陸 希

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

中國是世界上高面板堆石壩數(shù)量最多的國家，已建、在建和擬建高度200 m以上特高面板堆石壩數(shù)量亦居世界之首[1-2]，面板堆石壩已成為我國水電工程建壩的首選壩型之一。 面板堆石壩的優(yōu)勢是利用當(dāng)?shù)赝潦牧辖▔?，從而大幅降低工程造價(jià)，而在修建水電工程時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的建筑物開挖料，一部分開挖料質(zhì)量較好，強(qiáng)度較高，可以直接作為筑壩料上壩，還有一部分不良開挖料強(qiáng)度較低，如板巖、強(qiáng)風(fēng)化巖體等，作為軟巖也可以用于一些中、高壩[3-5]。但對于壩高超過200 m的特高壩，按照NB/T 10872-2021《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，利用軟巖或不良開挖料筑壩需進(jìn)行專門研究，需要對其工程特性及在壩體中的分區(qū)位置、含量等做進(jìn)一步分析，最大化的進(jìn)行利用，減少開挖棄碴，降低工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)綠色施工。對于中高面板堆石壩或心墻壩，直接采用單純的軟巖或不良開挖料筑壩，采取一定的工程措施后是可行的[6]，國內(nèi)的積石峽面板堆石壩、董箐面板堆石壩[7]、小井溝面板堆石壩均是采用硬巖與軟巖摻配使用的代表性高壩[8]。對于特高面板堆石壩來說，由于壩體高度高，內(nèi)部應(yīng)力大，單獨(dú)使用純軟巖筑壩，會(huì)產(chǎn)生較大的壩體變形，影響到大壩的安全運(yùn)行，但通過將軟巖與硬巖料按比例摻配使用，摻配料的模量較軟巖料的模量有較大提升，從而達(dá)到有效控制壩體變形，并且可以最大限度利用開挖料。馬來西亞巴貢水電站面板堆石壩是特高壩采用軟硬巖摻和料的代表性工程[9-10]，國內(nèi)已建第一高面板壩——水布埡面板壩也曾研究過采用軟硬巖摻合料筑壩[11]。本文依托某250 m級(jí)特高面板堆石壩工程[12]，對不同風(fēng)化程度、摻配比例的板巖開挖料(軟巖)與新鮮硬巖料摻配料的密度特性、應(yīng)力應(yīng)變特性、壓實(shí)特性等方面進(jìn)行研究論證，對比分析摻配料的工程特性，以說明其在特高面板壩中應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

依托工程混凝土面板堆石壩最大壩高257.5 m，壩址100年超越概率2%的基巖峰值加速度為0.284g，100年超越概率1%的基巖峰值加速度為0.337g。該工程的建筑物開挖料，主要包括溢洪道、泄洪洞、導(dǎo)流洞、地下廠房等建筑物的開挖碴料。

依托工程開挖區(qū)基巖為中厚～薄層狀砂巖、砂巖夾板巖、砂板巖互層，巖層最大厚度50 cm左右，層理及層間結(jié)構(gòu)面發(fā)育，板巖各向異性明顯。弱風(fēng)化～微風(fēng)化砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度40～112 MPa，軟化系數(shù)平均0.72，整體屬堅(jiān)硬巖。板巖為薄層～極薄層狀，層理極發(fā)育，弱風(fēng)化及以下垂直層理面的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30～40 MPa，軟化系數(shù)平均為0.67，平行層理面的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為7～32 MPa，軟化系數(shù)0.65～0.70。作為特高土石壩筑壩料在高圍壓作用下巖塊各個(gè)方向均要承受荷載，故板巖總體為軟巖。為研究不同風(fēng)化程度、不同板巖含量的塊石料在工程特性參數(shù)方面的差異，并與硬巖塊石料進(jìn)行對比，進(jìn)行了砂巖與板巖的比例為砂巖100%、砂巖80%+板巖20%、砂巖70%+板巖30%、砂巖60%+板巖40%摻配料試驗(yàn)分析。

依托工程壩體標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 某工程特高面板壩壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面 單位：m

