韩素丽
(山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002)
松塔水电站土石坝位于山西省寿阳县松塔镇下游,所属的河流水系为汾河水系潇河支流松塔河,大坝坝址上游控制流域面积1 174 km2。土石坝坝型选择为均质土坝,最大坝高62.60 m,坝顶长539.0 m,顶宽10 m,坝顶上游侧设1.2 m高的浆砌石防浪墙;上游坝坡为 1:2.75、1:3.0、1:3.5,下游坝坡为 1:2.75、1:3.0、1:3.0;大坝上下游均各设两条2.0m宽的马道;上游坝坡设干砌石护坡,下游坝坡设混凝土块护坡。坝体防渗采用黏土截水槽,截水槽的黏土性能与坝体填土性能一致;槽底达坝基强风化基岩下限,底宽6.0m,上、下游边坡均为1:1.5。本文基于松塔水电站土石坝现场取样的三轴试验测试结果,参考项目初步设计中相关数据,对坝体坝坡的稳定性进行分析。大坝的断面示意图见图1。
图1 大坝断面示意图
三轴固结不排水试验(简称多样剪)是根据摩尔—库伦破坏准则测定土的强度参数(凝聚力和内摩擦角)。试验方法为:选取一圆柱体试样,先在其四周施加一周围压力(即小主应力),随后逐渐增加大主应力直至破坏为止。根据破坏时的大主应力、小主应力,绘摩尔圆一组,摩尔圆的包线就是抗剪强度与法向应力的关系曲线。通常以近似的直线表示,其倾角为内摩擦角以c表示,在纵轴上的截距为粘聚力以φ表示。试验执行参考《土工试验方法标准(GB/T 50123—1999)》,加荷采用试样多次分级加荷法,累计的轴向应变不超20%。
试验仪器采用KTG全自动应变控制式三轴压缩仪(A型),仪器系统由试验机、压力室、试验及控制系统、周围控制系统、反压控制系统、主应力差量测系统、孔隙压力传感器、排水传感器、体变传感器、数据采集处理软件等组成。KTG全自动三轴压缩试验仪器系统示意图见图2。
图2 三轴仪器管路示意图
本试验采用土样分别取自土坝下游坝坡10 m处不同桩号位置,土样取土深度2 m,取土时保留1 m上层土,集中堆放一侧,待取样完成后回填,取样时应进行一次重复。
(1)首先将制备好的一个试样安装在压力室内,施加第一级周围压力进行排水固结。
(2)固结完成后进行剪切,直至轴向应变达到预先设定值就停止剪切,然后退除轴向压力,待孔压稳定施加第二级周围压力。
(3)重复之前的步骤,加第三级周围压力,再重复之前的步骤。
试验要求后两级周围压力应等于或大于前一级周围压力下破坏的最大主应力,试样的轴向应变以前一级剪切终了退去轴向压力后的试样高度作为后一级的起始高度,累计应变不超过20%,将每一级周围压力下达到设定轴向应变时的主应力差作为破坏点。
粘聚力又叫内聚力,是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力,这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现;内聚力能使物质聚集成液体或固体,特别是在与固体接触的液体附着层中,由于内聚力与附着力相对大小的不同,致使液体浸润固体或不浸润固体。内摩擦角是指物质在垂直重力作用下发生剪切破坏时错动面的倾角,它反映了土的摩擦特性,一般认为包含两个部分,即土颗料的表面摩擦力与颗粒间嵌入作用产生的咬合力。土石坝取样三轴仪测定的有效粘聚力c’和有效内摩擦角φ’结果见图3。
从图3数据可以看出,试验测定的坝体土有效粘聚力最大值 c’max=94.0 kPa,有效粘聚力最小值 c’min=3.0 kPa,平均值 c’p=45.9 kPa,大值平均值 c’maxp=73.0 kPa,小值平均值c’minp=28.33 kPa;坝体土内有效摩擦角最大值φ’max=29.5°,粘聚力最小值 φ’min=20.4°,平均值 φ’p=26.03°,大值平均值 φ’maxp=28.64°,小值平均值 φ’minp=23.42°。
根据设计单位提供的该土石坝主体工程设计资料可知:上下游坝坡计算工况包括正常蓄水位(58.4 m)情况、校核洪水位(59.62 m)情况、正常蓄水位加地震与水库水位由正常蓄水位降至死水位(25.4 m)情况四种工况;设计中选取的计算参数为:坝体土的粘聚力c’=10.7 kPa,内摩擦角φ’=23°;设计中采用理正软件中的简化Bishop法计算坝坡的安全系数,计算结果见表1。
表1 土石坝主体工程坝坡稳定计算结果表
将现场取样的三轴仪测试统计结果和设计选用值相比较可知,选取的坝体土粘聚力值c’=10.7kPa小于测试统计结果中的小值平均值c’minp=28.33kPa,内摩擦角值φ’=23°则小于小值平均值φ’minp=23.42°。如果用现场测试的几组统计值(平均值,大值平均值,小值平均值)均利用简化Bishop法计算上下游坝坡安全系数,计算工况就选择正常蓄水位情况,分析上下游坝坡稳定安全系数,计算结果见表2,计算公式如下:
式中:W——土条重量,浸润线以上按湿重度计,浸润线与坝坡外水位间按饱和重度计,坝坡外水位以下按浮重度计;
u——条块底面中心点出的渗透压力;
α——土条底面中心点的切线与水平线间的夹角;
b——土条宽度;
φ’,C’——土条底面中心点所通过土层的内摩擦角、粘结力;
Mc——水平地震惯性力对圆心点的力矩;
R——滑弧半径。
表2 土石坝不同粘聚力和内摩擦角的统计值分析坝坡稳定
因此,从现场取样三轴仪测试统计结果的稳定计算结果来看,其值均大于设计值,可认为坝体填筑土的抗剪强度指标(粘聚力和内摩擦角)能满足设计要求。对于其中出现的奇异点(比如7号土样的粘聚力测试值为5kPa,5号土样的内摩擦角测试值20.3°,应该在邻近位置进行重新取样再次进行测试。
文章利用三轴仪(KTG全自动应变控制式三轴压缩仪)对新建土石坝的坝体填筑土取样进行了测试,根据测试得到土体抗剪强度指标值(粘聚力和内摩擦角),然后与初步设计提出的坝坡稳定分析坝体土参考值进行了比较,并利用简化Bishop法重新计算了各统计值下坝体上下游坝坡的稳定安全系数,结果表明坝体填筑土的抗剪强度指标均能满足设计要求。对于测试中出现的奇异值点,建议进行重新测试,如果其值确实较小,应提请设计单位对该部位土体进行重新分析,提出改造措施和方案。