红石岩堰塞坝新堆积体动三轴试验研究

贾宇峰 许米格 相彪

摘要：牛栏江上的红石岩堰塞坝新堆积体以石灰岩和白云岩为主，级配和密度离散性较大。同时，已有研究结果表明，红石岩新堆积体具有黏性粗粒土性质，静力参数具有明显的离散性，需开展其岩土料的动力参数研究，以为将其利用改建为水利枢纽提供基础材料数据。采用GDS动三轴仪，对红石岩新堆积体进行了动剪切模量比与阻尼比试验，研究新堆积体动应力应变特性及其影响因素。试验结果表明：随着剪应变的不断增大，新堆积体动剪切模量比不断减小，阻尼比随之增大。新堆积体动力特性受围压影响较为明显，最大动剪切模量随着围压的增大而增大。在相同剪应变条件下，随着围压、干密度、粗颗粒含量的增大，动剪切模量比逐渐增大，阻尼比逐渐减小。另一方面，新堆积体细粒含量较多，颗粒岩性复杂，風化程度差异明显，导致其动力特性具有一定的离散性，与人工筑坝堆石料存在明显差异。

关键词：新堆积体； 颗粒级配； 密度； 动剪切模量； 阻尼比； 动三轴试验； 红石岩堰塞坝

中图法分类号： TV64;P642.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.005

0引 言

2014年8月3日16：30，云南省鲁甸县发生65级地震。地震导致牛栏江左岸山体的滑坡堆积物表层松动向河床方向移动，右岸山体发生大规模滑坡、崩塌［1-2］。地震形成的堰塞体沿牛栏江方向长度大约为890 m［3］，横向宽度大约为50 m，堰塞体总体积约1 000万m3［4］，属于特大型崩塌，不能直接拆除，因此需要对该堰塞体进行永久性加固处理［5］。红石岩堰塞体现场［6］如图1所示。红石岩堰塞体永久整治工程通过在堰塞体中修筑混凝土防渗墙和帷幕灌浆区域建立防渗系统，并对堰塞体上部滑塌区域进行锚网喷支护和喷混凝土封闭保护等加固处理，将堰塞体改建为具有挡水功能的堰塞坝［7-8］。该水利工程是世界上首座以堰塞坝为基础建设的具有综合功能的水利工程［9］。

红石岩堰塞坝坝体主要由红石岩新堆积体、右岸滑坡体以及河床堆积体3部分构成。其中，红石岩新堆积体是由于地震导致山体滑坡而形成的，因而其组成成分较为复杂，主要以石灰岩和白云岩为主，颗粒和级配在空间上分布不均匀。现场岩石样品45组，其物理特性试验成果如表1所列。新堆积体位于河谷中心区域，与防渗墙接触区域最大，其力学特性直接影响防渗系统的安全性，是坝体安全运行的关键问题。昆明勘测设计研究院在现场进行了钻孔取样和密度试验来分析新堆积体的物理特性。试验结果显示：新堆积体的颗粒级配比较宽，细颗粒含量远高于传统的筑坝粗粒土；并且，土颗粒岩性复杂，风化程度差别较大，导致不同采样点新堆积体岩样强度存在较大差别。

大连理工大学根据现场试验数据进行了新堆积体的室内静三轴试验，试验结果表明新堆积体细粒含量较高，其应力应变曲线具有类似黏性粗粒土和含砾黏土的特征。同时，较高的细粒含量提高了试样的饱和难度，削弱了粗粒土试样土骨架的支撑作用，增大了试样饱和过程中的湿化变形，降低了试验精度，增加了试验难度。目前，对于红石岩堰塞坝的动剪切模量及阻尼比研究相对较少，而颗粒级配和密度是影响粗粒土力学特性的关键性因素［10-13］。同时，红石岩新堆积体细颗粒含量较高，开展室内大三轴动力试验面临饱和难度大、土骨架作用受到削弱等因素影响，因此，本文采用室内小三轴动力试验研究红石岩新堆积体在不同颗粒级配和密度下动力特性［14-15］，为堰塞坝的动力安全分析提供依据。

