沙坪二级左岸崩坡积体物理力学参数选取

黄维，傅世平

（1.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江水利水电学院，浙江杭州，310018）

1 前言

沙坪二级坝址河谷两岸左缓右陡，呈不对称“U”型。左岸高程575 m以上为崩坡积层，后缘高程790 m左右，往下游方向逐渐降低，前后缘最大高差约240 m，纵向长约375 m，平面上呈喇叭形。坝线一带一般厚9～13.5 m，坝前深厚，一般厚20～60 m，钻孔揭示最大厚度达179.9 m以上，总方量约240.3万m3。崩坡积体基覆界面具有明显的台阶状特征，台阶一般宽22～32 m。

崩坡积体颗粒组成极不均一，空间分布差异很大，崩坡积体自下而上可分为⑤-1、⑤-2、⑤-3、⑥、⑦层。

⑤-1、⑤-2、⑤-3块碎石层：碎石含量约85%～90%，粉质粘土含量10%～15%，稍密～中密为主；厚27～44 m。

⑥层碎石夹粉质粘土：碎石含量约70%～80%，粉质粘土含量约20%～30%，稍密～中密为主，弱胶结；分布较广泛，厚2～38 m，向上游厚度增加。

⑦层碎石：块石含量约10%，碎石含量约85%～90%，少量粉质粘土充填，稍密为主，局部松散、架空；岸坡地表普遍发育，厚3～7 m。

物理力学性质参数选择以室内大剪试验、真三轴试验为基础，结合工程类比法、经验公式法，综合确定左岸崩坡积体的物理力学指标。大剪试验是粗粒土直接剪切试验的俗称，是测定土体抗剪强度的一种常用方法，大剪试验相对粗粒土的剪切试验而言，比较复杂，每组试验材料需要大约600 kg；三轴剪切试验是测定土体抗剪强度的一种比较完善的室内试验方法。两种试验每组样品的最大粒径均不超过6 cm。

2 崩坡积体物理性质

崩坡积体天然容重、含水率见表1。1号、2号和3号试样级配的特征粒径、不均匀系数和曲率系数见表2。根据表2可知，1号、2号和3号试样均不能同时满足Cu大于5及Cc等于1～3，故均属级配不良。

图1 崩坡积体典型剖面图Fig.1 Typical profile of colluvial clay

表1 天然容重成果表Table 1 Natural unit weight

3 崩坡积体力学性质

左岸崩坡积体的岩土体力学性质指标，以室内土工试验成果为基础，结合经验公式法、工程地质类比法确定。

3.1 大型剪切试验成果

大剪试验样品分别取自覆盖层中三个不同层位，每组样品的最大粒径不超过6 cm。据1号、2号和3号试样试验结果，综合分析垂直压应力σ-水平剪应力峰值τ关系曲线、天然和饱和容重、含水率及级配曲线，最终确定抗剪强度指标见表3。

表2 试样特征粒径、不均匀系数和曲率系数Table 2 Characteristic particle diameter,non-uniformity coefficient and curvature coefficient

从表3可以看出，1号试样内摩擦角最高且天然状态和饱水状态差值最小（相差不到2度），2号试样内摩擦角最低且天然状态和饱水状态差值最大（相差在7度以上）。其原因在于1号试样块碎石含量最多，细颗粒含量最低；2号试样块碎石含量最少，细颗粒含量最高。

3.2 真三轴剪切试验成果

分别对4号（块碎石层⑤3）、5号（块碎石夹粉质粘土层⑥）和6号（碎块石层⑦）试样进行天然、饱水两种状态下的抗剪强度指标测定。

根据三轴剪切试验测得的数据，整理并绘制主应力差与轴向应变关系曲线。图2为4号试样饱水主应力差-轴向应变曲线（其余曲线相似），应力应变关系曲线表现为应变硬化型曲线，未发生应变软化。在轴向应变达12%之前，主应力差值迅速增加；当轴向应变大于12%后，主应力差值略有增加，试样应变硬化的速率减小。

表3 天然和饱水状态下抗剪强度指标Table 3 Shear strength index in natural state and water-saturated state

图2 4号饱水主应力差-轴向应变曲线Fig.2 Graph of the principal stress difference and axial strain under water-saturated state

从应力应变关系曲线可以看出，应力应变关系曲线并不十分光滑，而是在局部出现波动，但总体发展趋势明显，这是因为块碎石土体中块碎石含量较多，颗粒间以点接触为主，在剪切过程中，接触点处出现应力集中，局部应力超过块碎石土体颗粒接触强度，产生了尖点破碎，引起了应力与应变的波动，随后在压力作用下颗粒发生重新排列、定向，达到一个新的平衡状态，在宏观上表现为应变继续发展。