2 摻配料的工程特性

根據(jù)開挖區(qū)底層巖性互層的實(shí)際情況，擬定了下列12種摻配方案(見表1)進(jìn)行試驗(yàn)，每一種摻配料按照18%和20%兩種孔隙率作為填筑控制標(biāo)準(zhǔn)，從其密度特性、應(yīng)力應(yīng)變特性以及壓實(shí)特性等方面進(jìn)行研究。

表1 摻配料的摻配方案

2.1 密度特性

選擇不同風(fēng)化程度、不同摻配比例的摻配料以及弱風(fēng)化砂巖開挖料開展密度試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表2。

表2 密度試驗(yàn)結(jié)果

總體上看，在干密度方面，單純的弱風(fēng)化砂巖，均小于摻配弱風(fēng)化板巖(軟巖)后的最小和最大干密度，而幾種摻合料的最大、最小干密度基本相同，且并不隨著巖體風(fēng)化程度的變化而改變。說明較硬的砂巖中摻入較軟的板巖對提高堆石的干密度是有利的，并且對風(fēng)化程度不敏感。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變特性

采用室內(nèi)大三軸試驗(yàn)進(jìn)行摻配料應(yīng)力應(yīng)變特性參數(shù)測定。大三軸試驗(yàn)試樣直徑為300 mm、高度760 mm，試樣根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行縮尺，圍壓分5級(jí)加載，最大圍壓3 MPa，制樣按兩種孔隙率：孔隙率為18%、相應(yīng)干密度為2.23 g/m3；孔隙率20%、相應(yīng)干密度為2.18 g/m3。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻配料的應(yīng)力應(yīng)變特性基本符合摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，固結(jié)排水剪的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本呈應(yīng)變硬化型，曲線形狀比較接近雙曲線。從體變曲線看，在小圍壓時(shí)有輕微剪脹發(fā)生，其他條件下無明顯剪脹現(xiàn)象。通過大三軸試驗(yàn)，得到的鄧肯E-B模型和南水模型參數(shù)見表3。

表3 堆石料大三軸剪切試驗(yàn)鄧肯模型(E一B)參數(shù)

主要針對模量系數(shù)K以及初始內(nèi)摩擦角φ0，從以下幾個(gè)方面來對比分析摻配料的應(yīng)力應(yīng)變特性的不同變化：

(1) 摻配堆石料的不同風(fēng)化程度

干密度為2.23 g/cm3的不同巖性的不同摻配比例時(shí)的飽和料的模量系數(shù)K和內(nèi)摩擦角φ0試驗(yàn)結(jié)果比較見圖2和圖3。從柱狀圖可以看出，相同摻配比例的強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體，在摻配比例相同的前提下，弱風(fēng)化巖體的K明顯高于強(qiáng)風(fēng)化巖體，高5%～7%，但強(qiáng)弱風(fēng)化巖體摻配料的φ0值幾乎沒有變化。

圖2 模量系數(shù)K比較

圖3 內(nèi)摩擦角φ0比較

從表3的其他不同干密度的風(fēng)干樣和飽和樣的情況看，反映出來的規(guī)律和干密度為2.23 g/m3風(fēng)干及飽和料的規(guī)律相同，說明巖體風(fēng)化程度只對模量系數(shù)K值有影響，對摩擦角φ0不敏感。這也說明，風(fēng)化程度對壩體變形影響較大，對壩坡安全影響不明顯。

(2) 摻配堆石料的不同摻配比例

根據(jù)表3，整理出γ=2.23 g/m3風(fēng)干料不同巖性、不同摻配比例時(shí)的模量系數(shù)K和摩擦角φ0的比較見圖4和圖5。

圖4 不同巖性、不同摻配比例時(shí)的模量系數(shù)K的比較

圖5 不同巖性、不同摻配比例時(shí)的摩擦角φ0的比較

對于模量系數(shù)K，不論是強(qiáng)風(fēng)化還是弱風(fēng)化料，隨著軟巖摻配比例的增加而明顯下降，并且強(qiáng)風(fēng)化料低于弱風(fēng)化料，這是由于板巖自身強(qiáng)度較低造成的；而對于摩擦角φ0來說，各種摻配比例下變化不大，在0.8度范圍內(nèi)。其他干密度情況下，也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，這也說明，不同摻配比例的壩料對壩體變形影響較大，對壩坡穩(wěn)定影響有限，這也進(jìn)一步說明在特高面板堆石壩中將摻配料放在下游堆石區(qū)的合理性。

