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        特高面板壩砂礫石料工程特性試驗研究

        2020-06-01 01:02:24米占寬
        水利與建筑工程學報 2020年2期
        關(guān)鍵詞:包線堆石砂礫

        任 艷,凌 華,米占寬,傅 華,王 芳

        (1.塔里木河流域大石峽水利樞紐工程建設(shè)管理局, 新疆 庫爾勒 841000;2.南京水利科學研究院, 江蘇 南京 210029;3.水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室, 江蘇 南京 210029)

        砂礫石料綜合單價約為爆破堆石料的50%,具有易壓實、軟化系數(shù)大等特點,碾壓時顆粒也不易破碎,壓實后一般強度高、壓縮性小[1-2],在水利水電、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中應(yīng)用非常廣泛?;炷撩姘鍓问钱斀袼姽こ探ㄔO(shè)的主流壩型之一。具有造價低、工期短、施工方便、壩坡穩(wěn)定性好、抗震性能強等顯著優(yōu)點。1993年后,國內(nèi)吸取溝后面板砂礫石壩潰壩[3]教訓和總結(jié)其它工程成功經(jīng)驗,已建成了壩高164.8 m阿爾塔什[4]、壩高157 m吉林臺一級[5]、壩高133 m烏魯瓦提[6]和壩高123.5 m黑泉面板砂礫石壩[7],現(xiàn)正擬新建一批250 m級的高面板砂礫石壩[8-9],如最大壩高257.5 m的茨哈峽和最大壩高247 m的大石峽面板砂礫石壩。相比百米級砂礫石面板壩,這些特高壩壩體內(nèi)應(yīng)力顯著增加,應(yīng)力分布更加復(fù)雜,導(dǎo)致壩體變形增大、面板裂縫,甚至引起安全問題,這對大壩的變形控制及滲流控制提出了嚴峻挑戰(zhàn)。砂礫料的工程特性是確保砂礫石面板壩安全的基本要素,眾多學者對其壓實特性[10-11]、強度指標[12-15]、變形特性[14-15]和滲透性能[2,16]進行了研究,得到了一些有益的研究結(jié)論。

        本文以某特高面板壩砂礫石填筑料為對象,研究了砂礫料的壓實性能、強度指標、變形特性和滲透性能。

        1 試驗研究

        開展相對密度試驗研究了砂礫料的室內(nèi)壓實性能,通過大型三軸試驗研究了砂礫料的強度指標及應(yīng)力變形特性,通過滲透試驗分析了各區(qū)砂礫料的滲透性能隨級配的變化規(guī)律。

        1.1 砂礫石料基本物理性質(zhì)

        試驗材料為某特高面板堆石壩砂礫石填筑料,巖性以花崗巖、砂巖、微晶灰?guī)r為主,其次為礫巖、粉細砂巖、頁巖等,超徑石以灰白色花崗巖為主,少量灰褐色變質(zhì)砂巖和灰色灰?guī)r。砂粒成份為石英、長石及巖屑等,粒徑以中粒為主。根據(jù)各壩體分區(qū)料設(shè)計級配包絡(luò)線采用等量替代法縮制成最大粒徑不超過60 mm的室內(nèi)試驗?zāi)M級配。相對密度試驗試樣筒尺寸為Ф300 mm×360 mm,最小干密度試驗采用人工法,最大干密度試驗采用表面振動法。砂礫料的級配特性及相對密度結(jié)果見表1。

        表1 試驗級配與試驗干密度

        1.2 三軸強度變形試驗

        取相對密度0.90,采用大型三軸儀開展了墊層區(qū)平均線、主堆石區(qū)上包線、平均線和下包線試樣的大型靜力三軸試驗。為避免制樣擊實功能對強度和變形特性的影響,試驗時以相對密度0.90為控制標準,各試驗試樣干密度見表1。

        試驗試樣尺寸為Φ300 mm×700 mm,采用表面振動法分5層制樣,水頭法進行試樣飽和,剪切速率為2 mm/min。試驗圍壓5級,分別為400 kPa、800 kPa、1 200 kPa、2 000 kPa和3 000 kPa。試驗嚴格按照《土工試驗規(guī)程》[17](SL 237—1999)進行。

        三軸試驗曲線見圖1,各砂礫石料的線性強度指標、非線性強度指標以及不同圍壓下的破壞峰值見表2,整理得到的鄧肯模型主要變形參數(shù)見表3。

        圖1 三軸試驗曲線

        表2 強度指標

        表3 鄧肯模型變形參數(shù)

