石门水库冰水沉积覆盖层关键参数旁压测试

李新峰　陈厚军

摘 要：石门水库位于新疆塔里木盆地南缘昆仑山北麓中山区的莫勒切河中上游，坝址区河床覆盖层为厚达120 m的冰水沉积物，岩性为结构密实的砂卵砾石，局部呈弱泥质胶结，偶含漂石，作为80 m高坝坝基，其物理力学参数指标的准确性对该工程的设计至关重要，而针对这种深厚層粗粒土地区的勘探、取样和试验等历来是水利水电工程勘察的难点。通过多种技术创新手段，克服恶劣环境和诸多困难，采用SM植物胶钻探工艺和金刚石钻进工艺方法，得到较高质量的旁压试验预钻孔及完好的孔壁，保证了旁压试验工作的顺利进行，同时利用完整的勘探岩芯，了解深厚覆盖层的颗粒组成以及物理性质指标，同时辅以多种原位测试和现场试验进行对比验证，获得大坝设计所需的变形模量和承载力等主要参数，满足大坝设计需要。据其所得变形模量和承载力等参数设计的坝基防渗处理措施，达到了预期效果，该水库已完工蓄水，大坝渗流、变形等各项监测指标正常，表明以旁压试验为主、其他原位测试和现场试验为辅的方法确定的各指标参数是合理的。

关键词：冰水沉积物;深厚覆盖层;SM植物胶钻探;旁压试验;原位测试;石门水库

中图分类号：P642;TV221   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.016

Lateral Pressure Test of Key Parameters Deep Overburden Deposited by Ice Water in Shimen Reservoir

LI Xinfeng， CHEN Houjun

（ Xinjiang XPCC Surveying and Designing Institute（Group）Co.， Ltd.， Urumqi 830002， China ）

Abstract：Shimen Reservoir is located in the middle and upper reaches of the Moleche River in the middle mountain area at the northern foot of Kunlun Mountain on the southern edge of Tarim Basin in Xinjiang. The riverbed in the dam site area is covered by ice-water sediment with a thickness of 120 m. Its lithology is sand and gravel with dense structure， locally weak argillaceous cementation and occasional boulders. As the foundation of 80 m high dam， the accuracy of its physical and mechanical parameters is crucial to the design of the project. However， the exploration， sampling and testing of this thick layer of coarse-grained land areas have always been difficult points in the investigation of water conservancy and hydropower projects. Through the adoption of various technological innovations to overcome the harsh environment and many difficulties， SM plant glue drilling technology and diamond drilling technology were adopted to obtain high-quality pre-drilling for side pressure tests. The intact hole wall ensured the smooth progress of side pressure tests. At the same time， the complete exploration cores were used to understand the particle composition and physical property indexes of the deep overburden layer. Meanwhile， a variety of in-situ tests and field tests were used for comparative verification to obtain the main parameters such as deformation modulus and bearing capacity required by dam design， which meet the needs of dam design. The dam foundation seepage control measures were designed according to the obtained deformation modulus， bearing capacity and other parameters had achieved the expected effect. The reservoir had completed water storage and various monitoring indexes such as dam seepage and deformation were normal， which indicated that the parameters of the indexes determined by the methods of side pressure test， other in-situ test and field tests were reasonable.

Key words： ice water deposition; deep overburden; SM plant glue drilling; side pressure test; in-situ test; Shimen Reservoir

1 工程概况与覆盖层成因特点

石门水库位于新疆塔里木盆地南缘昆仑山北麓的中山区，是莫勒切河中上游龙头水利枢纽工程，拦河大坝为沥青混凝土心墙坝，最大坝高80.0 m，坝顶高程2 396.8 m，坝顶长530.6 m，水库正常蓄水位2 394.0 m，总库容6 671万m3。

