韓華強，寸銀川，劉宇寬，趙錫榮，傅 華

(1.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210024；2.大理白族自治州水利水電勘測設(shè)計研究院， 云南 大理 671000)

由于堆石料具有良好的工作特性，能充分利用當?shù)夭牧锨夜こ淘靸r相對較低，而被廣泛應用于我國水利水電建設(shè)[1-4]。近些年，新工藝和新技術(shù)的發(fā)展帶動了堆石壩施工質(zhì)量的不斷提高，可應用的堆石料范圍也在不斷擴大，導致筑壩材料壓實性能的差異性也在逐步增大。為檢驗施工質(zhì)量、確保大壩安全，并為運行期大壩的安全管理提供技術(shù)支撐，使不同料源的堆石料均能達到壩體技術(shù)要求，在填筑過程中均對壩體填筑堆石料開展了大量的級配及密度檢測工作，以檢驗實際施工質(zhì)量是否達到預期的設(shè)計目標[5-7]。但由于施工階段實際爆破開挖上壩石料的母巖性質(zhì)、級配及密度均會與前期的設(shè)計有所出入，絕大部分工程很難完全符合預期設(shè)計，均會和設(shè)計要求存在一定的出入，因此，根據(jù)施工期壩體填筑質(zhì)量檢測結(jié)果進行室內(nèi)力學特性復核必不可少。然而，雖然當前絕大多數(shù)工程都開展了施工期的填筑質(zhì)量檢測工作，但卻較少針對施工期實際填筑壩料的力學特性開展相應的試驗工作，為此，本文結(jié)合德黨河水庫壩體填筑質(zhì)量檢測結(jié)果，現(xiàn)場取樣對大壩筑壩壩殼料進行了試驗研究。

德黨河水庫位于永德縣，水庫總庫容5 317萬m3，為中型水庫，大壩壩型為黏土心墻石碴壩，壩頂寬度22.0 m，壩軸線長576 m，最大壩高75.6 m。大壩筑壩材料有防滲土料、上下游壩殼料、反濾Ⅰ區(qū)料及反濾Ⅱ區(qū)料，壩體總填筑量約為200萬m3。

1 壩殼料的檢測結(jié)果分析

1.1 顆粒級配

顆粒級配是影響堆石料物理力學性質(zhì)的重要因素，即使母巖相同，如果堆石料顆粒級配不同，則其物理力學性質(zhì)和使用范圍也會完全不同。已有研究表明：壩料的級配特性顯著影響其物理性質(zhì)和力學行為，且隨荷載增大，相關(guān)性也明顯提高[8-12]。因此，顆粒級配分析是壩殼料力學性質(zhì)和工程應用研究的基礎(chǔ)。

對于反濾Ⅰ區(qū)料及反濾Ⅱ區(qū)料，現(xiàn)場填筑過程中均開展了級配檢測工作，各取得了140組檢測結(jié)果，相應的顆粒分析試驗結(jié)果分別見圖1(a)及圖1(b)，根據(jù)檢測結(jié)果可以看出，反濾Ⅰ區(qū)料小于5 mm粒徑占總量平均值為90.0%，范圍值為86.5%～93.4%，最大粒徑為20 mm，不均勻系數(shù)范圍值為8.0～13.1，平均值為11.2，曲率系數(shù)范圍值為0.6～0.9，平均值為0.8。反濾Ⅱ區(qū)料小于5 mm粒徑占總量平均值為15.2%，范圍值為9.2%～21.2%，最大粒徑為60 mm，不均勻系數(shù)范圍值為3.8～5.7，平均值為4.6，曲率系數(shù)范圍值為1.0～1.5，平均值為1.1。對于上、下游壩殼料，施工期間及取樣過程中共計取樣10組，采用全樣篩析法進行顆粒分析，試驗結(jié)果見圖1(c)，由圖1(c)可以看出：上、下游壩殼料試樣小于5 mm粒徑占總量平均值為9.0%，范圍值為5.2%～12.7%，大于60 mm粒徑占總量平均值為51.2%，范圍值為38.5%～63.9%，不均勻系數(shù)范圍值為7.8～31.9，平均值為18.8，曲率系數(shù)范圍值為1.1～3.2，平均值為2.1。

圖1 壩殼堆石料現(xiàn)場檢測級配

1.2 填筑密度

(1)

(2)

(3)

