基于模型试验的河床砂砾石层基本特性

基于模型试验的河床砂砾石层基本特性研究摘要：对大渡河双江口水电站坝基河床砂砾石进行了非常规的大尺寸模型试验，研究河床砂砾石层的旁压模量和动探击数随密度、级配以及上覆压力的变化规律。根据室内模型试验结果，结合现场旁压试验及钻孔试验成果，推断了坝址区河床砂砾石相关层位的密度，并依此进行砂砾石室内力学试验，获得了设计所需参数。此方法可为类似工程中深厚覆盖层参数试验和研究提供参考。关键词：旁压模量旁压试验砂砾石模型试验中图分类号：TU443文献标识码：A1前言近来，我国在金沙江、雅砻江、雅鲁藏布江、大渡河、乌江等河流上修建水电工程，经常遇到深厚覆盖层问题，层厚多达几十米到几百米。冶勒、小浪底、瀑布沟等水电站均已建成在深厚覆盖层上，我国在深厚覆盖层上建坝技术已进入国际先进行列，但如何经济可靠地确定深厚覆盖层的基本特性参数仍需进行研究。河滩浅层砂砾石可采用挖坑确定级配和密度，进而可采用一般方法确定砂砾石力学和渗透特性。但水下深层砂砾石颗粒粗大，且取样困难，目前只能采用钻孔取样方法粗略确定级配，难以确定密度，所以其力学和渗透特性目前仍没有可行的确定方法。旁压和动探等原位测试技术是在深厚覆盖层中应用较多的勘探手段，但这两种原位测试手段均无法直接测试砂砾石层的级配和密度参数，间接推断又缺乏系统的研究和可靠的经验，因此河床深厚覆盖层的密度和级配尚没有一套合理的确定方法。如何合理确定深厚覆盖层的力学及渗透特性仍是深厚覆盖层上修建高土石坝及围堰工程的关键技术问题之一。本文以双江口水电站坝基覆盖层为例，在室内用大尺寸模型模拟深厚覆盖层砂砾石的级配、密度以及应力状态，利用旁压和动探原位测试技术，得到各覆盖层砂砾石料的级配、上覆压力、密度与旁压模量和动探击数之间的相关关系。结合现场旁压、动探试验及钻孔级配试验成果，推断相应坝址区河床砂砾石层的密度，以此为依据进行室内大型三轴试验和渗透试验，得出相应层位砂砾石料的基本力学和渗透特性参数。试验研究成果为类似工程河床覆盖层的参数试验和研究提供了参考。2确定砂砾石层现场密度试验方法2.1模型试验系统模型试验系统由模型箱、加压系统、位移测试系统以及原位测试仪组成。模型箱材料采用60mm厚钢板，加工成内尺寸为0.84m×0.86m×1.20m（长×宽×高）的方形无盖桶。模型加压系统采用4个75t千斤顶的自反力系统，反力架在加压盖上对称布置，加压盖对角设置位移测量系统，在加压盖的几何中心预留试验孔，如图1所示。根据黄熙龄试验研究结果[1]，由于试验中体积压缩率小于0.15％，因此可认为模型侧璧对旁压模型试验没有影响，满足模型试验要求。图1模型箱剖面图Fig.1ModelBoxprofile2.2模型制作及试验根据现场钻孔取得的级配包络线及密度估算值，选取不同的密度配制成一组模型试样，其密度范围涵盖现场砂砾石层的估算密度分布。将模型总的砂砾石量分成6～8层（视装样密度而定），每层按照选取级配和控制密度进行配制和装样，逐层夯实。然后加水排气饱和，并盖上加压盖，进行分级加压，加压至模拟砂砾石层的埋藏深度所受的应力，并等待变形稳定。2.3模型原位测试模型分级加压过程中，记录压力和沉降位移值，计算砂砾石的压缩模量、压实后的密度和相对密度。然后进行旁压试验[3]，得到旁压试验曲线，计算旁压模量。进行一系列旁压模型试验，可得到在同一级配砂砾石材料，不同密度下的旁压模量，建立旁压模量（MPa）～密度（g/cm3）关系曲线；改变级配条件和上覆应力条件，可得到不同土层的旁压模量（MPa）～密度（g/cm3）关系曲线。同样可进行一系列动探模型试验[3]，可得到同一级配砂砾石材料，不同密度的动探击数，建立动探击数（击）～密度（g/cm3）关系曲线。改变级配条件和上覆应力条件，可得到不同土层的动探击数（击）～密度（g/cm3）关系曲线。2.4密度推算覆盖层砂砾石料的密度是取得其三轴试验及渗透试验可靠成果的关键参数，试验中应根据现场密度来配制试样。但是覆盖层通过现场钻孔无法取取得砂砾石层的原状样，无法准确地确定砂砾石层密度参数。基于室内模型中的旁压及动探试验与现场旁压及动探试验的测试条件相同，可以根据室内模型试验所得旁压模量或动探击数与密度的关系成果，推测覆盖层砂砾石的密度参数。3工程应用3.1地质条件本文试验模拟的地质条件为双江口水电站覆盖层砂砾石，其覆盖层为第四系松散堆积物，主要分布于现代河床及谷坡中下部坡脚地带，成因类型有冲洪积堆积和崩坡积堆积。