張軼輝 范恩波 于巖志 張德安

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

·水利工程·

荒溝抽水蓄能電站上庫主壩基礎(chǔ)粘土質(zhì)砂層試驗(yàn)研究

張軼輝 范恩波 于巖志 張德安

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

荒溝抽水蓄能電站工程建設(shè)中主壩回填和副壩防滲均需要粘土土料。作為壩基的主要土層，粘土質(zhì)砂廣泛分布于巖基面上。此次試驗(yàn)研究即針對(duì)取自主壩基礎(chǔ)的粘土質(zhì)砂層進(jìn)行三軸、固結(jié)、滲透試驗(yàn)，通過上述試驗(yàn)提出E-μ模型參數(shù)、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)，從而驗(yàn)證以粘土質(zhì)砂代替常規(guī)粘土土料進(jìn)行上壩填筑的可行性。

荒溝抽水蓄能電站，粘土質(zhì)砂，粘土

0 引言

荒溝抽水蓄能電站上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程655.60 m，壩頂總長(zhǎng)744.2 m，壩頂寬8 m，最大壩高80.00 m。上、下游邊坡均為1∶1.4，下游在高程635 m和605 m各設(shè)一級(jí)馬道。電站附近場(chǎng)儲(chǔ)量并不豐富。本次試驗(yàn)研究即針對(duì)取自主壩基礎(chǔ)的粘土質(zhì)砂層進(jìn)行三軸、固結(jié)、滲透試驗(yàn)，通過上述試驗(yàn)提出E-μ模型參數(shù)、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)，從而驗(yàn)證以粘土質(zhì)砂代替常規(guī)粘土土料進(jìn)行上壩填筑的可行性。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)研究主要進(jìn)行了上水庫主壩壩基粘土質(zhì)砂層5組原狀樣和11組擾動(dòng)樣的16組顆分曲線繪出1組平均級(jí)配曲線，用平均級(jí)配曲線的顆粒組成配制土樣進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，采用最大干密度乘以0.99來控制制樣干密度進(jìn)行三軸、固結(jié)、滲透試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法

2.1三軸試驗(yàn)

本次三軸試驗(yàn)研究試樣為D×H(101 mm×200 mm)的原狀土樣。

1)原狀樣制備：根據(jù)SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程，具體試驗(yàn)步驟略。

2)試樣飽和：將制備好的原狀樣裝入飽和器并置于抽氣缸內(nèi)，進(jìn)行抽氣。抽氣時(shí)間為真空度約達(dá)到一個(gè)大氣壓后保持1 h。

3)試樣固結(jié)：試樣安裝后，裝上壓力室罩并向內(nèi)注滿水，施加預(yù)定周圍壓力使試樣開始固結(jié)，繪制排水量與時(shí)間關(guān)系曲線，固結(jié)度達(dá)到95%以上，則認(rèn)為試樣固結(jié)完成。

4)本次試驗(yàn)施加周圍壓力為100 kPa,200 kPa,400 kPa,600 kPa四級(jí)。試樣以0.015 mm/min速率均勻加壓下剪切，直至試驗(yàn)結(jié)束。

5)破壞點(diǎn)的確定：當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線有峰值時(shí)，取峰值為破壞點(diǎn)；當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線無峰值時(shí)，則取軸向應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)點(diǎn)為破壞強(qiáng)度。

2.2固結(jié)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)研究固結(jié)試樣尺寸D×H=79.8 mm×40 mm。

制樣方法：試樣控制干密度同原狀樣密度，將土料一次性壓入環(huán)刀內(nèi)，飽和方法同2.1。本次固結(jié)試驗(yàn)施加壓力為50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 600 kPa六級(jí)，試樣裝入儀器后，因需測(cè)定沉降速率，加壓后按下列時(shí)間順序測(cè)量表讀數(shù)：0.25 min,1.00 min,2.25 min,4.00 min,6.25 min,9.00 min,12.25 min,16.00 min,20.25 min,25.00 min,30.25 min,36.00 min,42.25 min,60.00 min,以后每1 h測(cè)讀一次。當(dāng)每1 h百分表讀數(shù)差值均不大于0.05 mm時(shí)，可施加下一級(jí)壓力，直至試驗(yàn)結(jié)束。

2.3滲透試驗(yàn)及滲透破壞比降試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)是測(cè)定土的滲透系數(shù)。滲透破壞比降(滲透變形)試驗(yàn)是測(cè)定土樣在滲流水通過時(shí)，試樣的滲透系數(shù)和細(xì)顆粒隨滲流逐漸流失的破壞比降(管涌)及土體整體浮動(dòng)時(shí)的破壞比降(流土)。

本次試驗(yàn)研究滲透試樣尺寸D×H=89.4 mm×138 mm。裝樣前將試樣筒壁涂上一薄層凡士林，制樣方法采用擊實(shí)法，將制樣土料分三層制備，層間要進(jìn)行刨毛處理，測(cè)定每級(jí)水頭下相應(yīng)時(shí)間的滲出水量并測(cè)定水溫，計(jì)算滲透系數(shù)值。

滲透變形判斷公式如下：

流土：Pc≥1/4(1-n)×100;

管涌：Pc<1/4(1-n)×100。

其中，Pc為土的細(xì)粒顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)；n為土的孔隙率(以小數(shù))。