反濾Ⅰ區(qū)料共檢測干密度285組，檢測值范圍為2.17 g/cm3～2.28 g/cm3，均值為2.23 g/cm3，檢測結(jié)果的殘余誤差(殘差)均在3σ范圍內(nèi)。反濾Ⅱ區(qū)料共檢測干密度值282組，檢測值范圍為2.10 g/cm3～2.25 g/cm3，均值為2.19 g/cm3，有1個點的密度值2.10 g/cm3的殘余誤差(殘差)超出3σ范圍，占整體檢測數(shù)據(jù)的0.4%。壩殼石渣料共檢測干密度值142組，檢測值范圍為2.06 g/cm3～2.17 g/cm3，均值為2.10 g/cm3，有1個點的密度值2.17 g/cm3的殘余誤差(殘差)超出3σ范圍，占整體檢測數(shù)據(jù)的0.5%。

對于壩殼石碴料，現(xiàn)場對于反濾Ⅰ區(qū)料及反濾Ⅱ區(qū)料均相應開展了大量的填筑級配及密度檢測工作，然而對于壩殼石渣料，現(xiàn)場雖然開展了大量的密度檢測工作，但相應的填筑級配工作開展的較少，如前所述，顆粒級配是影響壩殼石碴料性質(zhì)的重要因素，即使堆石料母巖相同，如果顆粒級配不同，其力學性質(zhì)和應用范圍也完全不同。因此對于壩體施工過程中壩體填筑質(zhì)量的現(xiàn)場檢測，除填筑密度檢測外，填筑過程中也應加強而不宜弱化級配的檢測工作。

2 現(xiàn)場取樣及試樣制備

2.1 現(xiàn)場取樣

為研究德黨河水庫壩殼石碴料的力學特性，在壩殼料料場及反濾料加工場分別進行了現(xiàn)場取樣，經(jīng)加工、晾曬、篩分后的室內(nèi)試樣圖片見圖2。

圖2 室內(nèi)試樣照片

2.2 試樣制備

試樣制備按《土工試驗方法標準》[13](GB/T 50123—2019)進行。反濾Ⅰ區(qū)料及反濾Ⅱ區(qū)料直接采用現(xiàn)場檢測級配平均線，對于壩殼料試驗級配曲線，則通過對上述檢測級配曲線平均線超粒徑部分采用混和縮尺法縮尺得到，相應的試驗級配曲線分別見圖3。試驗密度則根據(jù)3σ原則，剔除殘差的絕對值|vi|>3σ的檢測值，然后取殘差均在3σ范圍內(nèi)各區(qū)料的現(xiàn)場檢測值的均值做為試驗制樣密度，反濾Ⅰ區(qū)料為2.23 g/cm3，反濾Ⅱ區(qū)料為2.19 g/cm3，壩殼石渣料為2.10 g/cm3。

圖3 室內(nèi)試驗級配曲線

3 試驗方法及試驗結(jié)果

為確定德黨河水庫壩殼石碴料實際的物理力學特性，根據(jù)壩體填筑過程中各區(qū)實際檢測的級配及密度，現(xiàn)場取樣對德黨河水庫工程筑壩壩殼料進行了常規(guī)的物理力學試驗，試驗過程均按《土工試驗方法標準》[13](GB/T 50123—2019)進行。

3.1 比重及相對密度試驗

按級配分別取小于5 mm細粒土的比重和大于5 mm粗粒土比重加權(quán)平均做為混合料的比重值，其中細粒土比重采用比重瓶法測定，粗粒土比重采用虹吸筒法測定，混合料比重值分別見表1。

表1 相對密度及比重試驗結(jié)果

根據(jù)規(guī)范要求[13]，相對密度試驗采用粗粒料相對密度試驗儀，試樣筒尺寸為φ300 mm×360 mm，試驗用料為烘干料。最小干密度試驗采用人工法，試驗過程中盡量使大顆粒不對周圍顆粒產(chǎn)生擠壓。最大干密度試驗采用表面振動法，以模擬大壩現(xiàn)場施工振動碾振動壓實的施工過程，表面振動器靜載為14 kPa，振動頻率為40 Hz。試樣分層鋪裝，振動歷時8 mim。試驗結(jié)果見表1。

