李樹武，魯 博，張 林

(1.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，陜西 西安 710065；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065；3.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引 言

一直以來，水利水電工程建設(shè)前期都需要進行大量的地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)評價，其中針對工程區(qū)巖土體物理力學(xué)特性進行匯總分析是地質(zhì)研究的關(guān)鍵，是為工程區(qū)提供設(shè)計方案的依據(jù)。地質(zhì)勘察多利用鉆探確定不同巖層深度及類型，再通過室內(nèi)試驗和原位試驗初步確定各層巖體的物理力學(xué)參數(shù)，這樣得到的參數(shù)是否可以以點概面，即如何保證各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)的合理性，是當(dāng)下研究的熱點之一。目前，在綜合考慮多因素、多方法取得各巖層物理力學(xué)參數(shù)值方面，國內(nèi)眾多學(xué)者做了大量的研究工作，靳鍇、唐鳴發(fā)[1]以西南某巨型水電站為例，介紹巖體物理力學(xué)試驗的方法及巖體物理力學(xué)參數(shù)選取原則。李鵬、焦振華[2]針對不同變異性的物理力學(xué)參數(shù)進行分析，提出數(shù)據(jù)統(tǒng)計時需采用不同的方法。對水利水電工程地質(zhì)參數(shù)取值存在的問題也有工程界學(xué)者[3-5]進行探究。考慮研究區(qū)域地形地貌及水文條件，尋找各物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性并建立它們之間的關(guān)系，可為具體工程物理力學(xué)參數(shù)的選取提供便利，同時也可對各參數(shù)選取的合理性進行校正，有關(guān)學(xué)者[6-7]也對此展開了研究。

綜上，水利水電工程地質(zhì)勘察中對各巖層物理力學(xué)參數(shù)的獲取和選擇是具有差異的，采取的方法是不同的，但都應(yīng)從實際水文地質(zhì)條件、工程應(yīng)用及土性變化情況出發(fā)，多角度對比分析，最終選取合理的參數(shù)，為工程設(shè)計提供可靠依據(jù)。本文以四川大渡河某水電站工程壩址勘察為背景，統(tǒng)計了壩址河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)，從試驗方法和合理性2個方面探討了物理力學(xué)參數(shù)取值的方法，對工程區(qū)的地質(zhì)條件進行了初步判斷。

1 工程概況

四川大渡河某水電站壩址位于四川省金川縣城以北約12 km、大渡河右岸支流新扎溝匯合口以上長約1 km的河段上。該工程壩址區(qū)河床覆蓋層平均厚度約47.27 m，最大厚度可達65 m，主要由含漂石砂卵礫石、砂卵礫石及少量細砂透鏡體組成。為全面、系統(tǒng)地研究壩址河床覆蓋層工程地質(zhì)特性，進行了大量細致的勘探、試驗及分析研究工作。河床覆蓋層的勘探、試驗平面布置見圖1。

圖1 壩址區(qū)河床覆蓋層試驗鉆孔分布

2 河床覆蓋層工程特性

為了解河床覆蓋層的物理力學(xué)性質(zhì)，共對35組鉆孔樣進行了物性試驗，根據(jù)覆蓋層的物質(zhì)組成(顆粒粒度)、層位分布、成因類型及工程特性，將河床覆蓋層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3大巖組。根據(jù)河床覆蓋層的室內(nèi)試驗、原位測試試驗及相關(guān)科研成果，統(tǒng)計各巖組的物理力學(xué)參數(shù)，為參數(shù)取值及分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 覆蓋層物理特性成果統(tǒng)計

根據(jù)河床覆蓋層巖組劃分情況，通過對河床覆蓋層顆粒分析試驗結(jié)果總結(jié)，獲得河床覆蓋層各巖組的顆粒最終統(tǒng)計結(jié)果，見表1。各巖組顆粒級配累計曲線見圖2。

表1 壩址河床覆蓋層各巖組顆粒分析結(jié)果 %

圖2 河床覆蓋層各巖組的顆粒級配累計曲線

通過顆粒級配累計曲線可獲得覆蓋層各巖組的級配特征或粒度成分的相關(guān)指標(biāo)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。根據(jù)河床覆蓋層各巖組的顆分試驗結(jié)果，應(yīng)用Cu和Cc對土的均勻性進行判別。通過河床覆蓋層的級配特征或粒度成分相關(guān)指標(biāo)可以判定，河床覆蓋層Ⅰ、Ⅲ巖組的顆粒級配不良，屬巨?；旌贤?；Ⅱ巖組的顆粒級配良好，顆粒略細，為含細粒土礫。