        由圖1,各區(qū)筑壩材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有非線性、壓硬性和彈塑性等一般規(guī)律。各砂礫料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多呈應(yīng)變軟化特性,隨圍壓的增長,應(yīng)變軟化特性逐漸趨向于應(yīng)變硬化,但即使圍壓高達3 MPa,出現(xiàn)應(yīng)力峰值時的軸向應(yīng)變也僅為12%左右。

        由體變-應(yīng)變關(guān)系,當圍壓較小時,由于砂礫料不易破碎和顆粒間的架越作用,剪脹現(xiàn)象明顯。隨圍壓的進一步提升,體變曲線的剪脹性逐漸降低。但對于文中砂礫石料,由于相對密度高達0.90,圍壓3 MPa條件下仍或多或少的產(chǎn)生了剪脹現(xiàn)象。

        三軸試驗結(jié)果表明,當采用0.90相對密度時,該工程砂礫石料強度指標φ達到了39.2°~40.3°,鄧肯模型參數(shù)K值達到了1 110.2~1 344.0。壓實后的砂礫料具有較為優(yōu)越的力學性能,是較為理想的高土石壩填筑料。

        1.3 滲透系數(shù)測試

        采用常水頭法開展了各區(qū)料的垂直滲透試驗,滲流方向為從下向上,試樣尺寸為Φ300×300 mm,試驗結(jié)果見表4。

        表4 滲透系數(shù)試驗結(jié)果

        2 砂礫石料的工程特性

        2.1 砂礫料室內(nèi)壓實性能

        點繪各區(qū)料最小干密度、最大干密度隨小于5 mm粒徑顆粒含量(P<5)的變化關(guān)系,見圖2。由圖2可知起始隨P<5的提高,細顆粒能逐漸填充至粗顆粒骨架形成的孔隙內(nèi),因此最小干密度和最大干密度均有所增加;當P<5增加至某一范圍后,由于細顆粒已較充分的填充孔隙,最小干密度和最大干密度雖有一定的增長,但增長較為緩慢,逐漸達到某一臨界值。超過該臨界值后,細顆粒的繼續(xù)增加有阻礙或隔離骨架的趨勢,最小干密度和最大干密度反而會有所降低。

        對于文中砂礫料,P<5臨界值略超過30%,與文獻[16]結(jié)論類似。需說明的是,對于堆石料,特別是硬巖堆石料,該值往往達到40%~50%以上,這表明顆粒形狀也會影響粗粒土材料的壓實性能。

        當然,分析砂礫石料壓實性能隨級配的變化,不能僅依靠P<5,也要考察級配是否優(yōu)良,如不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、級配是否連續(xù)性等。文中排水區(qū)料P<5為12.25%,與主堆石區(qū)下包線砂礫料13%接近,但由于排水區(qū)料缺失2 mm以下顆粒,相比下包線試樣,最小干密度降低了0.08 g/cm3、最大干密度降低了0.07 g/cm3。

        圖2 最小干密度和最大干密度隨P<5的變化

        2.2 砂礫石料強度指標

        由表2,對于主堆石區(qū)料,由于隨P<5含量的提高,細顆粒能逐漸密實填充于粗顆粒形成的骨架孔隙內(nèi),并與骨架協(xié)調(diào)作用以共同分擔荷載,因此在全圍壓范圍內(nèi)主堆石區(qū)上包線試樣的破壞峰值最大,強度指標最高,線性強度指標φ達到了39.9°,φ0達到了50.2°;主堆石區(qū)下包線試樣的破壞峰值最小,強度指標最低,φ為39.2°,φ0達到了49.9°;平均線試樣居中。

        隨P<5含量進一步的提高,相比主堆石區(qū)料上包線試樣,含量為42.5%的墊層區(qū)平均線試樣的破壞峰值整體有所降低。特別是當圍壓較小時,由于骨架被細顆粒有阻斷的趨勢,因此剪切破壞峰值降低較為顯著。當圍壓超過2 MPa后,由于墊層區(qū)料平均線試樣的干密度接近主堆石區(qū)料上包線試樣,且砂礫石料顆粒的不易破碎,其強度峰值與主堆石區(qū)上包線試樣的剪切破壞峰值接近。對于強度指標,當P<5含量進一步提高后,砂礫石料的強度指標C值降低較為顯著,φ值略有增加,但φ0、Δφ均降低較為明顯。

        綜上,隨P<5含量的增加,壓實后的砂礫石料強度逐漸增加,但超過臨界值后,又有降低的趨勢。

        2.3 砂礫石料的變形特性

        點繪墊層區(qū)料平均線試樣、主堆石砂礫料上包線、平均線和下包線的Ei/Pa、Bt/Pa隨σ3/Pa的變化關(guān)系匯于圖3,其中Ei為初始切線彈性模量,Bt為切線體積模量,σ3為試驗圍壓,Pa為標準大氣壓。