3.2 三軸固結(jié)排水試驗

(1) 試驗儀器及主要試驗過程。采用粗粒土三軸儀進行靜三軸試驗。對反濾Ⅰ區(qū)料、反濾Ⅱ區(qū)料及石渣壩殼料均進行飽和狀態(tài)下的固結(jié)排水試驗。大型三軸試驗試樣尺寸為φ300 mm×700 mm，按級配、試驗控制干密度及試樣體積進行備樣，然后分5層每層高度14 cm裝入成型筒內(nèi)，并用表面振動器振動密實，以模擬大壩現(xiàn)場施工振動碾振動壓實的施工過程。試樣成型后采用水頭飽和法進行飽和，至進出水量平衡時即認為試樣完全飽和。然后關(guān)閉排水閥，按300 kPa、600 kPa、900 kPa和1 200 kPa四個圍壓分別施加圍壓，并記錄孔隙水壓力變化情況，待孔壓穩(wěn)定后，打開排水閥進行固結(jié)，約1.0 h～1.5 h試樣基本固結(jié)穩(wěn)定，記錄固結(jié)排水量并換算固結(jié)下沉量。然后進行剪切試驗，剪切速率按規(guī)范要求取為2.0 mm/min。剪切過程中自動記錄試驗軸向荷載、軸向變形、剪切排水量，直至試樣破壞。破壞點的確定方法為：當應力應變關(guān)系曲線有峰值時，取峰值點為破壞點；當應力應變關(guān)系曲線無峰值時，則取應變15%所對應的點為破壞點。

(2) 試驗結(jié)果分析。試樣在不同應力條件下的摩爾圓及強度包線，見圖4。相應的線性強度指標見表2。

圖4 摩爾-庫侖強度包線

由于壩殼石碴料顆粒破碎的特性，壩殼石碴料的強度和法向應力的關(guān)系并不是一個常數(shù)，而是隨著圍壓的增大而有所降低，表現(xiàn)出明顯的非線性。將每一圍壓下的剪切角φ值求出，繪制φ-lgσ3關(guān)系曲線，可按下式計算不同圍壓時的φ。計算結(jié)果見表2。

表2 三軸試驗(CD)強度指標

φ=φ0-Δφlg(σ3/Pa)

(4)

式中：σ3為周圍壓力；Pa為標準大氣壓;φ為某應力圓切線與橫坐標的夾角；φ0為當σ3/Pa為1時的內(nèi)摩擦角，為試驗值；Δφ為當σ3增加10倍時剪切角的減小量，為試驗值。

試驗得到試樣的主應力差(σ1-σ3)與軸向應變ε1及體積應變εv與軸向應變ε1之間關(guān)系曲線分別見圖5、圖6，根據(jù)試驗結(jié)果整理得到的鄧肯模型(E-μ)參數(shù)及鄧肯模型(E-B)參數(shù)別見表3及表4。

圖5 主應力差與軸向應變關(guān)系曲線

圖6 體積應變與軸向應變關(guān)系曲線

表3 鄧肯模型(E-μ)參數(shù)

表4 鄧肯模型(E-B)參數(shù)

(3) 南水雙屈服面模型參數(shù)。鄧肯E-μ模型體現(xiàn)了土體的非線性特征，考慮了歷史對變形的影響，但也存在明顯缺點，即采用豎向應變ε1與側(cè)向應變(-εr)雙曲線關(guān)系計算出的切線泊松比μt值常偏大，與試驗資料擬合不理想，況且，卸荷泊松比和加載泊松比取值又一樣。此外，鄧肯E-μ模型也不能反映中主應力的影響，不能反映土體的各向異性，從根本上說不能反映堆石料的剪脹、剪縮性等。鑒于此，1980年鄧肯等采用切線體積模量Bt代替切線泊松比μt對E-μ模型進行了修正，即為E-B模型。鄧肯E-B模型能反映土體變形的主要特征即非線性，可以體現(xiàn)應力歷史對變形的影響，用于增量計算，能一定程度上反映應力路徑對變形的影響，但從根本上講，仍不能反映剪脹(縮)性，也不能反映體積應力引起的剪切變形，同樣也不能反映各向異性，不能反映中主應力的影響等，但該模型參數(shù)確定簡單，且在參數(shù)確定方面積累了比較成熟的經(jīng)驗，使用簡便，因此該模型應用較為廣泛[14-15]。

而南水模型是在E-B模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅參數(shù)確定類似于鄧肯模型，應用較為簡便，而且一定程度上克服了鄧肯E-B模型的缺點，考慮了土體的非線性、剪脹(縮)性、壓硬性及應力引起的各向異性等，“南水”雙曲服面模型較鄧肯模型更能反映石碴料的力學特性。