(3) 不同干密度對摻配堆石料應(yīng)力應(yīng)變特性的影響

對于不同干密度的風(fēng)干料的模量系數(shù)K和摩擦角φ0的比較整理見圖6和圖7。隨著填筑料干密度的降低，模量系數(shù)K和摩擦角φ0均有所降低，按當(dāng)前的干密度從2.23 g/m3降低到2.18 g/m3時(shí)，模量系數(shù)K降低約300，摩擦角φ0降低約為1度，查看飽和料的模量系數(shù)K和摩擦角φ0，也顯現(xiàn)出同樣的規(guī)律，故為了減小壩體變形并增加壩坡安全性，應(yīng)盡可能提高填筑料干密度。這也進(jìn)一步表明，采用孔隙率或者干密度作為壩體填筑最重要控制指標(biāo)的合理性。

圖6 不同干密度的風(fēng)干料的模量系數(shù)K比較

總體上看，摻配料風(fēng)干狀態(tài)非線性強(qiáng)度指標(biāo)φ0值為52.0°～53.9°，E-B模型的K值為692～1 085，試樣由風(fēng)干狀態(tài)浸水飽和后強(qiáng)度指標(biāo)φ0值和模型參數(shù)K值產(chǎn)生一定范圍的減低，φ0值降低3%左右，K值降低30%～40%。摻配料中隨著軟巖摻進(jìn)比例的增加，強(qiáng)度指標(biāo)和變形指標(biāo)降低；隨著密實(shí)度的提高，摻配料的強(qiáng)度指標(biāo)提高了0.2°～0.4°，模型參數(shù)K值提高了147～213，n值略有減低。

圖7 不同干密度的風(fēng)干料的摩擦角φ0比較

為揭示堆石料填筑后的顆粒破碎情況，以方案3弱風(fēng)化開挖料(70%砂巖+30%板巖干密度ρ=2.23 g/cm3)飽和樣為例，對其三軸剪切試驗(yàn)前、后的顆粒級(jí)配進(jìn)行了分析對比見表4。隨著圍壓的增加，顆粒破碎的程度在加大，大顆粒比例減少，10 mm以下顆粒比例增大，特別是5 mm以下的顆粒所占比例由試驗(yàn)前的25%增加至試驗(yàn)后接近40%。這反映出室內(nèi)三軸試驗(yàn)摻配料的顆粒破碎特性：在圍壓作用下顆粒產(chǎn)生破碎，大顆粒在全級(jí)配中的比例減小、細(xì)顆粒增加。

表4 試驗(yàn)前、后顆粒級(jí)配對比

2.3 壓實(shí)特性

2.3.1室內(nèi)壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)試樣尺寸為?450 mm×300 mm(直徑×高)，垂直荷載按0～0.1、0.1～0.2、0.2～0.4、0.4～0.8、0.8～1.6、1.6～3.2 MPa以及3.2～6.0 MPa等7個(gè)級(jí)別依次施加。分別對12個(gè)方案的飽和樣和風(fēng)干樣進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果看，各方案的壓縮系數(shù)均在10-2級(jí)別，屬于低壓縮性土。但由于巖體的風(fēng)化程度、摻配比例以及干密度不同，壓縮系數(shù)又有差異。

(1) 巖體風(fēng)化程度對壓實(shí)特性的影響

砂巖與板巖摻配堆石料的壓縮系數(shù)是隨著壓力值的變化而變化的，不同風(fēng)化程度的摻配堆石料壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線見圖8。

