对影响堆石料工程特性因素的分析研究

赵晓菊

(中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024)

1 概述

随着面板堆石坝在抽水蓄能电站中的广泛应用，作为坝体填筑材料的堆石，其工程特性(强度性质、变形性质及渗流特性)的研究尤为重要。堆石料的压缩主要是在垂直荷重的作用下颗粒克服摩擦阻力重新排列的过程;抗剪强度主要由滑动摩擦强度、剪胀效应和挤碎作用以及重排列作用的效应几部分组成;渗透性是指水在土的孔隙中流动的过程和性质，而级配、密度及母岩的性质及风化程度对于上述的每一部分均会产生一定的影响，从而使堆石混合料的强度和变形产生变异［1］。笔者以几座蓄能电站试验资料为依据，着重分析了控制密度、颗粒级配及母岩的风化程度对坝料工程特性的影响。

2 控制密度对堆石料工程特性的影响

对于相同级配，堆石料密度的大小表示其孔隙比的大小，密度越大，孔隙比越小，颗粒间咬合的越紧密，起着有利于抗剪强度的作用。试验选用十三陵抽水蓄能电站面板堆石坝主堆石区、次堆石区和垫层区材料，试验级配及密度见表1，试验结果见表2、3，图1。

试验结果显示，对于同一级配、同一母岩、同一应力状态下，随着密度的增大，其沉降变形减小，模量增大，抗剪强度增强，渗透性减小。

表1 试验级配、材料及密度表

表2 三轴试验抗剪强度指标及渗透试验指标表

3 级配对堆石料工程特性的影响

表3 渗透试验指标表

资料表明:粒径大于5 mm 的粗料为70%左右时，粗、细颗粒形成最佳组合，粗料形成完整骨架，细料又能填满孔隙，细料和粗料相互充填的最密实，孔隙最少，表现出压缩沉降变形量最小，抗剪强度最大，渗透系数最小，渗透破坏比降较大［2］。

图1 s-P 曲线示意图

试验选用文登抽水蓄能电站面板堆石坝垫层区和堆石区材料，均为石英二长岩。三种试样装样过程中分装层数、每层试样振动时间相同，即对试样击实功率相同，从而使得试样的密实度相同，用以研究母岩相同、密实度相同、应力状态相同时级配对堆石料工程特性的影响。试验级配见表4，试验参数见表5、6、7，图2、3、4。

试验结果显示，垫层料细粒含量比堆石料高，达到28.1%，接近30%，因此粗、细颗粒能够达到较好的咬合效果，粗、细骨料可以共同承担骨架作用;而对于堆石料，由于细颗粒含量少，细颗粒不能完全充填粗颗粒骨架形成的孔隙，孔隙率较大，由粗骨料承担骨架作用。

表4 试验级配及试验后颗粒级配表

(1)在压缩过程中，粗骨料承担骨架作用时粗颗粒的棱角容易出现应力集中而产生破碎、引起骨架颗粒发生移动重新排列至稳定位置而使试样发生沉降变形，试验结果表现出堆石料沉降变形大，垫层料沉降变形小，模量高。

表5 三轴试验抗剪强度指标表

表6 破坏强度值表

表7 文登水电站渗透及渗透变形试验成果表

图2 s-P 曲线示意图

(2)用强度指标表示，垫层料φ值较大，应力～应变曲线及体积变形曲线显示在σ3=200、400 kPa 时三种料应力～应变曲线较接近。随着σ3的增加，垫层料总体表现为应变软化性，而堆石料曲线则表现为应变硬化性，并且三种料应力～应变曲线差距越来越大，说明因母岩强度较高，在围压σ3较低、剪切应力较小时，级配的优势并没有显现出来。随着围压增大，堆石料的颗粒破碎增加，抗剪强度也随之降低，级配对强度和变形的影响明显的表现出来。体变曲线显示垫层料在剪切过程中均发生了剪胀，而堆石料随着围压的变化，颗粒破碎较明显，阻碍了剪胀效应的发挥，体变曲线由剪胀型逐步过渡到剪缩型［3］。

图3 应力应变关系曲线图

图4 ε1～εv关系曲线表图

表8 试验级配及试验后颗粒级配表

(3)从试验结果可以看出:堆石料、垫层料渗透系数逐渐减小，破坏水力比降逐渐增大，而垫层料的破坏水力比降大于44.2。堆石料和过渡料的破坏型式为管涌型。由于垫层料细骨料能较好的填满混合料的孔隙，混合料中的孔隙少可使其渗透系数小，破坏水力比降大;而堆石料由于细料含量少，细料填不满粗料的孔隙，孔隙多反映出渗透系数较大［4］。同时，由于细粒含量少，一部分细颗粒不是互相紧密接触的，甚至有的颗粒处于自由状态，粗颗粒不能完全制约细颗粒，导致其抵抗渗透破坏的能力较低，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被带出土体以外，形成管涌破坏。

4 母岩的风化程度对堆石料工程特性的影响

试验采用呼和浩特抽水蓄能电站堆石区材料、筑坝材料，均为片麻状黑云母花岗岩，试验级配、密度均相同，只是风化程度为微新～弱风化和强风化两种，试验参数见表8、9、10，图5。

表9 三轴试验抗剪强度指标表

表10 渗透及渗透变形试验成果表

图5 s-P 曲线示意图

从试验结果可以看出，母岩风化程度的大小直接影响着堆石料的工程特性，风化程度越高，其沉降变形越大;模量低，强度值越低;制样过程中风化程度越高，破碎量越大并增加了细粒含量，则渗透性减小。试验后颗粒级配表也反映出强风化料由于制样过程、饱和浸水软化过程及试验过程细料的大量增加而使其工程特性次于微新～弱风化料。

5 结语

试验研究结果表明:控制密度、颗粒级配及母岩的风化程度对堆石料的工程特性影响较大。密度大，堆石混合料中粗、细颗粒咬合的程度越好，母岩风化程度越低，堆石体可以得到较小的沉降变形、较高的抗剪强度。

［1］傅志安，凤家骥.混凝土面板堆石坝［M］.武汉:华中理工大学出版社，1993.

［2］郭庆国，编.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州:黄河水利出版社，1998.

［3］柏树田，崔亦昊.堆石的力学性质［J］.水力发电学报，1997，58(3):21-30.

［4］刘杰，编.土的渗透稳定与渗流控制［M］.北京:水利电力出版社，1992.