沟后水库面板砂砾石坝干密度的试验研究

沟后水库面板砂砾石坝干密度的试验研究

沟后水库钢筋混凝土板陆砾石坝建在原河床的13m深砾石覆盖层中。水库中的砾石填充主要来自河床砂层和下游3km处的供应场。水库的原始设计分为四个区域。为了对水库破坏的原因和破坏机制进行更全面的探讨和分析，我们提出了控制最大粒度法来控制水库破坏的方法。为了对水库破坏的原因和破坏机制进行更全面的基础，对沟后水库的工程特征进行了现场检查、试验和内部试验。1水库中砂材料的物理特性1.1坝体密度、含水量分布沟后坝用控制干密度的办法来控制填筑质量.对于不同区域,其设计干密度为2.21～2.25g/cm3.本次在坝体不同部位共取样63个,以测定坝体干密度.总体填筑干密度的概率分布为正态分布,均值为2.06g/cm3,样本均方差为0.15g/cm3,变异系数为0.074.从总体上看,该坝的平均压实密度仅为设计要求的91%～92%,填筑质量差.上部坝体粗细料分离严重,粗层的细粒含量少,填不满粗粒间的孔隙,干密度大大降低.坝体上部高程∇3271～∇3277m之间的27个试样,干密度变化范围为1.65～2.16g/cm3,平均干密度为1.97g/cm3,样本均方差为0.13g/cm3,填筑质量更差.同时,还测定了73个试样的含水量,包括小于5mm粒径的含水量和总体含水量.小于5mm粒径的平均含水量为5.55%,样本均方差为1.48%,总体平均含水量为3.81%,均方差为1.15%.坝体含水量沿高程的分布见图1.由该图可见,高程∇3260m以上及∇3240m以下部分的含水量总体上较中部高程∇3240～∇3260m的含水量大.尽管现场试验距溃坝时已有一年之久,而且该坝地处干旱区,所测定的含水量已不能反映溃坝时的含水量分布,但从这一现象可以推测,溃坝时坝体中部可能尚未完全饱和,存在一个非饱和区.1.2砂料的级配特性沿坝体不同高程、不同部位做了69组砂砾料试样的现场颗分试验,并整理了颗分试验的特征参数.所有试样的土粒不均匀系数Cu>5,为级配不均匀土.其中5<Cu<99的18个;100<Cu<199的33个;200<Cu<299的7个;Cu>300的11个.Cu大,则表示级配范围宽.但若Cu过大,则说明占颗粒总含量10%的有效粒径d10过小,细粒占的比例大.对于砂砾料来说,将使其渗透性减小.此外,曲率系数Cc<1的6个;1<Cc<3的42个;Cc>3的21个.Cc<1,表明级配不够均匀,细料含量偏大,往往超过30%;Cc>3,表明细料含量偏少(小于30%).对于级配优良的土料,要求同时满足:Cu>5且1<Cc<3.由此可见,所取的该坝砂砾料试样绝大多数级配优良.颗分试验还表明,上部坝体中颗粒分离明显,每一填筑层中的上、下部所取的试样颗粒组成差别极大,上部较细,下部较粗.以GZ-2和GY-2探坑为例,上部细颗粒层和下部粗颗粒集中层的平均特征粒径参数见表1.由表1可见,填筑层的上、下部的粒径分离现象十分严重,细粒层不但粒径范围宽(Cu=150),而且细料含量较适中(Cc=1.2),级配优良.但下部粗粒层的粒径范围较窄,且缺少充填孔隙的细料,表现在曲率系数Cc较大.将(GZ-2)、(GY-2)探坑中的试样分别加以统计发现,同一层面上右边坝体的填料更粗一些,细粒充填料更少一些.试样中小于0.1mm粒径的含泥量:垫层顶部4%～17%,平均7.6%;坝体上部靠近坝坡5%～21%,平均9.6%;坝体中部靠近下游处6%～19%,平均9.4%;总体平均为8.8%.