CCS 水电站首部枢纽地基土抗剪强度指标试验

姚 阳，张党立，齐三红，苗 栋，郭卫新

（黄河勘测规划设计研究院有限公司， 郑州450003）

强震和复杂深厚覆盖层问题是水电工程建设所面临的巨大挑战， 也是很多工程能否成功建设的控制性因素［1］。 深厚覆盖层中的细粒土软弱夹层在地震作用下存在液化可能；由于土性软弱，抗地震动变形能力较差， 在强震作用下会产生较大的地震动位移，对坝体的稳定性和正常运行带来了重大的隐患。因此深厚覆盖层中软弱土层的强度特性参数的确定，直接关系到覆盖层地基处理方案的选择，涉及到工程安全和工程投资规模。

厄瓜多尔Coca-Codo Sinclair水电站 （以下简称CCS水电站）首部枢纽建筑物地基为不均匀的深厚覆盖层，地震烈度高，岩相变化大，厚度相差大，组成性质各异，地质条件非常复杂，建筑物地基处理是设计的难点和重点。 本文重点研究首部枢纽深厚覆盖层中C1细砂层和C2粉土层的强度指标， 为工程设计地基处理方案的选择提供重要依据。

1 工程概况

CCS水电站为引水式电站，位于南美洲厄瓜多尔国北部Napo省与Sucumbios省交界处，工程任务主要为发电，电站总装机容量1500MW，是厄瓜多尔规模最大的水电站。 CCS水电站主要建筑物由首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等组成。

首部枢纽位于Salado河与Quijos河交汇处下游约1km的Coca河上，主要建筑物由挡水建筑物（混凝土面板堆石坝）、泄洪排沙建筑物（溢流坝及冲沙闸）和取水建筑物（取水闸及沉沙池）三部分组成。 泄洪排沙建筑物布置在坝址区左侧垭口处， 从左到右依次布置为8孔溢流堰和3孔冲沙闸，坝顶高程1289.50m，坝顶长度约271.75m；水库最高水位1288.30m，最大泄流量16444m3/s。取水闸紧贴冲沙闸右侧布置，与溢流坝轴线呈70°交角，闸底板高程1270m，引水闸共16孔，四孔一联，共四联。沉沙池紧接引水闸布置，共布置8条池室，主要包括上游过渡段、工作段、下游出口闸、静水池、侧向溢流堰及排沙廊道系统。 沉沙池工作段长153m，单池过流断面净宽度13m，沉沙池后连接无压长输水隧洞。 混凝土面板堆石坝位于Coca河主河槽上，轴线长156.12m，坝顶高程1289.80m，最大坝高26.80m［2-6］。

工程地处强震区，最大可信地震烈度达9度，首部枢纽建筑物基础的河床覆盖层厚度从右岸向左岸深度变化较大，最大厚度超过200m，地层主要由第一岩组（砂卵砾石层）、第二岩组（砂层）、第三岩组（黏土层）及第四岩组（粉土层）组成，分布复杂［7］。覆盖层地基中的C1细砂层和C2粉土层经初步判定存在地震液化可能，其中C1细砂基本物理特性较为常规，而C2粉土则呈现高天然含水率和低天然干密度的特点，存在地基沉降稳定和抗剪强度较低的问题，地基土的强度特性是工程设计人员关注的重点问题。

2 地基土的基本物理性质

采用现场环刀取样结合室内烘干称重的方法，测得C1细砂和C2粉土的平均天然干密度分别为1.52g/cm3和1.38g/cm3，平均天然含水率分别为18.1%和35.6%。

采用比重瓶法测得C1细砂和C2粉土的的比重均为2.74。

采用筛析法 （d＞0.075mm） 和比重计法 （d＜0.075mm）联合测定了土样的颗粒级配，结果如表1和图1。 测试结果表明，C1属细粒土质砂，C2属细粒土。

表1 土样颗粒分析试验结果

图1 土的颗粒级配曲线

通过相对密度试验， 分别采用敲击法和漏斗法测得两种土料的最大干密度和最小干密度［8］，C1细砂和C2粉土的最大干密度分别为1.72，1.61g/cm3，最小干密度分别为1.23，1.05g/cm3。

3 试验条件及方法

为了研究拟定地基加固方案（振冲碎石桩）的加固效果， 分别进行加固前和加固后土料不同相对密度时的强度试验， 加固前两种土的相对密度统一取为0.70（实际分别为0.66，0.68），加固后相对密度根据现场碎石桩试验成果统一取为0.85［9］，相应的试验控制相对密度及干密度如表2。

表2 土的相对密度试验结果及试验控制干密度取值

地基土的固结排水三轴试验（CD）和固结不排水三轴试验（CU）均在英国ELE公司生产的应变控制式三轴仪上进行，试样的直径为3.8cm，高度为8cm，每组抗剪强度试验均由3个样品组成，对按相对密度控制制备的圆柱形试样进行等压固结， 在排水和不排水条件下分别进行100，250，500kPa三种围压的试验。试验时，测定轴向应力、轴向变形、体积变形和孔隙水压力。根据试验结果，整理出轴向应力差与轴向应变、 体积应变与轴向应变关系或孔隙水压力比与轴向应变曲线。根据试验曲线，确定试样破坏时的应力莫尔圆，进而确定抗剪强度指标［10］。

试验依照美国ASTM有关试验规程进行，其中静力固结排水三轴试验 （CD） 根据ASTM D7181 - 11 Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils进行；静力固结不排水三轴试验（CU）根据ASTM D4767 -11 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils进行。

4 地基土的强度指标

4.1 固结排水三轴试验（CD）

饱和固结排水剪试验测得的强度包线如图2～图3，强度指标参数如表3。 由试验结果可看出，其有效内摩擦角Φd在26.2°～37.5°之间， 黏聚力Cd在17.2～75.4kPa之间。

图2 饱和细砂C1固结排水三轴试验成果

图3 饱和粉土C2固结排水三轴试验成果

表3 固结排水剪试验结果

4.2 固结不排水三轴试验（CU）

为了解土料在库水位骤降期和地震期的抗剪强度变化范围进行饱和固结不排水剪（CU）试验。 测得的强度包线如图4～图5，强度指标如表4。 其有效强度指标的内摩擦角Φ′为23.8°～33.3°， 黏聚力C′为24.0～83.4kPa， 总强度指标的内摩擦角Φcu为19.3°～32.4°，黏聚力Ccu为34.0～94.9kPa。

图4 饱和细砂C1固结不排水三轴试验成果

图5 饱和粉土C2固结不排水三轴试验成果

表4 饱和固结不排水剪试验结果

5 结语

（1）2种地基土土样的比重均为2.74，本批土样的比重值范围变动较小； 颗粒分析表明C1代表性土样属细粒土质砂，C2代表性土样属细粒土；采用漏斗法和敲击法进行相对密度试验， 得到C1最小干密度1.23g/cm3， 最 大 干 密 度1.72g/cm3；C2 最 小 干 密 度1.05g/cm3，最大干密度1.61g/cm3。

（2）2种地基土土料进行饱和固结排水剪（CD）试验， 测得的有效强度指标的内摩擦角Φd在26.2°～37.5°之间，黏聚力Cd在17.2～75.4kPa之间。

（3）2 种地基土土料进行饱和固结不排水剪（CU） 试验， 测得的有效强度指标的内摩擦角Φ′为23.8°～33.3°，黏聚力C′为24.0～83.4kPa，总强度指标的内 摩擦角Φcu为19.3°～32.4°， 黏 聚 力Ccu为34.0～94.9kPa。