圖8 不同風(fēng)化程度壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線

從圖8可以明顯看出，不同風(fēng)化程度摻配料的壓縮系數(shù)隨著壓力值變化的整體趨勢大致相同，且不同風(fēng)化程度的巖體其壓縮系數(shù)最小值時(shí)所對應(yīng)的壓力級(jí)別基本相同，強(qiáng)、弱風(fēng)化風(fēng)干料的最小值亦相差不大，飽和料強(qiáng)風(fēng)化料的壓縮系數(shù)的最小值大于弱風(fēng)化料。雖然各方案整體趨勢大致相同，但其中存在差異主要有：強(qiáng)、弱風(fēng)化摻配料的壓縮系數(shù)隨壓力變化的規(guī)律基本相同，且在低圍壓時(shí)其值基本相當(dāng)，但飽和強(qiáng)風(fēng)化料的壓縮系數(shù)明顯高于弱風(fēng)化料的壓縮系數(shù)，這主要是強(qiáng)風(fēng)化料軟化系數(shù)偏低，浸水后強(qiáng)度下降明顯而造成的；飽和料較風(fēng)干料整體上壓縮系數(shù)偏大，說明摻配料浸水后強(qiáng)度下降，壓縮性增加，壩體變形將增加，不利于壩體變形穩(wěn)定，這也就是規(guī)范要求高壩將軟巖摻配料布置在干燥區(qū)的原因之一，要求布置在非干燥區(qū)是要進(jìn)行專門論證。其他不同摻配比例及不同干密度的風(fēng)干料和飽和料也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

總體而言，低圍壓時(shí)巖體風(fēng)化程度對其壓縮性影響有限，高圍壓時(shí)影響明顯，也就是說，對于中、低壩，摻配料的風(fēng)化程度是影響壩體變形的次要因素，而對于高壩，摻配料的風(fēng)化程度是影響壩體變形的主要因素之一。浸水后，強(qiáng)風(fēng)化料的壓縮性能明顯變差，故對于高壩，最好將摻配料放在干燥區(qū)以減小壩體變形。

(2) 不同軟硬巖摻配比例

對同風(fēng)化程度、同干密度、不同摻配比例摻配料的壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線見圖9。

圖9 不同風(fēng)化程度不同密度不同摻配比例堆石料的壓縮系數(shù)曲線

從圖9可以明顯看出，風(fēng)化程度、摻配比例及干密度對壓縮系數(shù)隨壓力值的變化趨勢影響不大。料樣狀態(tài)(風(fēng)干、飽和)隨壓力值的變化對壓縮系數(shù)稍有影響，除壓縮系數(shù)的最小值增大外，其最大值發(fā)生的壓力級(jí)別變小。不難看出，壓力值對于相同孔隙率的不同摻配比例，對于風(fēng)干料，在壓力為800 kPa時(shí)達(dá)到壓縮系數(shù)的最小值，其最小值為0.54×10-2MPa-1。在100～400 kPa時(shí)，各方案壓縮系數(shù)值相差不大，差值范圍在0.02～0.38；當(dāng)壓力值在800～3 000 kPa時(shí)，各方案的壓縮系數(shù)均為增大的趨勢，且摻配比例越高，其壓縮系數(shù)越大；當(dāng)壓力值在3 000～6 000 kPa時(shí)，各方案的壓縮系數(shù)均呈減小趨勢。對于飽和料，其變化趨勢與風(fēng)干料基本相同，只是在壓力為400 kPa時(shí)，達(dá)到壓縮系數(shù)的最小值；當(dāng)壓力值在400～1 600 kPa時(shí)，各方案的壓縮系數(shù)均為增大的趨勢；當(dāng)壓力值在1 600～6 000 kPa時(shí)，各方案的壓縮系數(shù)隨壓力增大呈減小趨勢，并且在壓力值為6 000 kPa附近時(shí)各方案壓縮系數(shù)差值不大。

總體上，當(dāng)干密度相同時(shí)，不同摻配比例的壩料壓縮性相差不大，低圍壓情況下?lián)脚浔壤龑ζ鋲嚎s性的影響并不顯著，但當(dāng)圍壓升高時(shí)，摻配料中軟巖摻配比例的增加，其壓縮系數(shù)呈明顯增大狀態(tài)。

(3) 摻配料不同干密度

在其它條件都相同的情況下，不同干密度摻配料壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線見圖10。

圖10 不同干密度摻配料壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線

從圖10可以明顯看出干密度大的摻配料的壓縮系數(shù)整體低于干密度小的摻配料的壓縮系數(shù)。不同干密度的摻配料均在壓力值為400 kPa時(shí)其壓縮系數(shù)達(dá)到最小值，且壓縮系數(shù)隨壓力值的變化趨勢大致相同，但仔細(xì)分析又不難看出其中的差別。