1动三轴试验

1.1试验方案

为了确定新堆积体室内动三轴试验的颗粒级配及密度，昆明勘测设计研究院进行了现场钻孔取样和密度试验。图2和图3分别为红石岩新堆积体现场钻孔取样位置图和钻孔取样级配图［6］。结合图2和图3可以看到，土颗粒分布受空间影响较大，上部多为孤石和块石，下部则多为碎石混砂土。从图中可以看出，新堆积体上部颗粒离散性较大，上游（ZK133，ZK107-2）粗颗粒含量较高而堰塞体顶部区域则以细颗粒为主。新堆积体下游则是上层区域（ZK101-1，ZK105-1）以细颗粒为主，底层区域（ZK107-1，ZK107-4）以粗颗粒为主。

取样结果表明：新堆积体颗粒级配较宽，细粒含量高于筑坝粗粒土。根据取样结果，制定了3个级配来更准确地描述新堆积体颗粒级配的离散性。分别为下包线、平均线和上包线级配，并根据土工试验规范要求将试验中试样最大粒径限制在20 mm，试验颗粒级配如表2所列。

由于红石岩新堆积体颗粒较大，现场采用探坑取样检测密度难度大，因此用灌水法进行密度试验。试验结果表明，新堆积体干密度最小值为1.66 g/cm3，最大值为2.28 g/cm3。根据现场试验结果以及现有试验技术条件选取1.84，1.95 g/cm3和2.06 g/cm3三个试验密度共27个方案，试验方案如表3所列。

1.2试验仪器

本次试验使用的是GDS动三轴仪［16］。GDS动三轴仪最大轴向荷载为10 kN，

围压为2 MPa，加载频率范围为0～5 Hz。试验过程中，可以通过应力和应变控制两种方式来进行循环加载。同时由高精度传感器来实时监测试验过程中试样的变形、排水量及压力变化情况。

1.3试验流程

试样直径为100 mm，高为200 mm。试验流程如下：将烘干的土料加水拌和，需准确控制加水量保证干燥粗颗粒表面湿润的同时，细粒依旧呈颗粒状。将土料分3次装入重塑筒中［17］，用击实器捣实至干密度。由于存在较多的粗颗粒，土料的黏性较低，为避免试样脱模时出现塌落，在重塑筒内部增加一层0.5 mm的内衬铝板。试样击实后取下最外面的重塑筒，将内衬铝板沿接缝缓慢展开。待铝板与试样彻底分离后，将铝板从试样上方取出。将承膜筒套上橡皮膜，抽取真空后将橡皮膜套在试样上。试样中含有较多的粗颗粒，在表面形成局部脱空区，如图4所示。

为保证试验的气密性达到要求，用橡皮条将试样固定在GDS三轴仪底座上进行气密性检查。

气密性检查完成后，分别通入CO2和无气水开始进行水头饱和。由于试样中细颗粒含量较高，水头饱和不能满足饱和度要求，因此在水头饱和结束后需要进行反压饱和［18］。在维持反压控制器与围压控制器之间的差值为30 kPa的条件下，逐级加载将试样内的残存气泡溶入无气水中，直至试样的饱和度达到95%［17］。饱和结束后，根据试验所需要的围压和轴向应力来进行固结。本次试验固结比Kc为1.5，根据试验的固结比来设置偏压固结中所需要的目标轴向应力，以1 kPa/s的速度进行偏应力加载。

偏应力稳定后进行循环加载。试验振动频率为0.33 Hz，采用应变控制方式加载。动应变共分为10-5～10-2四个数量级，每一加载数量级设置1，2，4，8四个幅值，最大应变幅值为1×10-2，共13级应变加载。每级加载进行5个振次循环，取第3个循环振次分析动模量和阻尼比［19］。

2试验结果及分析

图5为干密度1.95 g/cm3的平均颗粒级配试样在500 kPa围压下的动轴应力时程曲线。根据每级振次得到的动轴应力幅值σd和对应的动应变幅值εd绘制滞回曲线，如图6所示。

采用沈珠江概化Hardin模型［20］整理新堆积体的动力参数，泊松比μd取0.35。根据动三轴试验获取的最大动轴应变εd、最大轴应力σd、动弹性模量Ed，通过计算得出该试样对应的最大动剪切应变γd、最大动剪切应力τd及动剪切模量Gd。