库区海拔2 312～3 500 m，河谷呈U形，两岸冲沟较发育，河床宽150～280 m，不连续分布Ⅱ～Ⅴ级阶地，其中Ⅳ级阶地宽50～250 m、其他阶地宽5～50 m。该区域早更新世地壳运动剧烈，在南北向挤压应力作用下，地壳整体抬升，河谷下切，在冰川刨蚀作用下形成深200 m左右的侵蚀沟谷;进入中更新世以来，阿尔金断裂以南继续隆起、以北上升趋缓，河谷在侧蚀作用下被拓宽并堆积巨厚的中更新统卵砾石层冰水沉积物，其最大厚度达180 m。坝址区河床上覆全新统卵砾石层厚度为8～10 m，其余大部分为中更新统冰水沉积卵砾石层（广泛分布在现代河床下部及右岸阶地），地层结构总体为较单一的砂卵砾石，现代河床以下揭露最大深度为120 m，地层岩性主要为砾石、卵石，偶含漂石，充填中、细砂，该层卵砾石呈青灰色，结构密实，局部呈弱泥质胶结。据颗分试验，巨粒（>200 mm）含量为31.2%，粗粒组砾粒（2～60 mm）含量为50.7%、粗粒组砂粒（0.075～2 mm）含量为15.9%，细粒组粉、黏粒（<0.075 mm）含量为2.2%，不均匀系数为75.8，属不均匀土，级配不良，实验室定名卵石混合土。该层总体结构密实，局部呈中密状态。工程区基岩地震动峰值加速度为0.211g，覆盖层地震动峰值加速度为0.249g，地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性较差。

对砂卵砾石类粗粒土散体结构地层进行勘探、取样和试验历来是水利水电工程勘察的难点，而在深厚粗粒土中取得较准确的物理力学性质指标，其困难程度不言而喻。以冰水沉积深厚覆盖层为基础建设高达80.0 m的土石坝，必须为设计提供准确可靠的工程地质参数。为此，采用多种新技术、新方法，克服恶劣环境和诸多困难，以旁压试验为主，辅以多种原位测试和现场试验进行对比验证，获得昆侖山北麓深厚冰水沉积覆盖层主要关键参数指标，为石门水库大坝设计提供了科学合理的地质参数。

2 旁压试验工艺简介

旁压试验具有原位、准确、测试深度大等优势和特点，利用可膨胀的圆柱形旁压器在预钻孔内对孔壁施加压力，使孔壁产生变形，通过控制装置测出压力和相应的变形，从而得到土体变形和压力的关系曲线，即旁压曲线，根据旁压曲线计算各岩（土）层的旁压模量及极限压力[1]。相对于其他原位测试，旁压试验在河床深厚覆盖层原位测试中有一定的优势，在深厚覆盖层工程力学特性研究中得到了很好的应用[2]。

自1957 年法国工程师梅纳发明三腔式旁压仪以来，旁压试验在岩土工程勘察中的应用取得长足发展，尤其在法语国家中得到广泛应用，并积累了大量的经验[3]。旁压试验方法自20世纪70年代开始应用于国内岩土工程勘察，经过几十年的完善、发展、应用、推广，已成为地基勘察与基础设计的实用、可靠方法，被广泛应用于地基地质条件评价、土层划分、状态判别、应力历史推求、强度与变形指标计算、承载力确定等[4]。近年来，旁压试验技术已被列入国标及行业规范。

河床砂砾石覆盖层一般具有弱胶结、粗细颗粒相互交替的特点，形成水平排列的透镜体或不规则夹层，采用普通方法很难取得原状样品，且孔壁不规则，影响试验精度，甚至发生损坏试验设备的现象。因此，旁压试验在水利行业应用还不多见，在砂卵石地层中应用更少见[5]。究其原因，河床砂砾石层旁压试验具有以下技术难点：砂砾石钻进过程中若无套管护壁，成孔困难;砂砾石层颗粒大小不均匀，分选性和磨圆度差，在旁压试验过程中膜套极易破损，导致试验失败;若河床砂砾石钻孔护壁不当则极易塌孔，从而使初始膨胀变形过大，很难测得极限压力。