16組顆分曲線的平均級(jí)配的細(xì)粒顆粒含量為44.3%，孔隙率n值為0.189。

Pc=44.3%>1/4(1-n)×100=18.9%,屬于流土形式破壞。

3 試驗(yàn)資料整理方法

3.1三軸飽和固結(jié)排水剪切試驗(yàn)資料整理方法，即E-μ模型和E-B模型參數(shù)的整理

3.1.1E-μ模型參數(shù)的整理

1)切線彈性模量Et的求解。

根據(jù)康德納的建議，三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為雙曲線，即在σ3等于常量時(shí)：

(1)

經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，雙曲線轉(zhuǎn)換為直線關(guān)系，可得截距a、斜率b，其表達(dá)式為：

(2)

式中：(σ1-σ3)——主應(yīng)力差，kPa；

εi——軸向應(yīng)變，%；

a——初始切線模量的倒數(shù),kPa-1；

b——主應(yīng)力差漸近線(σ1-σ3)ult的倒數(shù),kPa-1。

K,n分別為彈性模量系數(shù)和彈性模量指數(shù)，由logEi—logσ3曲線確定。

根據(jù)土力學(xué)中摩爾—庫侖破壞標(biāo)準(zhǔn)理論：

(3)

其中，c，φ分別為土料的凝聚力和內(nèi)摩檫角。

曲線上任一點(diǎn)的切線彈性模量Et，其表達(dá)式：

(4)

2)切線泊松比μt的求解。

假設(shè)軸向應(yīng)變?chǔ)舏與側(cè)向應(yīng)變?chǔ)舝也成雙曲線關(guān)系，即：

(5)

變換坐標(biāo)型式，式(5)可改寫成直線關(guān)系：

(6)

式中：εr——側(cè)向應(yīng)變，%；

εi——軸向應(yīng)變,%；

f——初始切線泊松比；

D——軸向應(yīng)變漸近值的倒數(shù)。

3.1.2E-B模型參數(shù)的資料整理

體積模量是平均法向應(yīng)力P與體積應(yīng)變?chǔ)舦之比，用B來表示，它與E和μ之間存在如下關(guān)系：

(7)

(8)

鄧肯等人假定，B與應(yīng)力水平(σ1-σ3)無關(guān)，僅僅隨固結(jié)壓力σ3而變化，對(duì)同一σ3，Bt為常量，由式(8)可見，這相當(dāng)于假設(shè)與(σ1-σ3)成比例關(guān)系。

根據(jù)這種假定，對(duì)于同一σ3，如果繪制(σ1-σ3)—εv關(guān)系曲線應(yīng)為一直線。事實(shí)上，它不是直線，鄧肯等人取應(yīng)力水平S=0.7相應(yīng)的點(diǎn)的主應(yīng)力差和所對(duì)應(yīng)體應(yīng)變?chǔ)舦值來計(jì)算B值。即:

(9)

(10)

通過E-B模型的計(jì)算繪圖后，即可求出體積模量系數(shù)Kb和體積模量指數(shù)m。

3.2固結(jié)試驗(yàn)計(jì)算公式

壓縮系數(shù):

(11)

式中：ei——某一級(jí)壓力下的孔隙比；

pi——某一壓力值,kPa。

壓縮模量:

(12)

其中，e0為試樣的初始孔隙比。

固結(jié)系數(shù):

(13)

4 試驗(yàn)研究成果

采用上述整理試驗(yàn)資料的方法，對(duì)荒溝抽水蓄能電站主壩壩基粘土質(zhì)砂進(jìn)行三軸飽和固結(jié)排水剪切試驗(yàn)資料計(jì)算、分析，提出模型參數(shù)壓縮系數(shù)av1-2=0.128 9 MPa-1，屬于中等壓縮性土。

按原狀樣的平均干密度制備的土樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)其滲透系數(shù)為2.13×10-5cm/s，其范圍值接近于粘性土的指標(biāo)。

本次荒溝抽水蓄能電站上庫主壩上壩料試驗(yàn)研究表明：粘土質(zhì)砂層大于10 mm顆粒含量為3.9%，未形成骨架作用，其特性接近于粘性土。

5 結(jié)語

荒溝抽水蓄能電站上庫主壩粘土質(zhì)砂層的試驗(yàn)研究結(jié)果均接近于粘性土的指標(biāo)，其各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)單位的控制要求，粘土質(zhì)砂可作為工程需要的粘土使用。

[1] SL 237—1999，土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] GB/T 50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

MaindamfoundationofclayeysandtestresearchofHuanggoupumped-storagepower

ZhangYihuiFanEnboYuYanzhiZhangDe’an

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun130061,China)

Huanggou pumped power station construction dam backfilling and vice dam are claymaterial storage. As the main soil dam foundation, clayey sand is widely distributed in the rock surface, such as clay sand can be used as the engineering needs of clay, which can not only prevent soil field land, mining, long distance transportation of trouble, greatly reduce the soil material cost, and also can reduce theamount of waste slag dam excavation. This experimental study is taken from the main dam foundation for clay sand to three axis, consolidation, permeability test, the test proposed by E-μ model parameter, the coefficient of consolidation, permeability coefficient, which verifies the feasibility of clayey sand instead of conventional clay soil dam filling material.

Huanggou pumped storage power station, clay sand, clay

1009-6825(2017)30-0203-02

2017-08-13

張軼輝(1980- )，男，工程師

P641

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