當(dāng)壓力值小于400 kPa時(shí)，不同干密度摻配料的壓縮系數(shù)均隨壓力值的增大而減??；當(dāng)壓力值在1 600～3 200 kPa時(shí)，壓縮系數(shù)呈增大的趨勢；當(dāng)壓力值大于3 200 kPa時(shí)，壓縮系數(shù)均呈減小的趨勢，但干密度小的摻配料的斜率明顯大于干密度大的摻配料，也就是說，干密度越大，壓縮系數(shù)隨壓力變化的幅度越小，填筑成壩后壩體沉降變形更易趨于穩(wěn)定。

通過以上分析，摻配比例同為7∶3，干密度分別為2.23、2.18 g/cm3，其壓縮系數(shù)差值弱風(fēng)化料最大達(dá)到了0.4，強(qiáng)風(fēng)化料最大達(dá)到了0.48，可見不同干密度對摻配料的壓縮性還是有明顯影響的，隨著干密度的減小，摻配料的壓縮性增強(qiáng)，壓縮模量減小，摻配料的變形也將更大。

從圖中曲線斜率變化可以看出，相對干密度大的摻配料而言，干密度小的摻配料的壓縮性對壓力值的變化較為敏感。

(4)摻配料不同試樣狀態(tài)

在其它條件都相同的情況下，不同試樣狀態(tài)摻配料壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線見圖11。

圖11 不同試樣狀態(tài)摻配料壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線

從圖11可以明顯看出風(fēng)干試樣的壓縮系數(shù)整體低于飽和試樣的壓縮系數(shù)并且兩種試樣的壓縮系數(shù)隨壓力值變化規(guī)律大致相同，但仔細(xì)分析不難看出其中的差別。兩種試樣的壓縮系數(shù)均在壓力值為400 kPa時(shí)，達(dá)到最小值，二者最小壓縮系數(shù)相差了0.2；當(dāng)壓力值在400～800 kPa時(shí)，二者壓縮系數(shù)均呈增加的趨勢，但飽和試樣斜率遠(yuǎn)大于風(fēng)干試樣。兩者壓縮系數(shù)最大差值接近0.6，由此可見，摻配料所處狀態(tài)對其壓縮性能的影響較為顯著，且摻配料在飽和狀態(tài)下的壓縮性是強(qiáng)于其在風(fēng)干狀態(tài)下的壓縮性。綜合來看，風(fēng)化程度、干密度、摻配比例對摻配料的壓縮性能均有不同程度的影響，且圍壓不同，影響的程度亦不同，在目前的試驗(yàn)圍壓范圍內(nèi)(0～6 MPa)，圍壓越高，影響越明顯。從而說明對于中低壩，摻配料對壩體變形影響較小，對于高壩，特別是特高壩，摻配料對壩體變形影響較大，需要謹(jǐn)慎研究使用。各巖性、各摻配比例的試樣，不論是風(fēng)干樣還是飽和樣，其壓縮系數(shù)(壓縮模量)隨壓力變化的規(guī)律是相同的。在0.4 MPa壓力級(jí)別時(shí)壓縮系數(shù)達(dá)到最小(或較小)，此時(shí)壓縮模量達(dá)到最大(或較大)，之后在0.4～3.6 MPa，隨著壓力級(jí)別的提高壓縮系數(shù)逐漸增大，意味著壓縮模量逐漸減小，在3.6 MPa壓力級(jí)別以后，隨著壓力級(jí)別的提高壓縮系數(shù)逐漸減小，意味著壓縮模量逐漸增大。此項(xiàng)試驗(yàn)成果表明：壓縮模量減小代表著顆粒在荷載作用下產(chǎn)生破碎、變形量增大(模量減小)、逐漸壓密(模量增加)的變化過程。通過對相同巖性(軟巖含量相同)、不同制樣干密度的壓縮試驗(yàn)成果，制樣干密度高，得到的壓縮系數(shù)小。壩料壓縮系數(shù)越小、壓縮模量就越高，說明堆石體具有較強(qiáng)的抗變形能力，對于高土石壩要求壩料具有較高的壓實(shí)度和干密度。從所有的曲線可以看出，最后3個(gè)壓力級(jí)別時(shí)壓縮系數(shù)的變化相對于前4個(gè)壓力級(jí)別較小，說明，摻配料在制樣過程中顆粒破碎大部分可能已經(jīng)發(fā)生，在較高干密度、較低孔隙率條件下可達(dá)到較高的壓縮模量。

