某水電站土石壩筑壩材料土工試驗研究

肖明濤

（陜西黃河生態工程有限公司，陜西 西安 710018）

1 工程概況

某水電站位于長江水系的一級支流馬邊河上，開發任務是發電，兼有改善下游防洪和灌溉條件功能。水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩。根據工程特點，壩料分區主要分為墊層料、過渡料、反濾料、堆石料、石渣料、石渣混合料、堆石排水棱體等，各部位填筑料分層碾壓密實，大壩總填筑方量約272.5 萬m3。堆石料的相對密度、孔隙率指標既是施工填筑標準的依據，又是填筑質量檢測標準的依據；滲透及滲透變形性質、變形特性及高壓大三軸非線性指標是壩體沉降、穩定分析計算的科學依據[1]。通過工程實例，對瀝青混凝土堆石壩筑壩材料進行物理力學試驗研究，為石英砂巖作為堆石壩筑壩材料提供科學依據。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水電站大壩的堆石料主要采用庫區上游左岸2 km處河口料場的石英砂巖，大壩瀝青混凝土心墻的骨料采用庫區上游左岸4.2 km處甘溝料場的石灰巖。

2.2 試驗方法

2.2.1 物理性質試驗

通過水中稱量法進行比重試驗和密度試驗；采用煮沸法進行飽和吸水率試驗；采用自由浸水法進行吸水率試驗。干抗拉、壓強度試驗采用烘干試件；濕抗拉、壓強度采用飽和試件。試驗在2 000、100 kN 的壓力機上進行，壓力機為剛性試驗機。試件的軸向變形通過位移傳感器量測，橫向變形通過電阻應變儀測定，應力-應變曲線由X-Y 函數記錄儀繪制。

2.2.2 相對密度試驗

試驗儀器采用直徑30 cm，高度34 cm 的J250型相對密度振動臺（頻率為45～60 Hz，振幅為0～2 mm）。相對密度試驗采用干法試樣進行。先通過固定體積法測定試樣的最小干密度，然后將振動臺調至所需的振幅和頻率，再將已經測定的最小干密度試樣置于振動臺上，振動8 min 后可測定其最大干密度。

2.2.3 室內高壓大三軸試驗

GST-80型三軸儀[2，3]可施加最大圍壓為8.0 MPa，試樣斷面尺寸為300 mm×600 mm，最大粒徑為60 mm，試驗數據全過程自動采集。采用固結排水剪（CD），試樣施加圍壓為500～1 500 kPa，對試驗數據分析整理后，根據摩爾-庫侖理論進行三軸試驗E-μ、E-B模型參數計算。高壓大三軸試驗后，對堆石混合料（圍壓為500～1 500 kPa）進行破碎率測定。

3 試驗主要內容和結果分析

3.1 物理性質試驗

室內和現場的物理性質試驗均在河口堆石料場取4 組石英砂巖進行。取樣位置在河口堆石料場，編號HDS1～HDS4，按4 組物理性質平均編號為HDS平。DSⅠ上、DSⅠ平、DSⅠ下為主堆石Ⅰ區設計包絡線。

河口堆石料檢測結果與主堆石Ⅰ區控制級配關系，如圖1所示。

河口堆石料檢測結果表明：天然含水率1.5%～1.6%，平均1.6%。比重2.63～2.66，平均2.64。在顆粒級配組成中，最大粒徑600 mm，粒徑400～600 mm 的塊石含量為7.4%～12.7%，平均10.3%；200～400 mm的塊石含量為11.7%～14.8%，平均13.1%；粒徑60～200 mm 的碎石含量為25.1%～36.9%，平均31%；粒徑2～60 mm 的礫粒含量為36.1%～42.1%，平均39.1%；粒徑0.075～2 mm 的砂粒含量為6.3%～7.8%，平均7.05%；粒徑＜0.075 mm 的細粒含量為0.68%～1.1%，平均0.89%；粒徑＜5 mm 的礫細粒含量為11.1%～13.9%，平均12.5%。

從圖1 可以看出，河口堆石料檢測級配組成中HDS平在DSⅠ包絡線范圍內，其級配組成基本可滿足壩體填筑設計技術要求。

3.2 力學性質試驗

主堆石Ⅰ區料的相對密度試驗成果詳見表1，其干密度與相對密度的關系曲線如圖2 所示、孔隙率與相對密度的關系曲線如圖3所示。

表1 主堆石Ⅰ區料相對密度試驗成果

圖2 主堆石Ⅰ區料Dr-ρd關系

圖3 主堆石Ⅰ區料Dr-n關系

試驗成果表明，HDSⅠ在包絡線控制狀態下。當相對密度＝0.80 時，干密度為1.92～2.03 g/cm3，相應孔隙率為27.0%～23.9%；當相對密度＝0.85時，干密度為1.95～2.06 g/cm3，相應孔隙率為25.7%～22.6%；當相對密度＝0.90 時，干密度為2.01～2.10 g/cm3，相應孔隙率為24.2%～21.1%；當相對密度＝0.95時，干密度為2.03～2.12 g/cm3，相應孔隙率為22.8%～19.7%。

