前坪水库人工扰动砂砾石料特性研究

宁保辉 董振锋 韦哲

摘 要：受料场人工采砂影响，前坪水库人工扰动料储量占砂砾料料场总储量的80%，这种筑坝材料的力学特性成为影响大坝填筑质量的关键因素。通过开展人工扰动砂砾石料室内三轴剪切试验、流变试验、尺寸效应分析、数值模拟等，对其物理力学性质等进行了深入分析。结果表明，细粒含量低于最佳含量的砂砾石料压实后能满足设计要求，该种坝料是一种合格的筑坝材料。大坝填筑完成后，经过一个汛期蓄水运行，大坝沉降、水平位移、坝基坝体渗水量均较小，大坝结构安全。

关键词：砂砾石料;细颗粒缺失;人工扰动;土石坝;前坪水库

Abstract：In general， the optimal compaction can be achieved when the particle content of gravel （less than 5mm）is about 30%. Due to the influence of artificial sand mining， the particle content （more than 5 mm） of gravel in Qianping Reservoir is 74%-98%， and the content of fine particles is relatively small. The reserves of artificial disturbance materials account for 80% of the total reserves of the gravel quarry. The mechanical properties of artificial disturbance gravel become the key factors affecting the dam filling. Through triaxial shear test， rheological test， size effect analysis， numerical simulation and so on，its physical and mechanical properties were analyzed in depth. It is proved that the sand gravel with fine particle content lower than the optimum content can still meet the design requirements after compaction， This kind of dam material is a qualified dam building material. After the completion of the dam filling， the dam settlement， horizontal displacement and seepage of the dam foundation are small and stable， and the dam structure is safe.

Key words： sand gravel; loss of fine particles; artificial disturbance; earth rock dam; Qianping Reservoir

土石壩坝壳是维持坝体稳定的主体，是采用材料类型最多的分区。河南省前坪水库大坝黏土、反滤料和坝壳料总填筑量为1 275万m3，其中上、下游坝壳采用砂砾石料及开挖利用料填筑，砂砾石料总填筑量为885万m3。一般用于筑坝的砂砾石料小于5 mm的颗粒含量约为30%时，可以实现最优压实[1]。前坪水库坝壳料设计为天然级配砂（卵）砾石料，但由于前期设计及施工阶段一直存在河道人工采砂现象，因此砂砾石料场上层细颗粒缺失，小于5 mm的细颗粒含量变化范围为2%～26%，与天然级配砂砾石料相比在级配曲线、物理力学性质等方面发生了不同程度的变化，其人工扰动料占料场总储量的80%，这种筑坝材料的力学特性、压实特性、施工工艺及控制标准成为影响大坝填筑的关键因素，如按照传统观念，需更换砂砾石料料场或对扰动料采取工程措施进行处理。由于坝壳砂砾石料使用量大，不管采用何种方法都将造成工程投资大量增加，且会改变施工工艺及进度，影响整个工程的进展，因此针对该种坝料进行了三轴剪切试验、流变试验、尺寸效应分析、数值模拟等，分析低细颗粒含量砂砾石料筑坝的可行性。

1 人工扰动砂砾石料试验研究

1.1 三轴剪切试验

为了研究人工扰动砂砾石料力学性质，对其进行三轴剪切试验[2]，试验方法为饱和固结排水剪（CD），围压σ3分别为400、800、1 000、1 200 kPa。前坪水库坝壳料（人工扰动料）饱和CD试验曲线见图1（其中σ为应力、τ为剪应力），强度指标见表1，邓肯模型参数见表2。

从表1、表2可以看出，天然级配砂砾石料与人工扰动砂砾石料线性与非线性强度值基本一致，邓肯模型参数略有差别。

1.2 缩尺效应研究

粗粒料的缩尺效应是客观存在的，受多种因素的影响，经过缩尺后的替代级配粗粒料在颗粒的大小、形状、组成和颗粒强度方面都和原型级配粗粒料有很大差别，这就导致了缩尺后堆石材料和现场筑坝材料的力学性质之间存在一定的差异[3]。

通过物理试验、数值模拟以及反演分析研究可以发现：缩尺前后试样粒径尺度差别越大，粗粒料实际与室内试验测得的物理力学性质差别越大;对于堆石材料或可破碎的材料，试样的弹性模量随着试样最大粒径的增大而减小;对于砂砾石料或不可破碎的材料，试样的弹性模量随着试样最大粒径的增大而增大;试样的摩擦角有相似的变化趋势[4]。

