含部分软岩的堆石料用于高土石坝堆石区基本特性研究

李小泉，李 建，罗 欣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 科学研究所，四川 成都 610072）

含部分软岩的堆石料用于高土石坝堆石区基本特性研究

李小泉，李 建，罗 欣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 科学研究所，四川 成都 610072）

本文主要依据卡基娃、董菁和多诺面板堆石坝及毛尔盖、两河口、水牛家等高心墙堆石坝的含部分软岩堆石料的室内研究成果及工程应用，探讨了含部分软岩堆石料的物理力学性质及软岩含量对其力学性质影响。结果表明：软岩含量在30%内的堆石料具有低压缩性，高抗剪强度，仍可满足工程要求；提出了软岩含量在30%以内的堆石料工程特性参数。本研究成果扩大了堆石料的选材范围，有利于土石坝工程就近取材、缩短工期、降低工程造价等等，成果可供类似工程参考。

含软岩堆石料；物理力学性质；工程特性

0 引 言

随着堆石坝技术的不断发展，拟建堆石坝坝高越来越高，如何因地制宜地采用坝址区附近的堆石料已成为筑坝需普遍考虑的问题。对于这种用量大、整体性能要求较高、采挖边界条件较复杂的材料，如设计和施工方案考虑不周，极易造成增加工程投资、延长施工期、对环境负面影响等。西南地区高心墙坝或面板堆石坝建设中，在近坝附近常遇砂板岩或变质岩、砂岩及页岩，这其中的软岩以夹层或少量单层出现，当采用此类岩石作为堆石料时，其间夹层常无法剔除，工程附近又难以找到其它硬岩堆石料替代料源。因此，这类料源的工程性质研究，对坝的安全性、经济性和环保性均显得重要和必要。本文结合卡基娃、多诺、毛尔盖、两河口、水牛家、董菁等电站堆石料研究，分析得出软岩含量宜控制在30%以内，并提出了相应的工程特性参数。

1 已有工程含有软岩堆石料的地质分布及基本特性

卡基娃、两河口、水牛家、董菁等电站板岩均有湿抗压强度小于30 MPa，软化系数小于0.75等特点，属软岩，且实际施工时无法剔除。典型工程软岩主要为千枚状板岩、砂质板岩夹砂岩互层，按地质实际统计，软岩一般不超过40%。几个工程岩石基本物理力学指标见表1。

表1 典型工程岩石物理力学指标

2 含有部分软岩堆石料的试验研究

依据卡基娃、毛尔盖等工程软硬岩互层比例，采用风化料占试验用土料总质量百分比20%、30%、50%的比例分别掺和，并加入全新鲜料和全风化料两种料进行对照分析。

2.1 级 配

按掺和比为20%、30%、50%、100%掺和风化千枚状板岩后的试验用料，其级配曲线见图1。从级配曲线上可以看出，单独采用风化料（QTK），其级配偏粗，不满足设计要求的下包线。实际测试的风化千枚状板岩小于5 mm颗粒含量略低于新鲜砂岩，所以，随着风化千枚岩掺量比的增加，小于5 mm含量略为减少；且由于风化千枚岩的掺入，其压实后的破碎率亦将增大，在掺量20%、30%、50%上包线对应的振动破碎量分别为3.81%、4.49%、4.54%，相应的振动后小于5 mm含量分别为22.96%、23.22%、22.43%。从级配上看，在掺入风化砂岩小于50%的条件下，都能基本满足设计要求。

图1 不同比例风化千枚状板岩掺和后颗分级配曲线对比

2.2 相对密度

对掺和比为0、20%、30%、50%、100%用料在Dr＝0.90时的填筑干密度成果见表2。经分析比较可知：软岩填筑干密度小于新鲜砂岩，但是在新鲜砂岩中掺入30%以内的软岩，其干密度随着掺比的增加而增加，当超过30%时，随着掺比的增加而减小。这是由于软岩易破碎，较低掺量下，破碎后细颗粒填充间隙，反而能提高填筑干密度。

