高湿环境土石坝土料比选分析和物理性能研究

肖 拓,石继忠,林 平

(浙江华东工程咨询有限公司,浙江 杭州 310000)

1 概述

在分区土石坝工程施工中,往往需开采利用大量全风化土料,但土料开采过程中往往存在同一土料场分布着不同性状的土[1-2],由不同性状土料天然含水率、最优含水率、土料物理性质均不同,导致分区土石坝填筑施工过程中质量管控难度增大,本文基于某抽蓄工程土料场内不同物理性质的两种土料开展对比试验[3-4],该料场土料主要分为花岗岩风化土[5-6]及晶屑凝灰岩风化土[7],通过一系列的对比试验,验证不同土料物理性质[8-9]的优劣,为工程全风化土料填筑提供了充分的技术支持。

本电站位于东南沿海区域,属于一等大(1)型工程,总装机容量1 200 MW;上水库位于白云乡,主要挡水建筑物均为分区土石坝。全风化土填筑区上游坡度为1∶0.75,下游坡度为1∶2.2。全风化土填筑区与堆石区之间、排水陵体之间设反滤层和过渡层。上库主坝典型剖面图见图1。

2 试验方法

本次试验所需试样均在全风化土料场现场取样,试样具体取样位置及岩性见表1。

表1 试验取样位置及岩性

为检验晶屑凝灰岩风化土及花岗岩风化土全风化土料的物理性能,对花岗岩风化土全风化土料分别开展了颗粒分析试验、界限含水率试验、击实试验、静力三轴试验等一系列土工试验,通过试验结果来总结分析不同土料的物理特性。

3 静力特性试验过程与结果

3.1 击实试验结果对比

分别对晶屑凝灰岩风化土和花岗岩风化土开展了击实试验,击实试验结果见表2。

表2 晶屑凝灰岩风化土和花岗岩风化土击实试验结果

从试验数据来看两种风化土料密度基本一致,但在压实后晶屑凝灰岩风化土的最大干密度和最优含水率明显优于花岗岩风化土,更有利于碾压施工,同时根据TK2击实最大干密度发现该处土料不满足工程施工需求,晶屑凝灰岩风化土工程性质有明显的优势。

3.2 渗透试验结果对比

分别对晶屑凝灰岩全风化土和花岗岩全风化土开展了渗透试验,渗透系数试验结果见表3。

表3 晶屑凝灰岩风化土、花岗岩风化土渗透系数试验结果

从试验数据来看两种风全化土料在压实度均达到96%时,花岗岩风化土渗透系数更小,其防渗性能较晶屑凝灰岩要好,但两种风化土料的防渗性能均能达到规范要求,均可用于工程施工。

3.3 颗粒分析和界限含水率结果对比

分别对晶屑凝灰岩风化土和花岗岩风化土开展颗粒分析、界限含水率试验及渗透系数试验结果见表4。

表4 晶屑凝灰岩风化土、花岗岩风化土颗粒分析及界限含水率试验结果

从试验数据来看晶屑凝灰岩风化土其颗粒级配优于花岗岩风化土,并且在该工程上其液性指标和塑性指标均比较稳定,土料应用较为稳定,工程性质优于花岗岩风化土。

3.4 静力三轴试验结果对比

分别对比开展了TK1，TK3的静力三轴试验。试验根据干密度的要求、级配曲线计算并结合试样的尺寸设计试样,然后采用抽气法饱和。饱和后分别施加300 kPa，500 kPa，800 kPa和1 000 kPa围压的方式对试样进行固结,试样固结稳定后对于固结排水试验,始终保持排水条件,开展固结排水剪切试验;关闭排水阀进行固结不排水剪切试验。试样的剪切过程及时采集数据,并绘制相应图表,整个试验过程均按相关规范进行。

3.4.1 邓肯模型参数整理

1)土的抗剪强度指标c,φ值。

首先选取试样TK1和TK3进行试验,并根据试样TK1和TK3不同围压σ3条件下的表现绘制q-ε1图,根据该图得到峰值强度qfi(i=1，2，3，4)和(σ1fi，σ3fi)(i=1，2，3，4),而后分别计算得出c和tgφ。

2)土的初始切线模量Ei和破坏比Rf。

3)参数k，n。

4)参数F,D,G。

5)参数φ0，Δφ。

绘制φ-lgσ3关系曲线,计算不同围压时的φ。

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(1)

其中，φ0为当σ3/pa为1时的剪切角φ值，(°);Δφ为当σ3上升到10倍的剪切角的变量，(°)。

6)参数Kb，m。

试样TK1和TK3初始切线体积模量Bi按式(2)计算:

(2)

其中，εv为与应力水平对应的体积应变。在双对数坐标上绘制Bi/pa-σ3/pa,得到如下关系式:

lg(Bi/pa)=lgKb+m·lg(σ3/pa)

(3)

(4)

其中，Kb为当σ3/pa为1时纵坐标上的截距;m为lgBi/pa-lgσ3/pa关系曲线的斜率。

3.4.2 “南水”双屈服面模型参数

试样TK1和TK3模型包括k，n，Rf，φ0，Δφ，cd，nd，Rd共8个参数,前5个参数的整理方法同3.4.1小节。

1)参数cd，nd。

εvd和σ3的关系如下:

(5)

其中，pa为大气压,量纲与σ3相同;cd，nd分别为lgεvd与lg(σ3/pa)直线的截距和斜率。

2)参数Rd。

(6)

其中，(σ1-σ3)d为εvd对应的偏应力。

由固结不排水剪和固结排水剪三轴试验整理得到的强度指标见表5;由三轴固结排水剪试验结果,整理得到的邓肯E-μ和E-B模型参数见表6，表7,南水模型参数见表8。

表5 试样TK1和TK3三轴试验强度指标

表6 试样TK1和TK3三轴剪切试验邓肯模型(E-μ)参数表

表7 试样TK1和TK3三轴剪切试验邓肯模型参数表

表8 试样TK1和TK3三轴剪切试验“南水”模型参数表

0.96压实度条件下的饱和三轴试验结果显示:晶屑凝灰岩风化土的强度指标φ为29.3°,模型参数K为195.5;花岗岩风化土的强度指标φ为28.0°,模型参数K为139.1。试验结果宏观显示:晶屑凝灰岩风化土力学指标优于花岗岩全风化土。

4 结语

工程环境当地海拔低、湿度大在土料含水率高的情况下,中低土石坝工程中,填筑土料的选取不能单一的考虑坝体防渗性能,即透水率越低越好。应综合考虑土料各类性能指标,选取综合性能好的土料更有利于坝体填筑。

通过试样三轴固结排水不排水剪切试验,获得了邓肯-张本构模型及“南水”双屈服面本构模型参数,为开展土石坝力学分析数值计算的参数选取提供了依据。试验结果表明,晶屑凝灰岩风化土的工程性质和力学指标均优于花岗岩全风化土,晶屑凝灰岩风化土的渗透系数略逊于花岗岩全风化土,因此本工程分区土石坝全风化土料场地址选取时应优先考虑晶屑凝灰岩风化土。