坝体防渗土料的地质特性分析研究

程润虎

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

坝体防渗土料的地质特性分析研究

程润虎

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

张峰水库为斜心墙堆石坝,为了查明坝体防渗土料的物理力学性质,提供设计所需的地质参数,进行了全面的室内大型试验分析,对防渗土料的工程地质特性进行了详细的研究,提出了坝体防渗土料的有关地质参数,确定了防渗土料的质量指标及静动力参数,为工程设计提供了全面、可靠的地质资料。

大坝;防渗土料;地质特性

1 工程概述

张峰水库为大(1)型水库,总库容3.94亿m3,坝高72.2 m,坝型为粘土斜心墙堆石坝,心墙两侧设反滤体。工程区地震动峰值加速度为0.10g。

防渗土料选用土料场地面高程700～755 m,料场面积81 000 m2。地层岩性为第四系中更新统洪积棕红、深红色低液限粘土,含有4～6层钙质结核层,结核直径2～40 cm,单层厚度0.3～1.0 m,总厚度10～30 m。防渗土料场的有用层储量154.7×104m3,利用率85.5%。

2 土料的组成特征

2.1 土的组成特征

土料为低液限粘土,呈棕红色,硬塑—可塑状。土的比重2.70～2.75,塑性指数9.9～22.9,砂粒2.6%,粉粒77.7%,粘粒19.7%,有效粒径0.002 8 mm,平均粒径0.016 mm,限制粒径0.022 mm,不均匀系数7.86,曲率系数1.23,有机质含量0%,烧失量4.32%～14.2%,水溶盐含量0.3%～7.2%,SiO2/R2O3为1.37%～3.82%,pH值7.9～8.6,缩限1.30%～15.4%,收缩率0.05%～1.98%。粘土矿物相对含量ω(B)/10-2,蒙托石5～23,伊利石12～23,高岭石2～5,绿泥石1～4,石英26～48,斜长石9～18,碱性长石5～11,方解石0～14。

2.2 含水率分布规律

土的天然含水率平均值17.67%。含水率<15.2%的占15.1%,含水率在15.2%～21.1%的占76.5%,含水率>21.1%占8.4%。土的最优含水率15.2%～21.1%,平均值为17.9%。最大干密度1.58～1.77 g/cm3,平均值为1.69 g/cm3。

3 防渗土料的工程地质特性分析

3.1 渗透特性分析

按击实后最大干密度平均值的0.98作为土料设计干密度,即选取干密度1.65 g/cm3状态下进行渗透试验分析[1,2],防渗土料渗透系数1.2×10-7～4.6×10-6cm/s,平均值为1.02×10-6cm/s。

3.2 分散性分析

防渗土料的分散性试验[3]采用双比重计法测定分散度为15.0%～32.0%,绝大多数(91%)的分散度<30%;针孔试验测定多数(74%)水色透明清亮,且针孔不变,仅少数水流变浑,进水口变化不明显,出水口扩大到2～5 mm;碎块试验表明绝大多数(91%)在水中无分散出胶粒的反应,土块水解后以细粒状平堆,水色清澈;孔隙水可溶盐阳离子试验测定孔隙水可溶盐阳离子总量(TDS)为3.97 L/n mmol/L<5 L/n mmol/L,钠百分比(PS)为25.44%,钠吸附比(SAR)为0.83<2.7;全土中阳离子交换量试验测定交换性钠百分比(ESP)为1.29%<7%。综上所述,分析判断防渗土料基本为非分散性土,少量为过渡型。

3.3 压缩性分析

在设计干密度状态下进行非饱和、饱和状态的固结试验,试验压力采用0～1 600 kPa。防渗土料固结试验数据见表1,为中等压缩性。

表1 防渗土料固结试验资料表Table 1 Data sheet of consolidation test of impervious soil

3.4 初始孔隙压力系数确定

坝体中防渗土料在自重下,固结产生的孔隙压力、施工期的初始孔隙压力u0根据压缩试验资料绘制曲线,求得初始孔隙压力系数。其计算公式:

式中:B为初始孔隙压力系数;σ1为大总主应力(kPa),由公式:σ1=σ′1+u0求得;σ′1为有效主应力(kPa);u0为初始孔隙压力(kPa),由公式:

求得;其中:pa为大气压力(kPa);e0、e为起始与压缩变形后的孔隙比;ω为含水率(%);Gs为土的比重;μ为空气在水中的溶解系数。

按防渗土料非饱和状态的固结试验资料分析计算u0、σ1等数值,见表2。以u0为纵坐标,以σ1为横坐标绘制曲线见图1,从图中分段求得初始孔隙压力系数。

表2 防渗土料固结试验u0、σ1计算值表Table 2 Calculated value of consolidation test of impervious soil