由表1 可知，當相對密度逐級提高后干密度也顯著提高，但孔隙率呈現降低現象，表明相對密度試驗成果的相關性較好。

表1、圖2—3 表明，相對密度＝0.90 的試驗成果可作為河口料場主堆石Ⅰ區料施工填筑標準及填筑質量檢測標準的依據[4，5]。因此，可按相對密度=0.90對應的干密度控制室內力學試驗試樣。

3.3 室內力學性質試驗

主堆石Ⅰ區料室內力學性質試驗成果詳見表2—4，其孔隙比與壓力的關系曲線如圖4所示。

表2 主堆石Ⅰ區料室內力學性質試驗成果

圖4 主堆石Ⅰ區料孔隙比與壓力關系

由表2 可知，主堆石Ⅰ區料滲透變形試驗的臨界坡降為0.23～0.38，破壞坡降為0.51～0.96，滲透系數為4.31×10-1～6.62×10-2cm/s，表明主堆石Ⅰ區料為強透水性；壓縮試驗的壓縮系數av（0.1～0.2MPa）為0.045～0.048 MPa-1，壓縮模量Es（0.1～0.2MPa）為26.8～28.4 MPa，表明主堆石Ⅰ區料呈低壓縮性；直剪試驗的黏聚力c為62～73 kPa，內摩擦角φ為40.5°～41.5°，表明主堆石Ⅰ區料具有較高的抗剪強度。

表3—4 表明，主堆石Ⅰ區料在不同壓力下的壓縮系數、壓縮指數、變形模量及單位沉降量可供壩體沉降及穩定分析使用。

表3 主堆石Ⅰ區料室內壓縮試驗成果

表4 主堆石Ⅰ區料壓縮指數成果

3.4 室內高壓大三軸試驗

主堆石Ⅰ區料室內高壓大三軸試驗成果，詳見表5—6。

表5 主堆石Ⅰ區料室內高壓大三軸試驗成果

表6 主堆石Ⅰ區料室內高壓大三軸試驗成果

HDSⅠ上包線的主應力差及體積變化與軸向應變的關系曲線如圖5—6 所示，HDSⅠ上包線的固結排水剪強度包線如圖7所示。

圖5 HDSⅠ上包線主應力差與軸向應變關系曲線

圖6 HDSⅠ上包線體積變化與軸向應變關系曲線

圖7 HDSⅠ上包線固結排水剪強度包線

HDSⅠ平均線的主應力差及體積變化與軸向應變的關系曲線如圖8—9 所示，HDSⅠ平均線的固結排水剪強度包線如圖10所示。

圖8 HDSⅠ平均線主應力差與軸向應變關系曲線

圖9 HDSⅠ平均線體積變化與軸向應變關系曲線

圖10 HDSⅠ平均線固結排水剪強度包線

3.5 室內高壓大三軸破碎率測定

主堆石Ⅰ區料室內高壓大三軸破碎率測定成果，詳見表7。

表7 主堆石Ⅰ區料室內高壓大三軸破碎率測定成果

由表7 可知，圍壓=500 kPa，破碎率為11.47%；圍壓=1 000 kPa，破碎率為13.39%；圍壓=1 500 kPa，破碎率為15.91%，破碎率隨圍壓的增大而增大。

4 結論

（1）河口石英砂巖堆石料具有高抗剪強度、低壓縮性和強透水性的工程性質，適合應用于大壩任何部位；室內力學成果和相對密度指標可供設計計算分析和施工填筑質量控制之用。

（2）軟巖筑壩在國內外以往多是在面板堆石壩體內下游干燥區、次堆石區和壩體中間部位采用，但沒有在瀝青混凝土心墻壩中應用實例。因此，軟巖開挖渣料應用于瀝青混凝土心墻堆石壩需注意。

（3）泥質粉砂巖、粉砂質泥、巖石英砂巖耐崩解性能差，軟化現象較為突出。

（4）研究筑壩材料優化的基本目的，就是在滿足設計要求前提下，盡可能采用壩址附近最優質、最便利的材料筑壩。研究成果表明，河口砂巖可用于瀝青心墻上下游反濾過渡料、上游堆石料和主堆石料；石渣混合料可用于下游次堆石料。