针对河床深厚砂砾石覆盖层的特点，对原位旁压测试进行了以下改进：①考虑到河床砂砾石层的上述特性，采用预钻式（即采用SM植物胶工艺技术人造金刚石回转钻具进行造孔[6]）旁压试验方法;②在旁压试验前预先置入Ф76 mm开缝钢管，将Ф60 mm的旁压探头置于其中，由于开缝钢管膨胀变形属于弹性变形，在试验前可以进行率定，同时开缝钢管对旁压探头膜套起到了很好的保护作用，因此钻进过程中可减小对地层的扰动;③根据工程经验，为了使旁压探头易放入钻孔中试验位置，同时与孔壁间隙不大，采用Ф77 mm非标金钢石钻头及Ф73 mm国标岩芯管作为试验段钻进工具;④对于未测得极限压力的部分试验点，采用与标准旁压曲线拟合的方法求取极限压力。

石门水库旁压试验采用法国梅纳公司生产的GA型旁压仪，探头型号为BX型 （Ф60 mm），开缝保护钢管直径为76 mm，探头初始体积为535 cm3。

3 坝基预钻式旁压试验成果

为获得中更新统冰水沉积卵砾石巨厚覆盖层不同深度的变形特性，为大坝设计提供可靠的指标参数，选取坝址区河床4个钻孔进行旁压试验，试验段间距2 m，最大试验深度82 m， 试验严格按照相关规程进行，共得到91组试验数据，剔除个别异常数据后的有效试验数据共82组（其中全新统冲积层6组、中更新统冰水沉积层76组）。

旁压曲线是旁压试验的基本成果，反映旁压器周围土体的应力、应变变化全过程。根据开缝钢管标定曲线，对试验压力P和体积V修正后，绘制的P—V曲线即旁压曲线，典型钻孔（CZK15钻孔，深度为56.35 m）旁压曲线见图1。根据旁压曲线可求得特征值旁压模量Em、原位水平土压力P0、临塑压力Pf、极限压力PL，并推算变形模量E0、地基承载力特征值fak等指标。通过数据综合分析，可得到图2所示旁压模量、变形模量随深度的变化曲线。

试验结果表明：①全新统冲洪积漂卵砾石层旁压模量Em为7.9～26.3 MPa，平均值为18.3 MPa，推荐值为9.8 MPa;变形模量E0为15.5～123.2 MPa，平均值为94.04 MPa，推荐值为33.9 MPa。②中更新统冰水沉积卵砾石层旁压模量Em为46.1～236.8 MPa，平均值为149.6 MPa，推荐值为135.4 MPa;变形模量E0为167.2～508.6 MPa，平均值为337.5 MPa，推荐值为312.1 MPa。

根据临塑压力Pf判断地基承载力的方法，可得地基承载力特征值fak计算公式为

fak = Pf- P0

通过统计分析计算，得到中更新统冰水沉积卵砾石层承载力特征值fak为 1 760 kPa。

4 多种现场原位测试成果验证分析

从不同角度对旁压试验所取得的成果进行综合比较和验证，使得旁压试验测试指标更接近客观实际，为大坝设计提供科学合理的建议和处理措施。

4.1 原位载荷试验与变形试验

在坝址右岸冰水沉积卵砾石层勘探平洞SPD3-1、SPD3-2、SPD3-4内进行了2组载荷试验、6组变/弹模试验，其试验成果见表1、表2。根据建筑物荷载选择试验压力为1.80 MPa的变形参数，则中更新统冰水沉积卵砾石层天然状态下变形模量为373.2～470.0 MPa，彈性模量为581.3～852.5 MPa，承载力特征值fak为800 kPa。

4.2 天然密度和含水率试验

通过对右岸平洞等部位进行的密度和含水率试验成果进行分析，得出：中更新统冰水沉积卵砾石层在地下水位以上其天然密度为2.20～2.26 g/cm3，天然含水率为0.59%～1.20%，干密度为2.10～2.25 g/cm3。河床内覆盖层中更新统冰水沉积卵砾石天然密度和含水率现场试验，主要通过钻孔内采取SM植物胶岩芯并进行测试。天然密度最大（漂卵石多时）可达2.57 g/cm3，最小（如岩芯主要由砾石和粗砂组成时）为1.98 g/cm3，剔除不具代表性试验数据后，天然密度一般为2.25～2.33 g/cm3，干密度为2.16～2.20 g/cm3。可以看出，在勘探平洞采用灌水法取得的砂卵砾石天然密度指标，与利用SM植物胶钻孔岩芯所获得的天然密度指标接近。