2.3.2大型洞內(nèi)壓縮試驗(yàn)

中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司采用自主研發(fā)的大型壓縮試驗(yàn)設(shè)備(見圖12)，在巖石山洞內(nèi)開展了大型原級(jí)配摻配料壓縮試驗(yàn)(見圖13)，鑒于多種因素限制，僅對方案三(弱風(fēng)化砂巖70%+弱風(fēng)化板巖30%)進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用靜載，分1.2、1.8、2.4、3.0、3.6、4.2、4.8、5.4、6.0 MPa九級(jí)垂直荷載施加，取3C1和3C2兩個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

圖12 大型壓縮試驗(yàn)設(shè)備

圖13 洞內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)

壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。另外在大型洞內(nèi)壓縮前后，對摻配料的顆粒級(jí)配均進(jìn)行了測定，從級(jí)配測定結(jié)果看，各級(jí)別的顆粒含量沒有特別明顯的變化，也就是說，摻配料通過大型靜力壓縮后，并沒有發(fā)生明顯的顆粒破碎現(xiàn)象。從圖14可以看出，隨著施加荷載值的增大，摻配料的壓縮模量呈減小趨勢，兩個(gè)測點(diǎn)表現(xiàn)出相同的規(guī)律，且在3.0 MPa以后兩個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測的壓縮模量非常接近。這主要是由于原摻配料級(jí)配較粗，粗顆粒含量多，有相當(dāng)數(shù)量的巖塊，作為骨架的巖塊具有一定的強(qiáng)度，在壓力較小時(shí)，摻配料的變形增量較小，換算出的變形模量相對較大；隨著加載壓力的增加，摻配料的變形增量變大，換算出的變形模量相對較小。在壓縮初期，由于顆粒之間的孔隙較大，粗顆粒的骨架作用明顯，在不同測點(diǎn)的粗粒含量不同，反映出初期較低壓力時(shí)不同測點(diǎn)壓縮模量差距較大。隨著加載壓力的增加，顆粒之間空隙減小，粗顆粒的骨架作用逐漸減弱，摻配料整體作用逐漸顯現(xiàn)，3.0 MPa以后兩個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測的壓縮模量基本相同了。另外，由于大型壓縮試驗(yàn)采用的是原位試驗(yàn)，沒有剛性側(cè)限，隨著壓力的增加，受壓部分的壩料會(huì)向四周側(cè)向變形，擠密承壓板以外的摻配料，由于沒有剛性側(cè)限，壓力越大，像四周的擠密程度越大，在四周的擠密程度沒有達(dá)到類剛性約束時(shí)，被壓縮料的變形單調(diào)增加，壓縮模量也就呈單調(diào)減小變化，但從其變化曲線曲率程度看，隨著壓力的增大，被壓縮料四周擠密程度不斷增加，被壓縮料的壓縮模量變化曲線逐漸平緩。

圖14 大型壓縮試驗(yàn)結(jié)果

與室內(nèi)縮尺后的壓縮試驗(yàn)比較(見圖15)，在低加載壓力時(shí)，兩者壓縮模量相差比較大，對于室內(nèi)試驗(yàn)，級(jí)配縮尺后摻配料細(xì)顆粒含量較多，沒有粗顆粒的骨架作用，加之初期制樣產(chǎn)生的顆粒破碎，且初期孔隙率相對較大；在變形初期，隨著加載壓力的增加，變形增量增大，換算出的壓縮模量自然就呈增大趨勢。當(dāng)摻配料的孔隙率壓縮到一定程度后，變形增量趨于平緩，壓縮模量的變化也就趨于穩(wěn)定。對于大型壓縮試驗(yàn)，根據(jù)前述分析，隨著施加荷載值的增大，摻配料的壓縮模量呈減小趨勢，與室內(nèi)試驗(yàn)相差較大，加之大型壓縮試驗(yàn)為無側(cè)限試驗(yàn)，加劇了兩者之間的差距?？梢钥闯?，隨著加載壓力的增加，兩者之間的差距在逐漸縮??；當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa以后，兩者的壓縮模量基本相同，也說明當(dāng)粗顆粒骨架作用消失后，在摻配料所有顆粒整體作用下，壓縮模量趨于穩(wěn)定，試驗(yàn)方法對其影響減小。