钻孔揭示[2]，河床冲积层最大厚度67.8m，根据其物质组成、从下至上，由老至新，总体结构可分为3层：第①层为漂卵砾石，第②层为（砂）卵砾石层，第③层为漂卵砾石层，其钻孔试验得到的基本力学指标见表1。表1双江口坝区覆盖层钻孔所得物理力学指标值Table1Damcovervaluesofphysicalandmechanicalproperties层位名称天然密度干密度允许承载力变形模量抗剪强度指标ρρd［R］E0φcg/cm3g/cm3MPaMPa°MPa①漂卵砾石2.18~2.292.14~2.220.5~0.650~6030~320②砂卵砾石2.1~2.22.0~2.110.4~0.4530~3526~280③中细砂层透镜体体1.7~1.991.6~1.880.2~0.2520~2521~2303.2砂砾石级配根据地质勘探资料，第②、③层砂砾石料的级配线如图2所示，本文重点研究第②、③层级配的平均线。模型砂砾石料的密度选取是基于对双江口河床覆盖层天然密度的估计，根据现场密度可能涵盖的范围，第②层平均线砂砾石料选取1.950g/cm3、2.000g/cm3、2.060g/cm3、2.150g/cm3四种密度，第③层平均线砂砾石料选取1.972g/cm3,2.012g/cm3、2.073g/cm3、2.163g/cm3四种密度。图2双江口水电站坝址区覆盖层砂砾石级配曲线Fig.2ShuangjiangkouHydropowerStationDamAreaoverlaysandandgravelgradingcurve3.3上覆压力模型试验的上覆压力基本等于现场原位测试点的砂砾石层所处的深度所受的应力，其数值为模拟深度乘以浮容重，第②层砂砾石料模型试验模拟深度为25.3m和50.0m，上覆压力取300kPa和600kPa；第③层砂砾石料模型试验模拟深度为8.8m和18.3m，上覆压力取110kPa和220kPa。3.4模型试验成果改变上覆压力，第②、③层砂砾石料模型试验成果详见表2和表3。表2第②层平均线模型试验成果表Table2First②layeraveragemodeltestresultstable压力及密度级配曲线上覆压力1.950gg/cm332.000gg/cm332.060gg/cm332.150gg/cm33旁压模量(MPPa)300kPa7.09.817.229.4600kPa11.216.226.046.7动探击数（击）300kPa6.99.417.332.5600kPa－－28.355.7表3第③层平均线模型试验成果表Table3First③layeraveragemodeltestresultstable压力及密度级配曲线上覆压力1.972gg/cm332.012gg/cm332.073gg/cm332.163gg/cm33旁压模量(MPPa)110kPa6.08.512.020.1动探击数（击）110kPa7.310.014.921.6砂砾石料的密度越大，旁压模量和动探击数越大。上覆压力越大，旁压模量和动探击数越大。改变试样级配，即P5含量发生变化，在上覆压力和密度不变情况下，旁压模量和P5含量的关系详见图3。级配粗颗粒含量越大，旁压模量值越大。图3不同级配材料的P5含量与旁压模量关系曲线Fig.3Amulti-leveldistributionofmaterialsnexttodiecontentandtheamountofP5curve3.4现场试验成果对大渡河双江口水电站坝址区内河床覆盖层共进行了现场旁压试验[4]，选取与模型试验模拟深度相当的测点，其旁压试验成果列于表4。表4双江口河床砂砾石料现场旁压试验成果统计表Table4shuangjiangkouriverbedgravelstonefieldnexttothepressuretestresultsofTables分层序号试验深度范围试验统计点数旁压模量（MPPa）最小值最大值平均值③5.6～13..4m1110.020.315.0②24.0～288.9m1410.221.114.2在双江口现场进行的是超重型动力触探试验，但是模型试验采用的是重型动力触探，根据铁道部《动力触探技术规定》（TBJ18－87）将现场测试成果进行换算[5]，公式为：N63.5＝3N120－0.5。选取与模型试验模拟深度相当的测点，其测试深度范围的换算重型动力触探击数详见表5。