可见,坝体试样的含泥量变化范围大,平均含泥量大大超过了规定的5%.2水库中砂材料的渗透特性2.1渗透系数计算和分析17个试样的现场渗透试验结果表明,坝体存在较为严重的颗粒分离现象,坝体的填筑状态大致可分成三种类型:(1)填筑均匀的密实区及每一填筑层的上部细料集中区,渗透系数为10-2～10-3cm/s量级;(2)填筑层下部粗料集中区,渗透系数为101～100cm/s量级;(3)两者之间的过渡区,渗透系数为10-1cm/s量级.因此,第(1)、(2)类之间的渗透系数相差100～1000倍,填筑层的上部细料区实际上成为上一填筑层下部粗料集中区的相对不透水层.尽管粗料层并不完全连续,但由于上部坝体窄,容易连通,形成水平通道是有可能的.利用无粘性土在10℃时的渗透系数计算式k10=234n3d220(1)k10=234n3d202(1)式中:n为孔隙率,计算了上述17个试样的渗透系数.和实测值比较后可以发现,其中有14个试样渗透系数的计算值和实测值相当接近,两者之比为0.18～4.2,这说明式(1)应用效果很好,与该坝的实际情况基本相吻合.因此,用式(1)计算了每一填筑层的上部细料层和下部粗料层的渗透系数.计算结果表明,上部细颗粒集中层渗透系数平均为3.09×10-2cm/s,下部粗颗粒集中层为2.76×101cm/s,两者相差近900倍.这说明在坝体上部高程∇3271m～∇3277m之间存在4～5层水平的强透水层.11个室内渗透试验试样的级配见图2.渗透系数见表2.在这11个试样中,1号试样为施工质检部门提供的55个颗分曲线的上包线,3号为其下包线,2号为平均颗分曲线.其中,2-1～2-4号试样分别为不同的控制干密度试样(见表2);实体样为根据所取样的实际级配配制;左平Ⅰ-1,Ⅰ-2和右平Ⅱ-1,Ⅱ-2也均按实际级配配制.试验结果表明,1号试样上包线渗透系数为10-4cm/s量级,3号试样下包线为10-1cm/s量级,其余9个试样级配组成较为相似,渗透系数变化范围为10-2～10-3cm/s量级.室内试验结果和本次现场试验结果的细层料的渗透系数基本一致.2.2土体渗透试验从现场试验的69条颗分曲线看,所有的Cu都大于5,属不均匀土.总体上看,除极个别试样外,均未有中间粒径缺失,属级配连续性土,故可采用几何平均粒径来确定细粒含量.细粒含量小于25%的试样有16个,属管涌破坏型.细粒含量在25%～35%之间的有48个,属过渡型,可能发生管涌破坏,也可能发生流土破坏.细粒含量大于35%的有5个,属流土型破坏.因此,沟后坝砂砾料93%的试样为管涌型和过渡型破坏.级配连续管涌型土的抗渗比降Jcn可按下式计算:Jcn=2.2(1−n)2(Gs−1)d5d20(2)Jcn=2.2(1-n)2(Gs-1)d5d20(2)式中:Gs=rs/r(rs为土的重度,r为水的重度);d5为细粒含量为5%的最大粒径.从安全出发,式(2)也可用于计算过渡型土的抗渗比降.流土型土的抗渗比降Jn可用扎马林公式计算:Jn=(Gs−1)(1−n)+0.5n(3)Jn=(Gs-1)(1-n)+0.5n(3)使用(2)、(3)两式计算的试样抗渗比降结果表明,细粒含量小于25%的12个管涌破坏型试样中,抗渗比降为0.032～0.095,平均为0.059;42个过渡型试样中,抗渗比降平均为0.161;流土型的5个试样中,抗渗比降为1.393～1.517,平均为1.448.7组室内渗透破坏试验及有关特征粒径参数见表3.判别试样的破坏型式有两种方法:(1)用试样中Ps的多少来判别,但这种方法没有考虑试样孔隙率n对破坏型式的影响;(2)如果土样中有超过5%以上的粒径能通过D0,则为管涌型破坏,若d3～d5的粒径可通过D0,则为过渡型破坏,若只有小于d3的粒径可通过D0,则为流土型破坏土.