天然含水率数值的准确性客观影响因素主要为植物胶的黏附、黏结作用，主观影响因素为部分岩芯称重不及时造成水分流失，以及因试验数据离散性较大而剔除异常数值。旁压试验钻孔SM植物胶岩芯天然密度、含水率试验成果统计见表3。

4.3 超重型动力触探试验

在坝址区进行超重型动力触探试验，试验成果（见表4）表明：现代河床表层全新统冲积卵砾石层动探击数为4～7击，呈稍密-中密状态，承载力特征值（fak）为850 kPa，变形模量为39 MPa;右岸阶地及现代河床下部中更新统冰水沉积卵砾石层动探击数为10～25击，在试验段深度内整体结构呈中密-密实状态，承载力特征值（fak）为1 000 kPa，变形模量为62 MPa。

由于坝址区覆盖层岩性为含漂石的卵砾石地层，采用超重型动力触探试验时，动力触探击数除受地层密实程度的影响外，粒径大小也有较大影响，当探头遇到较大漂石时，触探击数与细颗粒相比会有较大的偏差，因此用动探击数来判断地层的密实程度及力学参数时应剔除此类离散性较大的数据。

4.4 波速测试试验

在坝址区对覆盖层钻孔及平洞内进行波速测试，测试成果（见表5）表明：现代河床覆盖层上部第四系全新统冲积卵砾石层（8 m以上）纵波波速（Vp）为385～744 m/s，横波波速（Vs）为157～409 m/s，呈松散或稍密-中密状态，土的类型为中软-中硬土，承载力特征值（fak）为300～400 kPa;下部第四系中更新统冰水沉积卵砾石层（8 m以下）纵波波速（Vp）为929～2 383 m/s，横波波速（Vs）为409～1 231 m/s，结构多呈中密-密实状态，土的类型整体属坚硬土，承载力特征值（fak）为500～600 kPa。

右岸阶地覆盖层岩性以第四系中更新统冰水沉积卵砾石为主，本次波速测试在平洞内进行，纵波波速（Vp）为1 107～2 383 m/s，横波波速（Vs）为503～1 231 m/s，土的类型为坚硬土，为密实状态，承载力特征值（fak）为600 kPa。

通过对覆盖层钻孔波速测试及平洞内波速测试成果进行分析，认为钻孔中波速测试过程和条件不易满足，且测试成果与常规经验值偏离，建议采用平洞内波速测试成果。

4.5 相对密度试验

在坝址区中更新统冰水沉积卵砾石层平洞内取具代表性样品进行相对密度试验，依据试验成果，结合取样层位天然密度计算天然状态下的相对密度（Sr）平均值为0.77。据此判断，中更新统冰水沉积卵砾石层试验层位为密实状态（判断标准：Sr < 0.33，松散;0.33< Sr <0.67，中密;Sr >0.67，密实）。

4.6 抽水试验

在旁压试验坝址区布置大口径水文地质钻孔2眼，孔深分别为62.0、92.0 m，采用分段止水在不同深度进行多个落程单井抽水试验，水文井孔径600～650 mm，抽水管管径325 mm，过滤器半径163 mm。通过水文地质计算得到：孔深0～30 m的渗透系数为9.37×10-2 cm/s，孔深30～60 m的渗透系数为7.59×10-2 cm/s，孔深60～90 m的渗透系数为3.82×10-2 cm/s。渗透系数计算结果表明，覆盖层具强透水性，渗透系数呈自上而下逐渐变小的规律，渗透指标与冰水沉积物密实度正相关。

4.7 不同试验成果对比分析

通过对载荷试验（变形试验）、波速测试、超重型动力触探等多种试验方法取得的变形模量和承载力等主要岩土参数指标与旁压试验相互验证，可以避免单一试验成果的片面性，获得更为客观的河床覆盖层基本物理力学特性指标，验证旁压试验成果的准确性。