表2 壩址河床覆蓋層各巖組顆粒級配定量指標(biāo)

表征土的物理性質(zhì)的指標(biāo)很多，其中最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)有土的比重Gs、含水量w和密度ρ，這3個指標(biāo)一般可由室內(nèi)土工試驗直接測定，其他物理指標(biāo)可以通過這3個基本指標(biāo)換算獲得。試驗成果統(tǒng)計見表3。由于鉆孔試樣改變了土的天然狀態(tài)，所以無法通過室內(nèi)試驗獲取土的天然密度、干密度、孔隙比、含水率等指標(biāo)。針對壩基覆蓋層Ⅲ巖組專門進行了30組物理性試驗，成果統(tǒng)計見表4。

表3 壩基覆蓋層各巖組物理性質(zhì)試驗成果

表4 壩基覆蓋層Ⅲ巖組物理性質(zhì)試驗成果

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ巖組從顆粒級配組成上看同屬粗粒土，而粗粒土的密實程度是粗粒土的物理性質(zhì)研究的一項重要內(nèi)容。通過對粗粒土的密實程度的研究，不僅可以了解其物理狀態(tài)，還能初步判定其一些工程特性。根據(jù)河床覆蓋層粗粒土各巖組的顆粒特征(土類型)，結(jié)合粗粒土各巖組的已有試驗資料，對河床覆蓋層粗粒土各巖組采用指標(biāo)法和原位測試法判斷各巖組的密實度。

(1)物理指標(biāo)法。根據(jù)GB 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]中粗粒土的相對密實度可以評判其密實度，相對密實度與碎石土密實度的關(guān)系見表5。為此，對壩址區(qū)3個巖組含砂層鉆孔樣進行了11組相對密度試驗，試驗前先通過5 mm篩進行篩分，室內(nèi)試驗得到各巖組密實度統(tǒng)計結(jié)果為：各巖組的相對密實度在0.7～0.9范圍內(nèi)，整體呈密實狀態(tài)。

表5 相對密實度與碎石土密實度的關(guān)系

(2)原位測試法。由于河床覆蓋層含大量漂石、卵石，采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》[9]中超重型動力觸探N120進行原位測試。觸探擊數(shù)N120與碎石土密實度的關(guān)系見表6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層重型動力觸探桿長校正擊數(shù)N120為8.05～9.35，整體呈中密狀態(tài)。

表6 觸探擊數(shù)N120與碎石土密實度的關(guān)系

2.2 覆蓋層力學(xué)特性成果統(tǒng)計

為研究河床覆蓋層的力學(xué)性質(zhì)，在壩址河床覆蓋層進行了一系列室內(nèi)土工試驗和原位測試試驗，不僅為研究河床覆蓋層的力學(xué)性質(zhì)提供準(zhǔn)確可靠的試驗測試資料，而且通過這些試驗測試資料能夠獲得準(zhǔn)確可靠的力學(xué)指標(biāo)，為水電站設(shè)計的經(jīng)濟合理性提供可靠的地質(zhì)參數(shù)。限于篇幅，以下僅對Ⅲ巖組的力學(xué)參數(shù)進行統(tǒng)計。

2.2.1 力學(xué)特性試驗

Ⅲ巖組室內(nèi)力學(xué)試驗成果見表7。壓縮系數(shù)av(0.1～0.2 MPa)均值為0.01 MPa-1，壓縮模量Es均值為147.03 MPa，屬低壓縮性土；臨界坡降均值為0.22，破壞坡降均值為0.49，滲透系數(shù)均值為2.32×10-1cm/s，呈管涌破壞，屬強透水性土層；內(nèi)摩擦角均值為41.5，粘聚力均值為83 kPa。總體認為，作為壩基的Ⅲ巖組具有低壓縮、強透水的特點。采用大型高壓三軸試驗機對Ⅲ巖組砂卵礫石進行剪切試驗，與室內(nèi)力學(xué)試驗條件相同，施加圍壓0.80～2.40 MPa。三軸剪切試驗成果見表8。