2.3 渗透特性

对掺和比为0、20%、30%、50%、100%用料在Dr＝0.90时的渗透试验成果见表3。经分析比较可知：由于风化料小于0.075 mm的颗粒含量小，按各掺和比掺入后的平均线渗透系数处于i×100cm／s～i×10－1cm／s范围，均属强透水性。渗透试验表明各掺比料渗透性均能满足设计对堆石料的要求。

表2 Dr＝0.90时密度成果对比

表3 掺入风化岩堆石料平均线Dr＝0.90时渗透成果对比

2.4 强度特性

对掺和比为0、20%、30%、50%、100%用料通过直剪试验获取的抗剪强度参数成果见表4。经分析对比可知：新鲜砂岩堆石料强度最高；单独采用软岩，虽然其级配与各掺和比下的级配有一定的相似性，但由于其母岩本身的差别，其强度最小；随着掺量比的增加，强度参数呈现减小的趋势。但含有一定比例软岩的用料，其强度远高于软岩，如卡基娃含30%软岩料摩擦角为43.7°，远高于软岩的32.3°。

2.5 压缩特性

对掺和比为0、20%、30%、50%、100%用料的压缩成果见表5。经分析比较可知：

（1）软岩料压缩模量远远低于新鲜砂岩，不能直接作为堆石料使用。

（2）新鲜料掺入软岩，在压力大于0.8 MPa以后，掺和料出现不同程度的破碎，表现为模量降低。因此，为避免掺和堆石料在高应力下发生较大变形，宜填筑在距坝顶50 m高度范围以内。

（3）掺和风化砂岩在30%之内时，因随着掺比的增加，填筑干密度增大，压缩模量也相应增加；但当掺比增加到50%时，压缩模量降低，这是由于软岩含量过高导致在加载过程中母岩产生较大程度破碎、细粒含量增加。

（4）含有一定比例软岩堆石料在饱和状态下，压缩模量低于非饱和状态，这是由于软岩在浸水状态下产生湿化变形。说明在填筑过程中应充分加水碾压，以减小后期变形。

表4 掺入风化岩堆石料平均线Dr＝0.90时抗剪强度参数成果对比

表5 掺入风化岩堆石料平均线Dr＝0.90时压缩试验成果

2.6 含有软岩堆石料高压大三轴试验成果

表6、表7为几个典型工程软岩含量为30%内的堆石料力学试验成果，成果表明该软岩含量的堆石料力学强度指标依然能达到较高水平，满足工程要求。但值得注意的是，其破碎率仍旧较高，故在实际工程中，应注意破碎率对强度和透水性的影响。可在一般经验范围内让含有软岩的堆石料级配设计得偏粗一些（如采用下限级配），具体偏粗多少，可以根据试验确定。两河口堆石料高压大三轴试验前后级配对比见图2。

3 结语及建议

（1）西南地区尤其四川境内砂岩常伴有板岩或千枚岩夹层，主要存在于沉积岩和变质岩中，实际开采时，难以剔除，为达到经济及缩短工期等目的，通过试验研究并用于坝内合适部位，具有较大工程意义。

（2）几个典型工程试验成果表明：当软岩含量在30%之内时，与纯硬岩堆石料的强度、变形和渗透性质相差不大，作为堆石料能满足工程设计要求，但宜采用一定的施工控制措施。含软岩堆石料的试验成果，可供类似工程参考。

（3）软岩强度相对较低，压实后颗粒破碎较多，破碎后的颗粒填充了堆石间的空隙，因此除强度、变形外和透水性也是需研究的重要问题。设计坝料级配曲线宜按通常工程经验所推荐的下限级配进行。

表6 大三轴试验成果

表7 堆石料高压大三轴试验后破碎率测定

图2 两河口堆石料高压大三轴试验前后级配对比

［1］付军，周小文.面板坝软岩料的工程特性［J］.长江科学院院报，2008，25（4）：67－72.

［2］柏树田，周晓光，晁华怡.软岩堆石料的物理力学性质［J］.水力发电学报，2002，（4）：34－44.

［3］彭成，郭德发，王庆.面板堆石坝软岩料的应用分析［J］.石河子大学学报（自然科学版），2008，26（5）：611－615.

TV41

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1003－9805（2015）01－0084－04

2013－06－17

李小泉（1965－），男，重庆万州人，教授级高级工程师，从事岩土试验研究工作。