综合分析主应力差与轴向应变关系曲线、固结不排水剪强度包线、天然和饱和容重、含水率和级配曲线，得出天然和饱水状态下的抗剪强度指标见表4。从表4可知，天然状态下6号试样内摩擦角最大，5号试样内摩擦角最小。其原因在于6号试样块碎石含量多，而土的含量少；相反，5号试样块碎石含量略少，而土的含量略多。另外，在饱水状态下，4号、5号和6号试样抗剪强度指标均有不同程度的降低，主要是由于试样中土的含量不同，导致内摩擦角不同程度的降低。

3.3 经验公式

在工程地质调查过程中，经常遇到大量的滑坡、崩塌等复杂成因的第四系松散崩坡积体。这些松散崩坡积体以碎石或碎块石夹土组成，碎、砾石的含量一般在30%～70%之间。这类土的力学性质介于土体与堆石体之间。由于夹杂着大小不等的碎块石，用常规的小试件进行试验已经不可能，需要做现场大剪试验或室内大剪试验，但要花费大量的资金和精力，针对该问题，有学者通过试验，提出了碎石土抗剪强度的计算方法。

时卫民、郑宏录等人在研究三峡库区碎石土抗剪强度指标试验的过程中，根据抗剪强度与细粒含水量及碎石含量的变化关系，以细粒的液性指数和碎石含量为指标，提出了碎石土抗剪强度的实用计算公式。在碎石土抗剪强度指标的确定上，具有较高的参考价值。

表4 天然和饱水状态下抗剪强度指标Table 4 Shear strength index in natural state and water-saturated state

式中：CC、ϕC——纯土时的粘聚力和内摩擦角；

KC、Kϕ——分别为含石量对粘聚力和内摩擦角的影响系数，按表5取值；

P5——粒径大于5 mm的颗粒含量，以小数计；

A——临界含石量，按表5取值。

表5 含石量对强度参数的影响系数Table 5 Influence coefficient of the stone content to strength parameter

表中：KC、Kϕ——分别为含石量对粘聚力和内摩擦角的影响系数；

IL——细粒土的液性指数。

式（1）、（2）中含有纯土的强度参数，因此，只要按常规试验，测定碎石土中细粒土的强度参数和液性指数，就可以推算出不同含石量下的强度参数。

运用上述碎石土抗剪强度的经验公式，针对左岸崩坡积体，结合常规试验碎石土中细粒土的强度参数、液性指数及粒度分析曲线，分组估算其抗剪强度指标（见表6）。

计算结果表明，碎石土的抗剪强度指标随着含石量的增加，内摩擦角增大，而粘聚力减小。也就是说混合土由“土”性转化为“石”性。

碎石土的抗剪强度指标随着液性指数的增大，内摩擦角减小，而粘聚力增大。内摩擦角减小可以从两方面解释，一方面由于液性指数增加，土粒变得很软，这些泥粘在粗粒的表面，降低了颗粒间的摩阻力，从而降低了摩擦角。另一方面由于液性指数的增加，某些硬结的粗粒被软化，变成了软泥，间接减少了粗粒的含量，引起内摩擦角的降低。

表6 经验公式法下碎石土抗剪强度指标Table 6 Shear strength index of the gravel soil by the empirical formula method

3.4 工程地质类比分析

工程地质类比法是边坡稳定性分析与评价中常用的方法与手段，其结果有着重要的参考意义与借鉴价值。诸多水利水电工程及边坡治理工程堆积体抗剪强度指标参数见表7。

由工程类比表可知，碎石土天然状态下内聚力取值一般在50～70 kPa之间，内摩擦角一般在35°～40°之间；饱水状态下内聚力取值一般在40～45 kPa之间，内摩擦角一般在26°～38°之间。

4 稳定性计算参数综合确定

计算参数选取是否合理是评价堆积体稳定性的关键。通过上述各种分析方法，得出的抗剪强度参数C、φ值汇总见表8。从表中可知，由试验方法所得出的参数值处于类比范围值之低限、略高于经验公式计算值，几种方法取值具有较好的一致性。综合各种方法的取值，建议计算参数如表9所示。

根据选取的参数，进行了左岸堆积体稳定性分析和处理方案设计，处理工程已于2011年12月完工，监测表明，目前边坡整体稳定。左岸堆积体的成功处理，对后续类似工程的崩坡积体物理力学参数取值方法有一定的参考意义。■

表7 堆积体抗剪强度类比参数值Table 7 Shear strength index of the deposit body by the engineering analogy method

表8 左岸堆积体各方法抗剪强度参数取值汇总表Table 8 Shear strength index of the deposit body by different methods

表9 左岸堆积体计算参数综合取值表Table 9 Selected parameters of the deposit body on left bank

[1]成都理工大学,华东勘测设计研究院.大渡河沙坪二级水电站坝址左岸堆积体稳定性及工程影响专题研究报告[R].

[2]华东勘测设计研究院.四川省大渡河沙坪二级水电站可行性研究报告[R].

[3]时卫民,郑宏录,刘文平,郑颖人.三峡库区碎石土抗剪强度指标的试验研究[J].重庆建筑,2005(2):30-35.