表7 壩基覆蓋層Ⅲ巖組室內(nèi)力學(xué)特性試驗成果

表8 壩基覆蓋層Ⅲ巖組三軸剪切試驗成果

2.2.2 原位測試力學(xué)特性試驗

針對Ⅲ巖組在工程現(xiàn)場進行了大型荷載試驗、大型剪切試驗、管涌試驗，試驗成果見表9。壩址區(qū)覆蓋層主要為漂卵石、含卵砂石、砂石層與砂層，鉆孔地震縱橫波測試成果統(tǒng)計見表10。由于跨孔地震波測試是在下有套管的孔中進行的，再加上地震波要穿透3～5 m距離，因此地震波數(shù)據(jù)是地層的綜合反映，對覆蓋層的細節(jié)反映不靈敏。

表9 壩基覆蓋層Ⅲ巖組現(xiàn)場大型力學(xué)性質(zhì)試驗成果

表10 鉆孔地震縱橫波測試成果

3 河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)取值分析

3.1 試驗方法對物理力學(xué)參數(shù)取值的影響

前文統(tǒng)計了室內(nèi)、現(xiàn)場測試試驗的物理力學(xué)參數(shù)，而很多參數(shù)是由不同的試驗方法得到，試驗方法對這些參數(shù)是如何影響的是參數(shù)取值的關(guān)鍵問題。選取河床覆蓋層部分物理力學(xué)參數(shù)進行探討，以便為后期參數(shù)的取值提供參考。

(1)試驗方法對各巖組密實度的影響。從本文采用的物理指標(biāo)和原位測試2種方法對土層密實度的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，指標(biāo)法分析成果普遍高于原位測試法。這主要是由于指標(biāo)法室內(nèi)試驗的局限性造成的，室內(nèi)密實度試驗無論采用錘擊法還是振動法都對試樣中的粗大顆粒剔除，使土粒排列更為緊密。相比而言，原位測試法分析成果更能反應(yīng)土體賦存的真實狀態(tài)。

(2)試驗方法對Ⅲ巖組強度參數(shù)的影響。為了獲取Ⅲ巖組的強度參數(shù)，分別進行了直剪和三軸剪試驗，獲得的抗剪強度參數(shù)值c、φ存在差異，內(nèi)摩擦角值基本接近，均值分別為41.5°、45.21°；粘聚力差別大，均值分別為83、12.7 kPa。三軸剪切試驗考慮了周圍壓力、土體的真實破壞狀態(tài)，因此試驗結(jié)果更可靠。

(3)試驗方法對各巖組滲透系數(shù)的影響。對比室內(nèi)與現(xiàn)場原位測試結(jié)果，室內(nèi)滲水試驗結(jié)果偏大，是現(xiàn)場原位測試結(jié)果的10～100倍。這種巨大的差異主要是因為室內(nèi)試驗沒有完全模擬現(xiàn)場情況，如土顆粒級配、土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸效應(yīng)、溫度變化等因素，本文研究的土類為粗顆粒土，滲水路徑很重要，現(xiàn)場原位測試能夠較好地貼近實際情況。

3.2 力學(xué)參數(shù)取值合理性分析

通過試驗方法得到的參數(shù)不一定完全滿足工程需要，若試驗結(jié)果差異很大，往往需要以實際地質(zhì)條件，客觀地對試驗成果論證后選取力學(xué)參數(shù)。本文根據(jù)河床覆蓋層的力學(xué)試驗成果，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和手冊，結(jié)合河床覆蓋層各巖組的性狀特征，對河床覆蓋層各巖組的力學(xué)參數(shù)取值從水力特征參數(shù)、變形性參數(shù)(壓縮性參數(shù))、抗剪強度參數(shù)、非線性應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)和地基土承載力等幾方面分別研究河床覆蓋層的力學(xué)參數(shù)取值。

3.2.1 水力特征參數(shù)

(1)滲透系數(shù)。為查明河床覆蓋層的滲透系數(shù)，在3個鉆孔做了1組注水和6組抽水試驗，試驗結(jié)果見表11。測試結(jié)果表明，河床覆蓋層含漂砂卵礫石層、砂卵礫石層滲透性大，其透水性均為強透水，這與其含大量巨粒顆粒的實際情況相符。