从工程应用角度看，高堆石坝中的原型粗粒料与实验室内测试粗粒料最显著的差异在于颗粒尺度差异，因此变形特性尺寸效应研究最主要的目标集中于提出变形参数与代表性粒径（如最大粒径）的相关关系，并建立合理的从实验室测定变形参数推求现场变形参数的方法。在相同试验条件下，不同级配试样的弹性模量之间随着粒径的变化并不是单纯的线性关系，而是近似呈指数形式的变化趋势。综合既有成果，堆石料现场模量多低于实验室模量，而砂砾石现场模量则多高于实验室模量。提出统一考虑堆石料、砂砾石等粗粒料的变形特性尺寸效应，利用实验室变形模量推求现场变形参数的经验关系，即

目前，对于堆石材料特性的计算研究常用的本构模型为邓肯E-B模型，通过计算研究发现，该模型中的参数K、Kb、Kur、m和n值对计算结果影响较大。从堆石材料的缩尺效应研究得出，颗粒的尺度效应对K、Kb、Kur值影响较大，而对m、n值影响较小。参数K值与切线模量Et的关系式为

由式（3）可知，在相同的围压条件下，切线模量和参数K值表现出相同的变化趋势。因此，在已有算式的基础上，将颗粒尺度效应对堆石材料变形特性的影响推广到Duncan模型。模型计算参数与颗粒尺度变化的关系为

式中：下标in-situ表示原型级配的计算参数;下标LAB表示室内试验得出的计算参数;c1为参数，根据不少于3个不同粒径的试验资料整理获得，对砂砾石取负值，对堆石取正值。

前坪水库上坝砂砾石料的最大粒径约为300 mm，室内试验试样砂砾石料的最大粒径约为60 mm，根据不同缩尺比压缩试验结果推算，c1≈-0.1，计算得到现场砂砾石料的压缩模量约为室内试验材料的1.1倍。因此，为反映尺寸效应的影响，将坝壳砂砾石料的邓肯E-B模型参数K、Kb、Kur分别提高10%进行大坝三维应力变形计算。

1.3 侧限压缩流变试验

为测定前坪水库砂砾石材料在侧限条件下的流变特性，开展侧限压缩流变试验。试验轴向荷载采用应力控制方式施加，堆石料的试验压力等级为100、200、400、800、1 600、3 200 kPa。由于流变变形稳定尚无统一标准，因此参照经验，本次流变变形稳定标准确定为每级压力下稳定时间不小于7 d，或24 h轴向变形小于0.01 mm。应变起始点以荷载分别达到各级荷载的时刻为流变应变计算的时间起始点，把此刻的试样高度作为流变应变计算的试样高度（需进行试样高度修正），以此刻的压缩变形量作为流变应变计算的压缩变形起始点。以此计算试样在不同压力等级下流变时程变化情况，绘制的流变应变变化曲线见图2，对不同竖向荷载等级条件下的流变应变值进行了整理分析，见表3。

由表3可以看出，随着竖向压力的增大，试验材料的流变应变明显增大，低应力条件下流变应变较小，高应力条件下流变应变较大。各级荷载条件下流变变形的发展规律基本相同。

目前，对于流变试验中流变的起点认识不一。本次试验以加载的各级竖向荷载为引起流变变形的力学起点，绘制变形与时间的关系，综合本次试验中不同最大控制粒径条件下的试验结果，认为宜采用如下公式计算最终流变量：

对砂砾石料各级竖向压力等级条件下的侧限压缩流变时程曲线以横轴为常坐标和对数坐标分别进行拟合。为更好地观察试验初期及远期预测的拟合效果，横轴为常坐标拟合时，选取最长时间为700 h（约29 d）的数据，拟合情况见图3（a）;横轴为对数坐标拟合时，选取最长时间80 000 h（约9 a）的数据，拟合情况见图3（b）。

2 大坝数值模拟与安全监测资料分析

2.1 三维应力变形分析

根据实际设计方案和坝址区地形地质条件建立了三维有限元模型，在应力变形的计算过程中，筑坝材料及坝基砂砾石层均采用邓肯E-B模型[5-6]，考虑砂砾石料模型参数尺寸效应及流变因素[7]。分析整理的位移为自坝体相应位置填筑后开始计算至特定时刻的累计变形。典型横断面桩号0+550（最大坝高断面）竣工期和满蓄期位移计算结果见图4、图5。