从图8～9中可以看出，不同围压下的模量衰减曲线与阻尼比增长曲线存在明显的离散性，随着围压的增大，动剪切模量比不断增大，阻尼比随之减小。这是因为随着围压的增大，土颗粒之间间距减小，土体密实度不断增大，其抗剪强度增大，循环荷载作用下能量消耗减小，因而，随着围压的增大，动剪切模量比增大，阻尼比减小。试验结果与董威信等［21］发现的规律一致。红石岩新堆积体在各个级配和干密度下的动参数列于表4。从表4中可以看到，颗粒级配和干密度对新堆积体的动参数存在明显影响。

2.1颗粒级配对动力特性的影响

为了分析颗粒级配和干密度对新堆积体动力特性的影响，将相同条件下不同级配的动模量和阻尼进行比较。图10和图11为干密度1.84 g/cm3的试样在500 kPa围压下的动剪切模量比和阻尼比与动应变的关系曲线。

从图10～11中可以看出，上包线级配动模量比衰减速度最快，平均线级配次之，下包线级配最慢。相应地，上包线级配阻尼比增长最快，最大阻尼比明显高于平均线级配和下包线级配。这表明随着粗颗粒百分比的增大，相同剪应变条件下，动剪切模量比增大，阻尼比减小。相较于上包线而言，由于粗颗粒含量的不断增加，下包线与平均线级配的土体构成相对稳定的土骨架。因此，其动模量曲线和阻尼比曲线较为接近，土体动力特性受颗粒级配影响逐步降低。

2.2干密度对动力特性的影响

图12和图13为上包颗粒级配的试样在100 kPa围压下的动剪切模量比和阻尼比与动剪切应变的关系曲线。

从图12～13中可以看到，随着干密度的不断增大，相同体积下试样的质量更大，试样更加密实，骨架作用明显增大，动剪切模量比增大、阻尼比减小。干密度1.84 g/cm3试样的动模量比衰减速度最快，干密度195 g/cm3试样次之，干密度2.06 g/cm3试样最慢。相应地，干密度1.84 g/cm3试样阻尼比增长最快，最大阻尼比明显高于干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3试样。这表明随着干密度的增大，相同剪应变条件下，动剪切模量比增大、阻尼比减小。相较于干密度1.84 g/cm3试样，干密度1.95 g/cm3及2.06 g/cm3试样随着密度的不断增大，土颗粒间间距受干密度影响逐渐减小。因此，其动模量曲线和阻尼比曲线较为接近，土体动力特性受干密度影响逐步降低，这与石兆吉等［22］通过共振柱试验得到的结论相符。

2.3级配与干密度对动力特性的影响

通过前文对级配和干密度的分析发现：相同剪应变条件下，动剪切模量比随着干密度和粗颗粒含量的增大而增大；阻尼比随着干密度和粗颗粒含量的增大而减小。

这是由于随着粗颗粒含量的增加，试样粗颗粒之间相互咬合更紧密，试样稳定性更高，对应的动剪切模量比增大。能量在颗粒间传播过程中消耗减少，阻尼比随之减小。

类似地，随着干密度的不断增大，土颗粒之间间距不断减小，土体密实度增大，对应的动剪切模量比增大。能量在颗粒间传播过程中消耗减少，阻尼比随之减小。

3结 论

本文以红石岩堰塞坝新堆积体为研究对象，通过动三轴试验研究分析不同颗粒级配和不同干密度对红石岩新堆积体动剪切模量比与阻尼比的影响，得出结论如下：

（1） 相同干密度条件下，随着粗颗粒含量不断增大，新堆积体动剪切模量比不断增大，阻尼比不斷减小。

（2） 相同级配条件下，随着干密度的不断增大，新堆积体动剪切模量比不断增大，阻尼比不断减小。

（3） 由于新堆积体材料级配均一性较差，颗粒岩性复杂、风化程度差异明显，颗粒强度离散性较大，导致土体的模量衰减曲线与阻尼比增长曲线具有一定的离散性。

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（编辑：郑 毅）