表5双江口河床砂砾石料现场动探试验成果统计表Table5shuangjiangkouriverbedgravelstonefieldnexttotheHeavydynamicpenetrationresultsofTables分层序号试验深度范围试验统计点数动探击数N633.5（击）最小值最大值平均值③9.7～14..5m49.818.914.2②21.0～288.5m810.221.114.23.5推测密度参数由于现场砂砾石的级配范围比较宽，因此可采用平均级配线来体现第②、③层砂砾石的级配，根据第②、③层砂砾石层旁压模量范围值，利用室内旁压试验密度与旁压模量关系曲线来推求现场旁压模量范围值对应的砂砾石平均密度的范围值。如图3所示，可以推测第②层砂砾石密度的范围为(2.00～2.09)g/cm3；第③层砂砾石密度的范围为(2.04～2.16)g/cm3。图3利用室内旁压试验成果推求现场砂砾石密度参数示意图Figure3adjacenttopressuretestresultsofindoorEstimatingthedensityparameterdiagramofsandandgravelsite根据第②、③层砂砾石层重型动探击数范围值，利用室内动探试验密度与动探击数关系曲线来推求现场动探击数范围值对应的砂砾石平均密度的范围值。如图4所示，可以推测第②层砂砾石密度的范围为(2.01～2.14)g/cm3；第③层砂砾石密度的范围为(2.07～2.15)g/cm3。图4利用室内动探试验成果推求现场砂砾石密度参数示意图Figure4IndoordynamicpenetrationtestresultsusinglivesandandgravelEstimatingthedensityparameterdiagram3.6覆盖层砂砾石料力学性试验根据室内与现场试验成果比较分析,确定河床覆盖层的第②层和第③层进行压缩、渗透和三轴试验的干密度分别为2.05g/cm3；2.14g/cm3。试验成果为，第②层平均级配料的渗透系数K20为i×10-3cm/s,第③层平均级配料的渗透系数K20在i×10-2cm/s～i×10-3cm/s之间。覆盖层第②层砂砾石料平均级配，密度2.05g/cm3的抗剪强度指标C值为148kPa，j值为40.3°。覆盖层第③层砂砾石料平均级配，密度2.14g/cm3的抗剪强度指标C值为194kPa，j值为39.9°。4小结本文依托双江口水电站覆盖层，对河床覆盖层基本力学与渗透特性参数新的测试方法进行了系统研究，得出如下结论：（1）提出了推求河床深厚覆盖层砂砾石料现场密度的试验方法。即先在覆盖层现场进行原位测试获取不同层位的旁压模量或者动探击数，再取样配制不同层位级配的砂砾石料，依据现场应力条件制作砂砾石层模型，进行室内旁压、动探模型试验，获得砂砾石料的密度、级配、上覆压力和旁压模量、动探击数之间的关系，利用室内模型试验成果与现场原位测试成果对应关系，推求现场砂砾石料的密度。（2）研发了室内旁压和动探测试的模型试验系统，由模型箱、加压系统、位移测试系统以及原位测试仪等组成，能够模拟河床覆盖层不同上覆压力（最大压力4.2MPa），砂砾石料最大粒径为150mm。（3）模型试验成果表明：覆盖层砂砾石的密度、级配、上覆压力和旁压模量、动探击数之间具有很好的相关性。密度越大，旁压模量与动探击数越大；砂砾石料颗粒越粗，即粗颗粒所占比例越大，旁压模量与动探击数越大；砂砾石层上覆压力越大，旁压模量与动探击数越大。（4）根据本文的研究思路，确定了双江口水电站覆盖层的密度，为室内力学特性试验提供了依据，得到了相应层位的力学参数。参考文献[1]黄熙龄.旁压试验及粘性土形变模量的测定.第一届土力学及基础工程学术会议论文选集，1964：4～6.[2]中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，双江口300m心墙堆石坝地质勘察报告[R]，2005年8月.[3]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第四版）.中国建筑工业出版社，2007年2月.[4]胡胜刚，邵青等.大渡河双江口电站大坝基础砂卵石旁压试验成果报告[R]，长江水利委员会长江科学院，207年6月.[5]铁道部第二勘察设计院.动力触探技术规定（TBJ18－87），中国铁道出版社，1988年1月.Model-basedtestbedBasicpropertiesofsandandgravellayersAbstract:HydroelectricdamontheDaduRiverShuangjiangkouabedof