響系數(shù)；

IL——細粒土的液性指數(shù)。

式（1）、（2）中含有純土的強度參數(shù)，因此，只要按常規(guī)試驗，測定碎石土中細粒土的強度參數(shù)和液性指數(shù)，就可以推算出不同含石量下的強度參數(shù)。

運用上述碎石土抗剪強度的經(jīng)驗公式，針對左岸崩坡積體，結(jié)合常規(guī)試驗碎石土中細粒土的強度參數(shù)、液性指數(shù)及粒度分析曲線，分組估算其抗剪強度指標（見表6）。

計算結(jié)果表明，碎石土的抗剪強度指標隨著含石量的增加，內(nèi)摩擦角增大，而粘聚力減小。也就是說混合土由“土”性轉(zhuǎn)化為“石”性。

碎石土的抗剪強度指標隨著液性指數(shù)的增大，內(nèi)摩擦角減小，而粘聚力增大。內(nèi)摩擦角減小可以從兩方面解釋，一方面由于液性指數(shù)增加，土粒變得很軟，這些泥粘在粗粒的表面，降低了顆粒間的摩阻力，從而降低了摩擦角。另一方面由于液性指數(shù)的增加，某些硬結(jié)的粗粒被軟化，變成了軟泥，間接減少了粗粒的含量，引起內(nèi)摩擦角的降低。

表6 經(jīng)驗公式法下碎石土抗剪強度指標Table 6 Shear strength index of the gravel soil by the empirical formula method

3.4 工程地質(zhì)類比分析

工程地質(zhì)類比法是邊坡穩(wěn)定性分析與評價中常用的方法與手段，其結(jié)果有著重要的參考意義與借鑒價值。諸多水利水電工程及邊坡治理工程堆積體抗剪強度指標參數(shù)見表7。

由工程類比表可知，碎石土天然狀態(tài)下內(nèi)聚力取值一般在50～70 kPa之間，內(nèi)摩擦角一般在35°～40°之間；飽水狀態(tài)下內(nèi)聚力取值一般在40～45 kPa之間，內(nèi)摩擦角一般在26°～38°之間。

4 穩(wěn)定性計算參數(shù)綜合確定

計算參數(shù)選取是否合理是評價堆積體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過上述各種分析方法，得出的抗剪強度參數(shù)C、φ值匯總見表8。從表中可知，由試驗方法所得出的參數(shù)值處于類比范圍值之低限、略高于經(jīng)驗公式計算值，幾種方法取值具有較好的一致性。綜合各種方法的取值，建議計算參數(shù)如表9所示。

根據(jù)選取的參數(shù)，進行了左岸堆積體穩(wěn)定性分析和處理方案設(shè)計，處理工程已于2011年12月完工，監(jiān)測表明，目前邊坡整體穩(wěn)定。左岸堆積體的成功處理，對后續(xù)類似工程的崩坡積體物理力學(xué)參數(shù)取值方法有一定的參考意義?！?/p>

表7 堆積體抗剪強度類比參數(shù)值Table 7 Shear strength index of the deposit body by the engineering analogy method

表8 左岸堆積體各方法抗剪強度參數(shù)取值匯總表Table 8 Shear strength index of the deposit body by different methods

表9 左岸堆積體計算參數(shù)綜合取值表Table 9 Selected parameters of the deposit body on left bank

[1]成都理工大學(xué),華東勘測設(shè)計研究院.大渡河沙坪二級水電站壩址左岸堆積體穩(wěn)定性及工程影響專題研究報告[R].

[2]華東勘測設(shè)計研究院.四川省大渡河沙坪二級水電站可行性研究報告[R].

[3]時衛(wèi)民,鄭宏錄,劉文平,鄭穎人.三峽庫區(qū)碎石土抗剪強度指標的試驗研究[J].重慶建筑,2005(2):30-35.