图1 防渗土料初始孔隙压力u0和大总主应力σ1关系曲线Fig.1 Relation curve of impervious soil between initial pore water pressureu0and major principal stressσ1

3.5 抗剪强度试验

图2 防渗土料三轴压缩试验应力摩尔园和强度包络线Fig.2 Mohr cicle and strength envelope of consolidated undrained triaxial compression testof impervious soil

3.6 拉伸强度试验

在设计干密度状态下,防渗土料单轴拉伸试验的拉伸极限应力-15～-21 kPa,极限应变0.6%～1.2%。三轴拉伸试验在50 kPa围压时拉伸小主应力-21～-29 kPa,拉伸应变4.0%～5.6%;在100 kPa围压时拉伸小主应力-17～-23 kPa,拉伸应变5.8%～6.2%;在150 kPa围压时拉伸小主应力-12～-22kPa,拉伸应变4.0%～6.9%;在200 kPa围压时拉伸小主应力-1～-5 kPa,拉伸应变3.8%～6.8%。

3.7 动三轴试验分析

防渗土料动三轴试验[4]其E-μ模型和E-B模型参数见表3。对于双幅应变εdf=5%破坏标准,固结应力比Kc=1.0时,Nf=10、20、30次动抗剪强度指标cd、φd值见表4。在动应力作用下破坏振次Nf≤30次破坏时,不会产生液化现象。不同周围压力下动孔压发展水平都<0.11,且只在σ3c=200 kPa时接近0.1,σ3c=400 kPa时介于0.02～0.06,其余固结压力下均介于0.01～0.02之间。动弹性模量(Ed)和动剪切模量计算参数及公式见表5。

表3 防渗土料动三轴压缩模型参数表Table 3 Parameter list of dynamic triaxial compression model of impervious soil

表4 防渗土料动三轴试验抗剪强度计算表Table 4 Calculation table of shear strength of dynamic triaxial test of impervious soil

3.8 侧压力系数和泊松比确定

侧压力系数K0计算采用公式K0=0.19+0.233 logIP,泊松比μ计算采用公式μ=K0/(1+K0),防渗土料的侧压力系数为0.46,泊松比为0.32。

表5 防渗土料动弹性模量(Ed)、动剪切模量(Gd)参数及公式表Table 5 Parameter and formula table of dynamic elastic modulus(Ed)and dynamic shearmodulus(Gd)of impervious soil

3.9 渗透破坏试验分析

防渗土料与反滤料接触流失试验中,防渗土料与反滤料细包线料接触时,临界水力比降比反滤料粗包线料接触时大,是由于接触面处粗包线料比细包线料粒径大,孔隙也大,土料更易流失的缘故。从防渗土料与反滤料、砼接触冲刷试验中临界水力比降主要取决于接触的两种料中抗渗能力较小的料。据裂缝冲刷试验表明,在5 mm、2 mm、1 mm三种不同开度情况下,随着时间的延长,裂缝中滞留的土团逐渐增多,测到的渗透流量逐渐趋于稳定,防渗土料在反滤料保护下裂缝不会继续发展,说明防渗土料的临界水力比降较大[5]。渗透破坏试验资料见表6。

表6 防渗土料与反滤料渗透破坏试验资料表Table 6 Data sheet of seepage failure test of impervious soil and filtermaterial

4 结论

防渗土料岩性为低液限粘土,其粘粒含量、塑性指数、有机质含量、水溶盐含量、pH值、SiO2/R2O3、渗透系数各项指标均满足现行《水利水电工程天然建筑材料勘察规范》的防渗材料的质量要求[6]。通过分析研究,防渗土料基本为非分散性土,土料的临界水力比降较大,强度高,有关力学指标满足设计要求,适宜作为防渗土料。

[1] SL237—1999,土工试验规程[S].

[2] GB/T50123—1999,土工试验方法标准[S].

[3] 王观平,张来文,等.分散性粘土与水利工程[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[4] 谢定义.土动力学[M].西安:西安交通大学出版,1988.

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

[6] SL251—2000,水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].

(责任编辑:于继红)

Analysis and Research on Geological Characteristics of Dam Impervious Soil

CHENG Runhu
(Shanxi Hydroelectric Investigation Design and Research Institute,Taiyuan,Shanxi030024)

Based on test analysis for the impervious soil of dam core wall in Zhangfeng Reservoir,the engineering geological characteristicsof them have been studied in detail in thispaper,which could provide scientific basis for solving engineering problems of the impervious soil.

core wall of dam;impervious soil;geological characteristics

TV443

A

1671-1211(2010)05-0457-04

2010-07-01;改回日期:2010-08-30

程润虎(1963-),男,高级工程师,水利专业,从事水利水电工程地质与水文地质研究工作。E-mail:crh5422@163.com