圖15 室內(nèi)試驗(yàn)與大型壓縮試驗(yàn)對比

由此可見，壓縮試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)還是相當(dāng)明顯，特別是對壓力級(jí)別較低的試驗(yàn)，影響尤為顯著。

2.3.3現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)驗(yàn)證

針對方案3(弱風(fēng)化砂巖70%+弱風(fēng)化板巖30%)，開展了現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，壓實(shí)機(jī)械采用32 t振動(dòng)碾，試驗(yàn)方案一：鋪料厚度85 cm、灑水5%、10%、15%、碾壓8、10、12遍；試驗(yàn)方案2：鋪料厚度65 cm、灑水10%、碾壓8、10、12遍。碾壓試驗(yàn)共計(jì)2個(gè)場次12個(gè)單元。試驗(yàn)成果見表5，挖坑檢測如圖16所示。

表5 下游堆石區(qū)開挖料碾壓試驗(yàn)成果匯總表

圖16 摻配塊石料碾壓后挖坑檢查

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理的對比曲線見圖17～19。壓實(shí)后的干密度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，孔隙率隨著碾壓遍數(shù)的增加而減小，這是符合一般規(guī)律的。從加水量來看，呈拋物線形，當(dāng)加水量為10%時(shí)，摻配料的干密度達(dá)到最大值，隨后隨著加水量的增加干密度逐漸減小，表現(xiàn)出了與其他壩料相同的規(guī)律，僅僅是在達(dá)到干密度最大值時(shí)加水量數(shù)量上的區(qū)別。

圖17 干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系

圖18 孔隙率與碾壓遍數(shù)關(guān)系

圖19 干密度與灑水量關(guān)系

圖20 5 mm顆粒含量碾壓前后對比

碾壓前后顆粒級(jí)配的變化見圖20和圖21。從碾壓前后顆粒破碎程度看，碾壓后小于5 mm和小于0.075 mm的顆粒均有增加，且小于0.075 mm的顆粒增加幅度大于小于5 mm的顆粒增加幅度。在振動(dòng)碾的作用下，巖塊的碎裂及顆粒之間摩擦產(chǎn)生的細(xì)顆粒較多，特別是在鋪層表層表現(xiàn)的更為明顯。與大型壓縮試驗(yàn)相比，僅靜壓對原級(jí)配摻配料顆粒破碎的影響較小，與室內(nèi)壓縮試驗(yàn)相比較，室內(nèi)壓縮試驗(yàn)壓縮后細(xì)顆粒增加相對較大，這主要也是室內(nèi)試驗(yàn)對料樣縮尺造成的。通過現(xiàn)場試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：

圖21 0.075 mm顆粒含量碾壓前后對比

(1) 隨著碾壓遍數(shù)的增加孔隙率減小，干密度逐漸增大；但加水量和干密度呈拋物線型關(guān)系，在10%加水量時(shí)，干密度達(dá)到最大值。

(2) 兩種鋪料厚度條件下滲透系數(shù)均在10-2量級(jí)，均滿足自由排水的條件。

(3) 通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)驗(yàn)證，碾壓試驗(yàn)的干密度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果。

近期擬建的200 m級(jí)塊石料筑壩的土石壩壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)孔隙率大多控制在18%～19%，與依托工程的摻配料相比較，孔隙率高1%～2%，依托工程摻配料的孔隙率屬較低的孔隙率。兩種鋪料厚度的干密度在2.27～2.3 g/cm3，與類似工程相比較屬于較大的干密度，由此說明，摻配料用于依托工程特高面板堆石壩的可行的。根據(jù)試驗(yàn)成果，推薦的碾壓參數(shù)：32 t振動(dòng)碾，加水量10%、鋪料厚度85 cm、碾壓變數(shù)12遍，干密度為2.29 g/cm3，孔隙率為16.1%，滲透系數(shù)3.45×10-2cm/s。

