冶勒水电站坝基超固结粉质黏土物理力学特性

魏星灿 夏万洪 黄润太

摘要：冶勒水电站大坝坝基由超过400m厚的粉质黏土和卵砾石层组成，研究其土体物理力学特性对工程设计和施工具有重要意义。通过物性试验、静力和动力试验对坝基粉质黏土进行物理力学特性研究，结果表明：土体级配良好，属低液限、超固结、低压缩性粉质黏土，先期固结压力为4.5～6.0MPa，压缩模量为35.7～152.3MPa，变形模量为35.00～80.74MPa；摩擦角为33.70°～35.94°，黏聚力为0.12～0.21MPa，抗剪强度指标高；动剪切模量为568MPa，动弹性模量为1686MPa，动强度参数随振动次数的增加略有降低，但降幅较小。最终提出了一种特殊土体——超固结粉质黏土的物理力学参数指标。

关键词：超固结粉质黏土；物理特性；动强度参数；冶勒水电站

中图分类号：TV221.2；TV16 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.029

1 概述

冶勒水电站位于四川凉山州，为大渡河一级支流南桠河流域的龙头水利水电工程。电站具有多级调节能力，大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝高125m，坝址区覆盖层厚度超过400m，属于超深厚覆盖层上建高坝情况。超深厚覆盖层上建高坝需解决的关键技术问题多，一直是水利水电工程勘察设计研究的重点和难点。

冶勒水电站坝址位于冶勒断陷盆地边缘，坝基由冰水一河湖相沉积的粉质黏土和卵砾石组成，互层状产出，总体微倾右岸偏下游。根据沉积韵律和岩性特征，坝基岩土体自下而上划分为5个岩组，见图1。其中：第一、第四岩组为卵砾石，第二、第五岩组为粉质黏土，第三岩组为卵砾石与粉质黏土互层。

徐奋强等对南京河西地区粉质黏土的物理力学性质指标研究发现，粉质黏土的物理性质指标变异性小，但力学性质指标变异性大；宁宝宽等对沈阳地区粉质黏土的研究和陈红对珠海唐家地区粉质黏土的研究也有相同的结论；冯道德等对湖南省上更新世（Q3）粉质黏土的研究发现，Q3粉质黏土孔隙比小、含水量不高、压缩性较小，呈坚硬至硬塑状态，载荷试验变形模量E0为19.0～58.0MPa。

冶勒水电站坝基粉质黏土层为上更新统（Q3）地层。为了科学选址和优化设计，迫切需要查明坝基粉质黏土物理力学特性。为此，笔者以冶勒水电站坝基粉质黏土为研究对象，通过物理性质试验、静力和动力试验对坝基粉质黏土进行物理力学特性研究。

2 土体物理性质特征

2.1 土体物理性质

土體物理性质描述其物理特性、物理状态和三相比例关系等。冶勒水电站坝址区粉质黏土物理性质试验共完成36组，试验结果见表1。土样相对密度为2.68～2.80，干密度为1.67～1.88g/cm3，孔隙比为0.39～0.64；在颗粒组成上，粒径小于0.075mm颗粒含量为52.0%～92.1%，小于0.005mm粒径的黏粒含量为12.0%～34.0%，以粉粒为主；在级配上，限制粒径D60=0.012～0.065mm，有效粒径D10=0.0012～0.0080mm，不均匀系数Cu=8.3～15.0，曲率系数Cc=0.6～1.3，级配良好；在界限含水率上，液性指数为-0.37～-0.07，属低液限黏土（CL）。

从图2中的物理性质试验结果和平均颗粒分布曲线可知，土体颗粒组成范围小，曲线总体较平滑，无明显平直段和陡降段，表明坝址区粉质黏土属于干密度大、孔隙比小、级配良好、液性指数低的特殊土体。

2.2 土体矿物成分

土体中的矿物类型、数量影响其物理、化学性质，采用X射线衍射和能谱测定对坝基14组粉质黏土进行测定，结果见表2。矿物成分以伊利石为主，其次为蒙脱石，土体中氧化物较多，SiO2含量为37.03%-55.52%，CaO和MgO的含量为3.81%～10.26%。