表11 抽(注)水試驗測定滲透系數(shù)匯總

(2)允許坡降。GB 50021—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[10]、GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[11]、B.C.ISTOMINA[12]都提出了允許坡降建議值。方法一是結(jié)合粗粒土各巖組顆粒的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)確定的；方法二是由臨界坡降和破壞坡降的試驗值除以安全系數(shù)計算允許坡降，建議1.5～2折算；方法三是由不均勻系數(shù)Cu確定允許坡降。綜上所述，通過多種方法并進行對比，根據(jù)砂卵礫石試驗值及上述不同方法確定的允許坡降范圍值，保證取值的合理性。考慮Ⅰ、Ⅲ巖組成分接近，均顆粒較粗，故取允許坡降Jcr為0.10～0.15；Ⅱ巖組顆粒略細，則取Jcr為0.15～0.20。

(3)抗沖性。河床沖刷區(qū)漂塊卵石含量較高，呈中密狀態(tài)，且長期處于大渡河的沖刷狀態(tài)下，易沖刷物質(zhì)已經(jīng)被帶走，相對卵礫石層，具有較強的抗沖性能。同時結(jié)合沖刷區(qū)水深，經(jīng)工程類比，建議河床覆蓋層的抗沖流速取1.5～2 m/s。

3.2.2 變形模量

變形模量E0以載荷試驗、動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入等多種現(xiàn)場原位測試試驗成果為基礎(chǔ)，經(jīng)綜合分析確定。每種現(xiàn)場原位測試試驗的原理、考慮的影響因素、對土樣的擾動程度、試驗誤差等方面都存在差異，既各具優(yōu)點，又各具缺點。因此，不同的現(xiàn)場原位測試試驗獲得的變形模量E0是有差異的。此外，某些現(xiàn)場原位測試試驗受試驗條件的影響，僅能測試一定深度或一定類型的覆蓋層，僅能獲得某一巖組的變形模量E0。通過對比這幾種方法，再結(jié)合我國已有壩基覆蓋層經(jīng)驗，最終建議Ⅰ、Ⅲ巖組E0為40～45 MPa；Ⅱ巖組E0為35～40 MPa。

3.2.3 抗剪強度

通過室內(nèi)直接剪切試驗、高壓三軸剪切試驗、原位現(xiàn)場大型剪切試驗及動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入測試等測試試驗，獲得了河床覆蓋層的抗剪強度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。力學(xué)試驗集中在Ⅲ巖組含漂卵礫石層。

為了對河床覆蓋層的抗剪強度指標(biāo)粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ進行合理取值，不僅要分析各種試驗結(jié)果，還要分析覆蓋層各巖組特征。參考部分國內(nèi)外工程壩基砂卵礫石層地基土強度參數(shù)，建議值大多接近試驗值的下限，大部分工程內(nèi)摩擦角取值在35°左右，與該壩址環(huán)境相近的都江堰工程、毛家村水庫卵礫石的內(nèi)摩擦角取值分別為33°、37°。水電行業(yè)對晚更新世以后堆積的砂卵礫石作為壩基取粘聚力為0。綜合分析，該水電站壩基覆蓋層建議的強度參數(shù)：c=0,Ⅰ、Ⅲ巖組φ=32°～35°，Ⅱ巖組φ=30°～32°。

3.2.4 承載力

河床覆蓋層的承載力主要考慮天然狀態(tài)下的承載力大小。依據(jù)載荷試驗和動力觸探、標(biāo)貫試驗等試驗資料，結(jié)合河床覆蓋層的工程特征，以載荷試驗成果為主，參考標(biāo)貫和動力觸探試驗值綜合確定覆蓋層承載力。

參考國內(nèi)外及川西部分工程地基砂卵礫石層、砂土地基土承載力參數(shù)取值可以看出，定名為砂卵石、礫石土的承載力根據(jù)其密實度不同存在較大差距。與該壩址環(huán)境相近的有映秀灣水電站、銅街子水電站壩基，參考其他工程經(jīng)驗值，重點依據(jù)試驗成果分析，綜合選取壩基覆蓋層建議的承載力參數(shù)：Ⅰ、Ⅲ巖組fk=550～600 kPa，Ⅱ巖組fk=500～550 kPa。