2.4 對顆粒破碎的一點(diǎn)思考

從前文結(jié)果分析顆粒破碎特征如下：

(1) 三軸試驗(yàn)的顆粒破碎主要有制樣過程造成的顆粒破碎、試樣壓縮時(shí)的顆粒破碎以及試樣在剪切過程中形成的顆粒破碎。粗顆粒的減少量以及5 mm以下顆粒的增加量明顯，且顆粒的破碎主要發(fā)生在低圍壓范圍。

(2) 大型壓縮試驗(yàn)采用靜壓，從試驗(yàn)結(jié)果看，壓縮前后幾乎沒有顆粒破碎。分析認(rèn)為一是摻配料在壓縮前已經(jīng)歷了振動(dòng)碾的分層碾壓，在振動(dòng)碾壓時(shí)已經(jīng)發(fā)生了顆粒破碎；二是由于大型壓縮時(shí)沒有剛性側(cè)限，受壓顆粒在壓縮時(shí)會(huì)向四周擠壓變形，降低了顆粒破碎的幾率；三是根據(jù)目前的壓力范圍，隨著壓力的增加，壓縮模量曲線由陡變緩，高壓時(shí)已經(jīng)趨于平緩，預(yù)計(jì)當(dāng)壓力在進(jìn)一步增大時(shí)，四周壩料擠密程度接近剛性側(cè)限時(shí)，可能就會(huì)發(fā)生明顯的顆粒破碎。

(3) 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)的顆粒破碎主要表現(xiàn)在鋪料層表面，主要是由于在振動(dòng)碾的激震頻率和行進(jìn)中對鋪料表層大顆粒棱角由于相互摩擦而產(chǎn)生的細(xì)顆粒增加。下部的顆粒破碎相對較少，這和大型壓縮試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

(4) 大型壓縮試驗(yàn)及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)均為垂直單向壓縮，表現(xiàn)出的顆粒破碎特征與有側(cè)向剪切時(shí)完全不同的，側(cè)向剪切時(shí)還會(huì)產(chǎn)生明顯的顆粒破碎現(xiàn)象，表現(xiàn)在具體工程上，除了要關(guān)注隨著面板堆石壩壩體高度的增加以及庫水壓力的增大在垂直向?qū)︻w粒破碎的影響，還需要更加關(guān)注壩體水平變位引起的顆粒剪切而造成的顆粒破碎對壩料工程特性的影響。

當(dāng)然，這僅是從本次軟硬巖摻配料的試驗(yàn)結(jié)果分析而形成的觀點(diǎn)，還需更多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工程實(shí)踐去驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，軟硬巖摻配料作為特高面板堆石壩的填筑料是可行的，但建議最好用于下游堆石區(qū)。

(2) 硬巖中摻入軟巖形成的摻配料對提高填筑料的干密度是有利的，從本依托工程的強(qiáng)、弱風(fēng)化的砂板巖摻配料看，干密度對風(fēng)化程度不敏感。

(3) 摻配料中隨著軟巖摻進(jìn)比例的增加，強(qiáng)度指標(biāo)和變形指標(biāo)降低；隨著密實(shí)度的提高，強(qiáng)度指標(biāo)和模型參數(shù)K值均有所提高，n值略有減低；強(qiáng)風(fēng)化摻配料的模型參數(shù)K值低于弱風(fēng)化料，但其內(nèi)摩擦角φ0變化不大。進(jìn)一步表明不同風(fēng)化程度、不同摻配比例的摻配料對壩體變形影響較大，對壩坡穩(wěn)定影響有限，這也進(jìn)一步說明將摻配料放在下游堆石區(qū)的合理性。

(4) 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)、原級(jí)配料大型壓縮試驗(yàn)以及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)表明，摻配料屬于低壓縮性壩料，其抗壓縮性能良好，可以達(dá)到較大干密度、較小孔隙率。

(5) 在實(shí)際工程中，要關(guān)注大壩垂直荷載以及剪切變位對摻配塊石料的顆粒破碎的影響。