扫描电镜观察粉质黏土的微观结构多呈棱角厚片状结构，大小颗粒彼此充填密实，接触式或充填式胶结，土质均匀，孔隙小，结构密实。

3 土体力学特性

3.1 土体静力学特征

3.1.1 压缩性

土体压缩性一般采用压缩系数、压缩模量和变形模量来表征。利用原状土样固结试验，按式（1）、式（2）求压缩系数、压缩模量[5-9]：式中：ei、ei+1分别为i级和i+1级压力下的试验孔隙比；e0为初始孔隙比；av为某一压力范围内的压缩系数，kPa-1；pi、pi+1分别为i级和i+1级压力，kPa；Es为某级压力下的压缩模量，kPa。

为获得坝基粉质黏土的压缩系数、压缩模量，对不同部位的粉质黏土进行了19组固结试验，最大压力为1.6MPao试验结果（表3）显示：土体在0.10～0.20MPa固结压力时的压缩系数为0.05～0.11MPa-1，平均值为0.083MPa-1，对应的压缩模量为10.70～40.00MPa，平均值为20.50MPa，属低压缩性土。从土样的孔隙比e与压力P关系曲线（图3）也可看出，曲线整体平缓，未见明显压缩变形段，说明土体在地质历史上遭受过较高的先期固结压力。利用e-1gP曲线图解得粉质黏土的先期固结压力为4.5～6.0MPa，说明该粉质黏土属于超固结土体。

水电勘察规范规定，土体的压缩模量取值可从压力变形曲线上按建筑物最大荷载作用下的应力应变关系选取，也可根据压缩试验按固结程度选取。固结试验结果表明，土体在固结压力0.8～1.6MPa时的压缩系数为0.050～0.036MPa-1，对应压缩模量为35.71～152.38MPa，平均值达95.87MPa。

变形模量E0是在无侧限条件下应力与应变的比值。理论上，变形模量和压缩模量具有一定对应关包括弹性应变和弹塑性应变两部分，因此变形模量与压缩模量并不符合上述公式。

实际工程中.土的变形模量一般通过现场载荷试验确定.利用载荷试验的P—S曲线起始线性段的应力、应变关系，按式（3）计算土体的变形模量E0：式中：，I0为刚性承压板的形状系数；μ为土的泊松比；d为承压板直径或边长，m；P为P—S曲线线性段的压力，kPa；S为与P对应的沉降，mm。

在已有试验资料的基础上，结合工程布置情况，在不同部位选取了5组具有代表性的粉质黏土进行现场载荷试验。试验中，承压板直径为50.5cm，最小垂直载荷0.1MPa，最大垂直载荷2.2MPa，分级压力按0.1MPa进行试验。

从载荷试验的P—S曲线（图4）可以看出，试验土体并无明显压缩变形段。采用作图法获得粉质黏土的比例界限Pk=0.8～1.1 MPa，对应Pk的沉降量为0.348～1.130mm，取I0=0.785、μ=0.3，计算得变形模量E0=35.00～80.74MPa，平均值为57.00MPa。

3.1.2 抗剪强度

土体破坏形式主要包括拉裂破坏和剪切破坏，作为坝基土体主要考虑剪切破坏，通常可由三轴剪切试验或现场大剪试验获得抗剪强度。针对冶勒水电站坝基粉质黏土的特殊性和重要性，先后开展了2轮三轴剪切试验和现场大剪试验，其中三轴剪切试验25组、现场大剪试验8组。三轴剪切试验方法有不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）3种，现场大剪试验采用天然状态快剪（Q）、固结快剪（CQ）和饱和状态固结快剪（CQ）3种方法。

25组三轴剪切试验结果（表4）显示，UU试验的摩擦角、黏聚力较CU试验值低8%～10%，CU、CD试验值基本相当，强度参数均高于普通黏性的。三轴剪切试验过程中，应力应变曲线均有峰值出现，一般呈驼峰型脆性破坏.充分体现了粉质黏土具有超固结压密的特性。

现场大剪试验以剪应力峰值作为土樣的抗剪强度，根据抗剪强度和垂直压力关系曲线，按照库仑一奈维表达式确定土样的抗剪强度参数。试验结果（表5）显示，土样摩擦角平均值为33.700～35.940，黏聚力平均值为120～210kPa。

3.1.3 渗透特性

为获得粉质黏土的渗透系数，按水电工程土工试验规范要求，采用室内原状样进行变水头渗透试验，并按式（4）计算：式中：a为水头管截面面积，cm2；L为渗径，cm；A为试样面积，cm2；H1、H2分别为开始、终止试验时的水头，cm；t为测读水头的起止时间差，s。