根据大坝三维应力变形计算结果，大坝竣工期最大竖向位移为1.49 m，为最大坝高的1.65%，上游坝壳的位移最大值为0.32 m，下游坝壳的位移最大值为0.25 m;大坝的大、小主应力最大值均出现在坝壳底部靠近心墙的位置，大主应力最大值约为2.4 MPa，小主应力的最大值约为0.6 MPa。竣工期大坝的应力水平最大值约为0.6，出现在心墙内。大坝满蓄期最大沉降量仍然出现在心墙中部，最大值为1.43 m，较竣工期有所减小;受水库蓄水影响，大坝的顺河向位移变化较大，向下游位移最大值位于坝体顶部，为0.41 m，向上游位移值有所减小，最大值位于上游坝壳底部靠近坝踵部位，为0.2 m;坝体的大、小主应力最大值均出现在下游坝壳底部靠近心墙的位置，大主应力最大值约为2.4 MPa，小主应力的最大值约为0.5 MPa，与竣工期计算结果基本相当，分布趋势有所变化，上游坝壳的主应力值明显减小，受库水推力的影响，上游坝壳的应力水平整体较大，但均不超过1.0。

2.2 安全监测资料分析

前坪水库2020年3月20日下闸蓄水，截至2020年10月19日，水库蓄水至384.97 m，下闸蓄水以后库区水位上升40.57 m，距离正常蓄水位403.00 m还剩18.03 m。大坝填筑完成经过一个汛期，水库蓄水至较高水位，通过安全监测资料分析，对人工扰动砂砾石料筑坝安全性、可靠性进行验证。

（1）沉降观测。根据大坝沉降观测资料，2020年3月20日至2020年9月30日黏土心墙各测点最大沉降量为3～6 cm，下游坝壳砂砾石料各测点最大沉降量为4～5 cm。坝顶累计沉降量为5.37～7.12 cm，远小于大坝预留沉降超高（50 cm）。

根据大坝水管式沉降仪埋设断面观测数据，2020年3月20日至2020年9月30日各高程测点累计沉降量如下：①坝体364 m高程测点最大沉降量为3.6～4.5 cm;②坝体384 m高程测点最大沉降量为4.6～6.4 cm;③坝体404 m高程测点最大沉降量为5.6～6.5 cm。

（2）水平位移。大坝0+410、0+545、0+640断面布设测斜管观测位移。土体内部测点处累计位移观测值稳定，最大位移1.65 mm，坝体基本稳定。

大坝填筑完成后，经过一个汛期蓄水运行，大坝沉降、水平位移、坝基坝体渗水量均较小、稳定，大坝结构安全。通过安全监测资料分析，人工扰动砂砾石料是一种合格的筑坝材料。

3 结 语

砂砾石料作为土石坝广泛采用的一种材料，填筑量较大，其物理力学性质、压实性能、效率对工程造价影响明显。前坪水库砂砾石料场细颗粒含量低于最优压实范围要求，为了研究该种坝料是否满足筑坝要求，开展人工扰动砂砾石料室内三轴剪切试验、流变试验、尺寸效应分析、数值模拟等，对其物理力学性质等特性进行了深入分析，论证了细粒含量低于最佳含量的砂砾石料压实后依然能满足设计要求。大坝填筑完成后经过一个汛期蓄水运行，大坝变形较小、稳定，说明该种坝料可以作为一种合格的筑坝材料，在设计安全方面能满足要求。

参考文献：

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[3] 翁厚洋，朱俊高，余挺，等.粗粒料縮尺效应研究现状与趋势[J].河海大学学报（自然科学版），2009，37（4）：2187-2197.

[4] 武利强，朱晟，章晓桦，等.粗粒料试验缩尺效应的分析研究[J].岩土力学，2016，37（8）：425-429.

[5] 李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004：54-56.

[6] 徐泽平.当代高堆石坝建设的关键技术及岩土工程问题[J].岩土工程学报，2011，33（1）：27-33.

[7] 历从实，武颖利，皇甫泽华，等.前坪水库砂砾石黏土心墙坝三维流固耦合分析[J].人民黄河，2019，41（9）：118-122.

【责任编辑 张华岩】