不同测试方法所得主要岩土参数对比见表6，可以看出，旁压试验获得的冰水沉积物承载力和变形模量指标，较载荷试验（变形试验）、超重型动力触探和波速试验所获得的指标偏大，其中承载力指标比其他原位测试结果偏高1～3倍，与国内部分工程旁压试验所得承载力比其他原位测试结果偏高2.7～4.0倍[7]的情况基本一致，可见石门水库旁压试验成果属于较合理范围，最终承载力特征值fak建议取800 kPa，变形模量E0建议取312.1 MPa。

对砂砾石深厚覆盖层，设计人员十分关心覆盖层地层结构、颗粒级配、密度、物理力学特性及渗透特性[8]。天然密度试验是获得相对密度的关键，根据SM植物胶钻孔岩芯（多呈柱状，充填好，无架空）判断砂砾石深厚覆盖层呈密实状态，所得冰水沉积物天然密度指标与勘探平洞所得成果接近;勘探平洞得到的相對密度Sr为0.71～0.83，表明冰水沉积物呈密实状态;超重型动力触探击数为10～25击，表明冰水沉积物总体结构密实;剪切波速Vs为505～779 m/s，可判断冰水沉积物为密实状碎石土;冰水沉积物抽水试验表明其具强透水性，渗透系数自上而下逐渐变小。

此外，勘探试验钻孔过程孔壁完整、少有塌孔掉块等现象，勘探平洞内洞壁洞顶可长时间保持稳定状态、无垮塌现象、少有掉块，也说明河床冰水沉积物总体结构密实、无软弱夹层或不良透镜体，可以满足土石坝建设的要求。

5 结 语

通过以旁压试验为主、其他原位测试和现场试验为辅的对比验证，较准确查明石门水库坝址区河床深厚冰水沉积覆盖层的承载力、变形特性及物理力学指标、渗透性指标。对旁压试验、载荷试验、变形试验、动力触探试验、波速试验及钻孔抽水试验等成果进行综合分析表明，在一倍坝高（80 m）范围内，变形和承载力指标总体上与冰水沉积物密实度呈正相关关系，旁压模量总体上随深度增加而增大，覆盖层随深度的增加而渐趋密实。

深厚覆盖层中进行预钻式旁压试验，成孔质量对旁压试验成果的准确性有较大的影响。本试验钻孔采用SM植物胶工艺，试验成孔质量好，试验数据离散性小，据其所得变形模量和承载力等参数设计的坝基防渗处理措施达到预期效果，石门水库大坝填筑已于2017年完成封顶并开始蓄水，目前大坝渗流、变形等各项监测指标正常，表明以旁压试验为主、其他原位测试和现场试验为辅的方法确定的各指标参数是合理的。

参考文献：

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[2] 陈宝国，陈明星.旁压试验在松塔水电站深厚覆盖层原位测试中的应用[J].勘察科学技术，2014（1）：31-52.

[3] GAMBIN M.Reasons for the Success of Ménard Pressuremeter[C]// Proceedings of the 4th International Symposium on Pressuremeters. Canada，Sherbrooke：Cérard Ballivy，1995：17-19.

[4] 石祥锋，汪稔，张家铭，等.旁压试验在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004（增刊1）：4442-4445.

[5] 鲁辉，杨红云，张腾.旁压试验在砂卵石地层中的应用及改进[J].河南水利与南水北调，2012（20）：72-73.

[6] 水利部.水利水电工程地质勘察规范：GB 50487—2008[S].北京：中国计划出版社，2009：122-243.

[7] 刘翔宇，杨光华，杨球玉，等.旁压试验在深厚强风化花岗岩层中的应用[J].工程勘察，2016（7）：31-35.

[8] 党林才，方光达.利用覆盖层建坝的实践与发展[M].北京：中国水利水电出版社，2009：1-12.

【责任编辑 张智民】

收稿日期：2019-07-03

基金项目：新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司科研课题（XM20160085）

作者简介：李新峰（1966—），男，河南鲁山人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察与施工地质工作

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