        圖3 Ei/Pa(Bt/Pa)-σ3/Pa關(guān)系曲線

        對于主堆石區(qū)砂礫料上包線、平均線和下包線試樣,盡管相對密度相同,由于上包線試樣粗細顆粒咬合緊密,細顆粒能協(xié)同分擔荷載,因此在各圍壓范圍內(nèi)初始切線彈性模量、切線體積模量均要高于平均線和下包線試樣;且隨圍壓的提高,級配優(yōu)良的特性得到進一步發(fā)揮,差異越顯著。如圖3所示,在圍壓較低時上包線試樣與下包線試樣的峰值相差不大,出現(xiàn)峰值時的軸向應(yīng)變也較近,兩者的體變曲線也相差不大,甚至由于下包線試樣形成骨架的粗顆粒含量較高,在剪應(yīng)力作用下的剪脹現(xiàn)象更顯著。但隨圍壓的提高,如圍壓達到3 MPa時,上包線試樣剪切峰值不但高于下包線試樣,出現(xiàn)峰值時的軸向應(yīng)變約為10%,也要小于下包線試樣的12%;對于體積變形,由于上包線試樣的級配更為優(yōu)良,骨架形成的孔隙小,在高圍壓條件下產(chǎn)生的體積變形小,剪脹趨勢更為明顯。反映在鄧肯模型參數(shù)上,上包線試樣的K、Kb值最大,彈性模量系數(shù)n和體積模量系數(shù)m值也最大,下包線數(shù)值最小,平均線居中。

        隨P<5含量的進一步增加,即為42.5的墊層料,由于此時的細顆粒含量較高,已有隔斷粗顆粒骨架的趨勢,相同壓實功能條件下得到的密度也開始逐漸降低,因此當圍壓較低時,其峰值要低于主堆石區(qū)砂礫料上包線試樣,且在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的體積變形量要大。當圍壓進一步提高后,特別是高圍壓條件下,由于P<5含量增加量不大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線及體變-應(yīng)變曲線整體變化不大。反映在鄧肯模型參數(shù)上,相比主堆石砂礫料上包線試樣,墊層區(qū)料平均線試樣鄧肯模型參數(shù)K、Kb值要有所降低,彈性模量系數(shù)n和體積模量系數(shù)m值略有增加,整體略有降低。

        2.4 砂礫石料的滲透性能

        點繪各區(qū)料試樣滲透系數(shù)隨P<5含量的變化關(guān)系,見圖4。相同的相對密度條件下,各試驗材料滲透系數(shù)與P<5含量關(guān)系密切,隨P<5含量的提高,滲透系數(shù)降低。考慮到P<5含量對滲透系數(shù)的重要影響,試驗人員開展?jié)B透系數(shù)試驗時,宜優(yōu)先采用等量替代法進行超粒徑處理。另外,相比主堆石區(qū)砂礫料下包線試樣,反濾過渡區(qū)P<5含量與之相近,但由于缺失了2 mm以下細顆粒,其滲透系數(shù)要顯著增加。

        圖4 滲透系數(shù)隨P<5含量的變化

        需要指出的是,相比堆石料,砂礫料的滲透系數(shù)一般要低,如主堆石區(qū)砂礫料上包線試樣,小于5 mm粒徑顆粒含量為37%,滲透系數(shù)為2.50×10-4cm/s,平均線試樣小于5 mm粒徑顆粒含量為25%,滲透系數(shù)為6.01×10-3cm/s,均不滿足堆石區(qū)料滲透系數(shù)大于10-2cm/s的常規(guī)要求,因此對于采用砂礫石料填筑的高土石壩,應(yīng)重視壩體排水設(shè)計。

        3 結(jié) 論

        (1)P<5含量是影響砂礫石料壓實性能的重要因素,起始隨P<5含量的提高,最小干密度和最大干密度增加較快;達到某一定范圍后,增長趨緩,且超過某臨界值后又有所降低,對于文中砂礫石料該臨界值略大于30%。

        (2) 起始隨P<5含量的提高,相同相對密度的砂礫料強度提高,但超過該臨界值后,又有降低的趨勢。

        (3) 起始隨P<5含量的提高,相同相對密度的砂礫料初始切線彈性模量、切線體積模量增大,但超過該臨界值后,又有降低的趨勢。

        (4)P<5含量是影響滲透性能的重要因素,室內(nèi)模擬試驗時宜采用等量替代法進行超粒徑處理。

        (5) 壓實后的砂礫石料力學指標較優(yōu),是高土石壩較為理想的填筑料,但由于砂礫石料滲透系數(shù)低,抗沖刷能力差,采用砂礫石料填筑的高土石壩應(yīng)重視壩體防滲排水和反濾設(shè)計。

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