经整理分析10组粉质黏土渗透试验，计算出粉质黏土的渗透系数K=2.76×10-4～5.60×10-9m/s，属极弱透水层。

为获得粉质黏土更为准确的抗渗变形能力，开展了4组现场大型渗透变形试验（表6），试验水头高10m，分平行层面和垂直层面进行。渗透变形试验过程中，土体下游面仅出现局部开裂或鳞片状剥落现象，未见明显大变形破坏迹象。

临界比降最小值7.1，最大达26.1，对应破坏比降分别为12.2和>43.0。现场渗透变形试验充分反映出粉质黏土具有较强的抗渗透变形能力。

3.1.4 抗液化性

坝基粉质黏土的标贯试验结果（表7）显示：地表至5m深范围内标贯击数为42-61（92为异常值）；土层埋深5～15m范围内，标贯击数为92～106，属于密实、坚硬状态土体。

坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，根据水电勘察规范对坝基粉质黏土地震液化性进行复判。同时，考虑到标贯试验点深度与工程运行时试验点所在深度不一样，标贯击数按式（5）修正：式中：N63.5'为实测标准贯入锤击数；ds为工程正常运行时标准贯人点在当时地面以下的深度，m；dw为工程正常运行时地下水位在当时地面以下的深度，m； ds'为标准贯人试验时标准贯人点在当时地面以下的深度，m；dw'为标准贯人试验时，地下水位在当时地面以下的深度，m。

标准贯人临界击数按式（6）计算：式中：ρc为土的黏粒含量，%；N0为液化判别标准贯入击数基准值。

经计算，粉质黏土标贯击数修正后的最小值

4 土体物理力学参数选取

冶勒水电站坝基超固结粉质黏土的物理性质参数见表1。在力学参数选取中，以静力、动力试验为基础，结合工程地质条件进行修正，其中浅表部变形模量由现场原位试验整理确定，埋深大于3m的土体变形模量按浅表部变形模量的1.5倍修正；抗剪强度参数以现场原位大剪和室内三轴剪切试验结果为基础，按土体的分布位置、性状进行折减；固结排水剪试验中的八大非线性参数由工程地质条件、试验结果、深部变形N63.5min=159远远大于Ncrmax=10.5，说明该粉质黏土不具有地震液化的可能性。

3.2 土体动力特性

3.2.1 动模量

土体的动模量包括动剪切模量G，和动弹性模量Ed，可采用动三轴试验获得，也可通过现场跨孔试验测得土体的压缩波和剪切波，按式（7）、式（8）计算：式中：ρ为土的天然密度，g/cm3；Vs、Vp分别为土体的剪切波速和压缩波速，m/s。

按现场跨孔试验测得的粉质黏土声波计算其动模量，最大动剪切模量为530MPa、最大动弹性模量为1686MPa（表8）。据齐剑峰等、孙德安等对普通黏土的研究，其动剪切模量为40～140MPa。冶勒水电站坝基粉质黏土的动剪切模量为普通黏土的几倍到十几倍。

3.2.2 动强度

一般将土体在一定应力循环次数作用下达到某一指定破坏标准的动应力幅值定义为土的动强度，通常采用动三轴仪按等效荷载作用获得土体的动强度。冶勒水电站坝基粉质黏土动三轴试验采用Seed建议的6.5、7.0、7.5、8.0震级所对应的8、12、20、30周的特征周次进行，围压分别为100、125、150kPa，破坏标准取轴向动应变为5.0%时的强度值。在粉质黏土土样振动过程中，孔隙水压力并未随振动次数的增加而明显增加，普遍发展非常缓慢，非饱和粉质黏土的孔隙水压力接近零。试验结果（表9）显示，随着振动破坏周次的增加，动应力比Rσ相应减小。

据杨果林等研究，Mohr-Column强度理论适用包线，求得土样粉质黏土的动摩擦角φd和动黏聚力cd。

土样在相同振动周次下，多呈软化型脆性破坏。动三轴试验结果（表10）显示，土样在相同振动周次下，动强度参数随固结比的增大而增大，在同一固结比情况下，动强度随振动次数增加有所降低，但降低幅度不大。指标结合国内外工程类比确定。冶勒水电站坝基粉质黏土力学参数建议值见表11。