3.3 覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值

由于河床覆蓋層的厚度大、物質(zhì)成分不均勻，埋深各異，物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。即便勘察中采用了多種方法進行了試驗研究，但成果仍有較大的離散性。除了各巖組本身的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)上的差異外，不同試驗方法、同一方法不同試驗點位及環(huán)境的差異均可造成測試成果的離散?？偟囊?guī)律是顆粒越粗，其物理力學(xué)特性越好；密實程度越高，工程特性也越好。綜合前述各項試驗成果及分析，提出表征壩基覆蓋層宏觀物理力學(xué)特性的主要參數(shù)建議值，見表12。對土體除提出了變形模量建議值外，還提供壓縮模量建議值。由于壓縮模量是在側(cè)限條件下(無側(cè)向變形)豎向應(yīng)力和豎向應(yīng)變的比值，其值應(yīng)大于變形模量值，但由于土不是真正的彈性體，并具有結(jié)構(gòu)性，且求解變形模量、壓縮模量試驗的要求不同，所以多情況下E0/Es都大于1。相比較而言，變形模量E0更能真實反映天然土層的變形特征。

表12 河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值

通過對河床覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)的研究分析發(fā)現(xiàn)，河床覆蓋層物理力學(xué)特性具有以下特征：

(1)河床覆蓋層各巖組存在物理力學(xué)性質(zhì)差異。Ⅰ、Ⅲ巖組比Ⅱ巖組的物理力學(xué)性質(zhì)好，其變形性、抗剪強度、承載力等參數(shù)明顯高于Ⅱ巖組。

(2)河床覆蓋層粗粒土巖組的干密度較大。據(jù)Ⅲ巖組現(xiàn)場大型力學(xué)配套物理性質(zhì)試驗成果，干密度為2.17～2.30 g/cm3，孔隙比為0.17～0.25。因此，河床覆蓋層粗粒土巖組在原位狀態(tài)下均呈較密實狀態(tài)。此外，雖然Ⅰ、Ⅱ巖組處于河床的中下部，無法做現(xiàn)場原位試驗，但其經(jīng)過長時間的自然壓實固結(jié)，覆蓋層的可壓縮性應(yīng)較Ⅲ巖組更小。

(3)覆蓋層3大巖組的滲透性好。由室內(nèi)滲透試驗與多組現(xiàn)場抽注水試驗可知，壩址覆蓋層粗粒土滲透系數(shù)大，為1×10-3～1×10-2cm/s，屬于強透水，會產(chǎn)生壩基管涌型滲透破壞問題。因此，設(shè)計中應(yīng)考慮有效的防滲工程措施。

(4)覆蓋層Ⅲ巖組可以作為壩基持力層。河床覆蓋層粗粒土巖組的承載力相對較高，其標(biāo)準(zhǔn)承載力為500～550 kPa。且厚度較大，可以作為大壩堆石體基礎(chǔ)。

綜上所述，河床覆蓋層物理力學(xué)性狀較好，但存在包括壩基滲漏、壩基沉降、滲流破壞等主要工程地質(zhì)問題，需采取有效的工程處理措施。

4 結(jié) 語

本文通過對某壩址區(qū)河床覆蓋層進行了大量室內(nèi)試驗和原位測試，統(tǒng)計了相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，分析了各參數(shù)的取值影響因素和取值方法，得出以下結(jié)論：

(1)試驗方法對河床覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)的影響主要在于模擬實際工程條件的程度，程度越高，參數(shù)可靠性越大。

(2)參數(shù)取值的合理性往往需要通過試驗方法、規(guī)范方法、工程類比法等多種方法多角度對比實現(xiàn)。取值時，應(yīng)從最安全的角度分析，為工程建設(shè)提供可靠的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

(3)試驗成果表明，該工程河床覆蓋層物理力學(xué)性狀較好，可以作為壩基持力層，但存在包括壩基滲漏、壩基沉降、滲流破壞等主要工程地質(zhì)問題。試驗及參數(shù)取值分析可類似工程物理力學(xué)參數(shù)選取提供參考依據(jù)。

本階段屬于可研勘察階段，對整個工程區(qū)的地質(zhì)情況進行初步探究，存在不足，在今后工程設(shè)計及施工時還需對關(guān)鍵部位參數(shù)取值進行更加細致的探究，確保工程建設(shè)安全可靠。