从试验结果(表3)来看,1和2-1号两个流土型试样的试验抗渗比降(破坏)为1.12～1.60,和式(3)的计算结果很接近;2-2,2-3,2-4和实体这4个过渡型试样的试验抗渗比降(破坏)为0.34～1.05,符合一般规律.而计算值明显小于试验值是因为用式(2)计算过渡型土的抗渗比降(破坏)偏于安全.3号试样为典型的管涌型,抗渗比降(破坏)为0.19,达管涌破坏的上限.由此可见,沟后坝砂砾料渗透破坏试验结果符合一般规律,其中有相当一部分为过渡型土,试验室抗渗比降(破坏)较高.但由于坝体颗粒分离较为严重,高程∇3271m～∇3277m至少有4～5层粗颗粒集中层.GY-2探坑粗层比表3中的每填筑层下部粗层的平均特征粒径相对更粗.这些水平粗层,实际上控制着上部坝体的渗透破坏,其抗渗比降(破坏)必然明显小于3号试样的0.19.3试样饱和过程中c、n的影响为了进一步了解沟后坝砂砾料的应力应变特性、强度参数和邓肯模型参数,做了3组坝体混合料的大型三轴剪切试验,其颗分曲线见图3.试验结果见表4.从表4可见,含水量对咬合力c的影响十分显著,随着含水量增加,c下降得很快,试样饱和时仅为13kPa.但摩擦角减少得并不明显.饱和时的K值降至527,说明试样饱和后的压缩模量Es大大降低,压缩性有较大的增加.至于砂砾石料的非线性强度和非线性摩擦角可分别按下式计算:τf=APa(σ/Pa)B(4)φ=φ0−Δφln(σ3/Pa)(5)τf=AΡa(σ/Ρa)B(4)φ=φ0-Δφln(σ3/Ρa)(5)式中:A,B,φ0,Δφ均为非线性强度参数(参见表4);σ为破坏应力;σ3为小主应力;Pa为大气压力.4荷载压缩性测试为了解垫层和坝体的压缩特性及上部坝体进水饱和后对坝体上部湿陷的影响程度,做了一个垫层料试样和两个坝体混合料试样的大型压缩试验,以及料场料的湿陷压缩试验(双线法).试样的直径为450mm,高300mm.三个试样的干密度为2.13g/cm3.三种土料的颗分曲线见图3.压缩试验表明,垫层料和坝体料的压缩性相差不大;小荷载下压缩模量迅速增加,试样很快被压密,压缩性减小.随着荷载P增大到0.4MPa左右,压缩模量Es增至150MPa左右;随着荷载继续增加,压缩模量下降很快,说明被压密后随着荷载连续增加,垫层料和混合料不断破碎,压缩性增大(见图4).压缩系数的变化范围为(2.70～0.48)×10-2/MPa,压缩性极小,表明了垫层料和坝体混合料是填筑坝体的理想材料.料场料试样的干密度为2.06g/cm3.其湿陷压缩试验表明,料场料的湿陷性非常突出;荷载在120kPa时,对料场料试样加水湿化,湿陷很快发生,各级荷载作用下湿陷量的时间过程线见图5.加水1min后开始出现明显湿陷,其后湿陷量迅速发展,16min后基本稳定,说明湿陷主要发生在浸水的初期.湿陷发生后,试样的压缩性发生了质的变化,从压缩性极小、级配良好变为具有高压缩性的砂砾料,压缩模量迅速减小(见图4).最大湿陷系数达4%.尽管这次湿陷试验只做了一组,且干密度偏小,代表性尚嫌不足,但巨大的湿陷量和压缩特性的改变应引起充分重视.5坝体砂料试样(1)沟后坝的填筑干密度平均为2.06g/cm3,离设计要求甚远,填筑质量差.上部坝体平均干密度为1.97g/cm3,质量更差;总体平均含水量为3.81%,小于5mm粒径的平均含水量为5.55%,含水量沿坝体高程分布呈现为坝体上部和下部较高、中部较低,说明坝体中部可能存在非饱和区.(2)沟后坝坝体及垫层的砂砾料属级配不均匀土,绝大多数级配良好.但坝体填筑层的颗粒分