(1) 參數(shù)cd、nd

繪制最大剪縮體應變和圍壓的關(guān)系曲線，最大剪縮體應變εvd和圍壓σ3的關(guān)系如下：

(5)

式中：Pa為大氣壓，量綱與σ3相同；cd、nd分別代表lgεvs與lg(σ3/Pa)直線的截距和斜率。

(2) 參數(shù)Rd

(6)

式中：(σ1-σ3)d與最大剪縮體應變εvd對應的偏應力。

根據(jù)試驗結(jié)果整理得到的“南水”雙屈服面模型參數(shù)見表5。

表5 “南水”雙屈服面模型參數(shù)

3.3 滲透試驗

滲透試驗試樣尺寸為φ300 mm×300 mm，滲流方向從下向上。裝樣時在透水孔直徑為2 mm的透水板上部鋪一層0.075 mm細鋼絲網(wǎng)，以減少顆粒離析造成透水板堵塞，并在儀器壁內(nèi)側(cè)涂凡士林以避免沿儀器壁發(fā)生集中滲漏，然后分三層每層高度100 mm，并采用表面振動法進行裝樣，在振動裝樣過程中嚴格控制試樣干密度并防止試樣發(fā)生顆粒離析。試樣成型后采用滴水飽和法使其飽和，然后保持水頭不變，待水流和測壓管水位穩(wěn)定后，測定一定時間內(nèi)的滲流出水量，并同時測定進、出水口水流的溫度，然后根據(jù)達西定律計算試樣的滲透系數(shù)。

表6 滲透系數(shù)試驗結(jié)果

滲透試驗結(jié)果表明，壩殼料具有自由排水性能，且反濾Ⅰ區(qū)料、反濾Ⅱ區(qū)料及石渣壩殼料宏觀滿足規(guī)范對于心墻壩“壩體滲透性宜向上、下游逐步增大”的設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

(1) 對德黨河水庫反濾Ⅰ區(qū)料及反濾Ⅱ區(qū)料均開展了140組填筑級配檢測，而上、下游壩殼料僅開展了10組級配檢測工作。檢測結(jié)果表明：反濾Ⅰ區(qū)料小于5 mm粒徑占總量平均值為90.0%，最大粒徑為20 mm，不均勻系數(shù)平均值為11.2，曲率系數(shù)平均值為0.8。反濾Ⅱ區(qū)料小于5 mm粒徑占總量平均值為15.2%，最大粒徑為60 mm，不均勻系數(shù)平均值為4.6，曲率系數(shù)平均值為1.1。上、下游壩殼料小于5 mm粒徑占總量平均值為9.0%，大于60 mm粒徑占總量平均值為51.2%，不均勻系數(shù)平均值為18.8，曲率系數(shù)平均值為2.1。

(2) 對德黨河水庫反濾Ⅰ區(qū)料開展了285組、反濾Ⅱ區(qū)料282組、壩殼石渣料142組密度檢測工作。根據(jù)3σ原則，反濾Ⅰ區(qū)料檢測干密度均值為2.23 g/cm3。反濾Ⅱ區(qū)料檢測干密度值均值為2.19 g/cm3。壩殼石渣料檢測干密度均值為2.10 g/cm3。

(3) 顆粒級配是影響壩殼石碴料性質(zhì)的重要因素，即使堆石料母巖相同，如果顆粒級配不同，其力學性質(zhì)和使用范圍也完全不同。對于壩料填筑質(zhì)量現(xiàn)場檢測，除填筑密度檢測外，填筑過程中也應加強而不宜弱化級配的檢測工作。

(4) 根據(jù)壩體填筑質(zhì)量檢測結(jié)果，現(xiàn)場取樣對大壩壩殼料進行了室內(nèi)試驗研究，取得了反映壩殼料實際物理力學特性的力學及滲透參數(shù)，對掌握大壩實際的受力及變形現(xiàn)狀，以及大壩的運行管理均具有重要意義。

(5) 南水模型是在E-B模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅參數(shù)確定類似于鄧肯模型，應用較為簡便，而且一定程度上克服了鄧肯E-B模型的缺點，考慮了土體的非線性、剪脹(縮)性、壓硬性及應力引起的各向異性等，更能反映壩殼石碴料的力學特性。