沥青混凝土心墙石渣坝筑坝材料力学指标分析

何 林

(四川省水利水电勘测设计研究院，四川 德阳 618000)

随着国家水利投资的加大，近几年四川新建了一批中型水库，其中大部分水库坝型为沥青混凝土心墙石渣坝。选择这种坝型的原因，一是目前沥青混凝土心墙施工技术已经很成熟，二是四川红层地区的砂岩、泥岩、粉砂岩的各种工程指标可以满足该坝型坝壳料的要求。

根据在建的几座沥青混凝土心墙石渣坝的设计报告，这些坝的坝料主要是料场开采后的弱风化砂岩料(一般用于上游坝壳)、砂泥岩混合料(一般用于下游坝壳)。由于砂岩、泥岩强度不高，破碎、碾压后不易确定坝料是粘性土坝料还是非粘性土坝料，其次在坝坡稳定计算时抗剪强度指标要不要考虑粘聚力c值，如不考虑粘聚力，是否用非线性强度指标更合理？下面结合4座水库的筑坝材料实验对上述问题展开讨论。

1 坝料强度计算方法

SL 274—2000《碾压式土石坝设计规范》中给出了粘性土的概念，它主要是为了确定在稳定分析时用总应力法还是有效应力法。根据有效应力原理可知，影响土体抗剪强度的仅为有效应力。如果土体为高压缩性土且土体渗透系数很小，排水不畅就会产生超静孔隙水压力致使有效应力降低从而减小土体抗剪强度。下面从坝料的压缩性、渗透性两个方面来分析坝料强度计算方法。

表1、表2列出了四川4座水库筑坝材料的压缩和渗透性指标，根据土力学原理，土的压缩性一般根据围压0.1～0.2MPa间的压缩系数来判断，压缩系数小于0.1的为低压缩性土，从表1、表2可以看出4座水库上、下游坝壳料压缩系数均远低于0.1，坝料碾压填筑时含水率很低为最优含水率，远没达到饱和。较小的压缩性和较低的含水率致使坝料碾压后土颗粒骨架不会产生过大变形也不会引起超静孔隙水压力。

上游坝壳堆石料的渗透系数量级在10-2～10-1cm/s，下游坝壳石渣料的渗透系数量级在10-4～10-2cm/s。根据苏H·H罗扎诺夫主编的《土石坝》一书介绍，当填料饱和度G≥0.85，渗透系数k<(5～10)×10-6时才需要计算孔隙水压力；另据日本土木技术协会编《最新土石坝工程学》一书介绍，当渗透系数k>5×10-6时孔隙水压力完全消散。

根据上面分析可知四川地区沥青混凝土心墙石渣坝在确定各种工况抗剪强度指标时均可按有效应力法计算。

2 坝料力学指标

在做坝料三轴试验时，坝料摩尔应力圆的公切线在τ轴上都有截距，试验中把它作为坝料的粘聚力c值，这个值在土力学的定义为“土粒之间的各种物理化学作用力，包括库仑力(静电力)、范德华力、胶结作用力等”，根据坝料的级配试验，坝料中粘粒所占的比例很小，应该不存在粘聚力c值，所以DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》中规定“对于堆石、砂砾石等非粘性土，粘聚力虽可由实验求出，但略而不计，经过充分论证粗粒料亦可采用非线性抗剪强度指标进行稳定计算”。实际上通过坝料试验做出来的c值包含颗粒之间咬合力，而规范笼统的将非粘性土的粘聚力忽略不计是不合理的。下面以一座大坝实测试验数据为例分别按采用c′、φ′值，仅采用φ′值，采用非线性强度指标讨论三种取值方法的合理性。

表1 上游坝壳堆石料压缩指标及渗透性指标

表2 下游坝壳石渣料压缩指标及渗透性指标

某沥青混凝土心墙石渣坝最大坝高73.0m，上游坝壳采用砂岩堆石料填筑，上游坝坡1∶1.70，下游坝壳采用石渣料填筑，下游坝坡1∶2.0、1∶2.25，下游坝坡设一级马道，马道高程429.0m，宽3.0m。下游坝体设弱风化及新鲜砂岩堆石料排水带及排水棱体，棱体顶部高程399.0m，顶宽3.0m，外边坡1∶1.5，该大坝的坝体材料力学指标见表3，采用各指标时坝坡抗滑稳定安全系数如图1—4所示。

表3 坝体稳定计算强度指标

图1 采用c′、φ′值时坝坡抗滑稳定安全系数

图2 仅采用φ′值时坝坡抗滑稳定安全系数

图3 采用非线性强度指标时坝坡抗滑稳定安全系数

图4 不同抗剪强度指标下坝坡稳定系数对比

从图1—4可以作出以下几点分析。

(1)由于沥青心墙渗透系数很小，对水头折减地很厉害，浸润线很低以至各种工况下下游坝坡稳定安全系数都相差很小，下游坝坡的控制因素为下游筑坝材料本身的力学指标。

(2)强度指标包含c′时与采用非线性强度指标计算的上游坝坡滑弧形状基本相同，都为比较深且长的弧形滑裂面，比较接近大坝实际的滑动面。而不包含c′值仅采用φ′时计算的滑裂面为短且浅的表层滑裂面，这与坝坡实际滑动产生的破坏面不相符，说明该类坝型稳定计算时不包含粘聚力c′值只用φ′计算方法是不合理的。

(3)从图4的对比可知，不包含坝料间粘聚力c′时得到的稳定安全系数最小，已经小于规范规定允许值，前面已经说明这时坝体滑坡与实际不符，现只讨论另外两个力学指标。非线性强度指标计算所得稳定安全系数较线性强度指标计算所得稳定安全系数大30.3%～45.4%，这是因为线性强度指标采用的是试验的小值平均值，且根据工程经验有一定的折减。目前规范中仅规定了在面板堆石坝的稳定计算中应采用非线性强度指标，鉴于上述原因从工程安全角度考虑，若工程建设过程中没有科学可靠的大量试验数据作支撑，应采用包含粘聚力c′值的线性强度指标计算坝坡稳定。

3 结论

(1)对于四川地区沥青混凝土心墙石渣坝，在计算坝坡稳定时不管什么工况均可仅采用有效应力强度指标作为计算参数。

(2)由于沥青心墙对水头的折减，下游坝坡浸润线很低，浸润线对下游坝坡稳定影响很小，下游坝坡稳定主要与坝料自身抗剪强度指标有关，且在各工况下下游坝坡稳定安全系数相差很小。

(3)建设沥青混凝土心墙石渣坝时若没有大量详细可靠的坝料试验分析数据应采用包含粘聚力c′值的线性强度指标计算坝坡稳定，下一步应加强对心墙石渣坝的非线性强度指标的研究，并通过工程实践来验证线性与非线性强度指标的合理性。