西藏旁多水利樞紐工程壩殼砂礫物料的三軸試驗(yàn)研究

西藏旁多水利樞紐工程壩殼砂礫物料的三軸試驗(yàn)研究

1魯龍曲、排水場、旁多交通樞紐工程拉桑河旁多水庫工程位于阿拉薩河流域的中后期，位于距拉薩河1.5公里的水庫下游，距拉薩直線6.3公里。它是從拉薩河-熱真布、烏魯龍曲和脫軌河的交匯處。它是拉桑河干旱地區(qū)的主要建設(shè)項(xiàng)目，也是拉桑河干旱地區(qū)水塔開發(fā)的主管水庫。旁多水利樞紐屬大(1)型Ⅰ等工程,主要建筑物包括擋水壩、泄水洞、引水發(fā)電系統(tǒng)及灌溉輸水洞。水庫總庫容12.22×108m3,電站裝機(jī)容量120MW,灌溉面積4.8萬hm2。本文對西藏旁多壩基、壩殼砂礫石料的三軸剪切試驗(yàn),整理并分析了兩種壩料的應(yīng)力應(yīng)變及剪脹特性的作用機(jī)理,對擬建該工程的壩殼砂礫石料的施工提出建議。2研究方法2.1飽和固結(jié)排水試驗(yàn)試驗(yàn)在大型三軸儀上進(jìn)行。儀器直徑為D=30mm,高H=70mm,儀器控制最大粒徑為60mm。試驗(yàn)方法為飽和固結(jié)排水剪。試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999進(jìn)行。2.2試驗(yàn)材料三軸試驗(yàn)的材料取自旁多工地現(xiàn)場,其中5組為壩基砂礫石料和7組壩殼砂礫石料。其顆粒組成(原級配)見表1。2.3級配縮制方法由于原級配中最大粒徑大于200mm,而儀器允許最大粒徑為60mm,因此,需對來樣級配進(jìn)行縮制處理?！锻凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》中提出四種縮制方法(剔除法,相似級配法,等量替代法和混合法)。由于來樣中<5mm的顆粒含量比較高,考慮粗粒含量的關(guān)系,本次級配縮制多數(shù)采用了等量替代法?？s制比尺為1.67——6.67?？s制后的試樣級配見表2。2.4礫石料5組試驗(yàn)控制干密度的確定試驗(yàn)按設(shè)計(jì)要求控制干密度如下:1)壩基砂礫石料5組試驗(yàn)控制干密度根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果定為2.0g/cm3。2)壩殼砂礫石料7組試驗(yàn)以0.85相對密度控制制樣干密度見表3。2.5試樣裝復(fù)與飽1)試樣制備:將縮制好的級配按照設(shè)計(jì)控制密度計(jì)算裝樣重量。試樣分5層裝入承膜筒內(nèi),采用振搗法制樣,每層嚴(yán)格控制裝樣高度。2)試樣飽和采用抽氣飽和與靜水頭聯(lián)合應(yīng)用法。3)剪切速率:在約2mm/min的剪切速率下進(jìn)行剪切至結(jié)束。4)破壞點(diǎn)的確定:當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線有峰值時(shí),取峰值為破壞點(diǎn);當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線無峰值時(shí),則取軸向應(yīng)變15%所對應(yīng)點(diǎn)為破壞強(qiáng)度。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1應(yīng)力應(yīng)變曲線填筑于壩體部位的砂礫石料是一種大顆粒的粒狀土,由于其顆粒比較大,在剪切過程中,隨著應(yīng)力的增大、顆粒破碎,改變了原級配及其排列方式,進(jìn)而形成了新的結(jié)構(gòu)。應(yīng)力應(yīng)變曲線的形式一般總體上分為兩大類:應(yīng)變硬化型和應(yīng)變軟化型。如圖1中所示(周圍壓力σ3=1.2MPa),曲線①是壩殼料的應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型。此種類型多發(fā)生在較密實(shí)的砂卵石中;曲線②是壩基料的應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型。此種類型多發(fā)生在較疏松的砂卵石中。3.2水庫材料的強(qiáng)度特性試驗(yàn)在同一相對密度不同干密度的條件下進(jìn)行。圖2是壩殼料TK14-1的一組應(yīng)變εi與εv、應(yīng)力(σ1-σ3)關(guān)系曲線。3.2.1剪脹性能發(fā)生的檢測從圖2(σ1-σ3)與εi的一組曲線中可知,由于壩殼料的制樣干密度均比較大,其(σ1-σ3)與εi一組曲線呈現(xiàn)比較典型的應(yīng)變軟化曲線。而且,隨著σ3的增加曲線的峰值出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。這是由于當(dāng)σ3很小時(shí),顆粒并不破碎或只有不大的破碎,加之級配較好,剪切過程中顆粒移動(dòng)困難,因而表現(xiàn)較強(qiáng)的剪脹性,很快便出現(xiàn)峰值;當(dāng)隨著σ3的增加,在剪切過程中,當(dāng)作用壓力超過其材料的破碎壓力之后,顆粒破碎加劇,剪脹需要的能量為破碎所需要的能量所消耗。同時(shí),破碎了的顆粒使顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因此其峰值克服這些阻力出現(xiàn)較晚。試驗(yàn)結(jié)果表明,由于本次制樣控制相對密度比較大(Dr=0.85),因此,峰值出現(xiàn)滯后現(xiàn)象不太明顯。3.2.2剪縮變性隨試驗(yàn)剪脹過程的變化從圖2εi與εv曲線中也可以發(fā)現(xiàn),試樣體積變化也有一定規(guī)律性。試樣在剪切過程中,有很小的剪縮變性,而且是隨著σ3增加εv增大,最大值僅為1.5%;其后很快均進(jìn)入剪脹過程。剪脹過程一直至試驗(yàn)結(jié)束,最大剪脹量超過試樣體積2.5%。3.3水庫材料的強(qiáng)度特性試驗(yàn)在同一干密度的條件下進(jìn)行。圖3是壩基料QJ146的一組應(yīng)變εi與εv、應(yīng)力(σ1-σ3)關(guān)系曲線。3.3.1試驗(yàn)過程和過程由圖3應(yīng)力(σ1-σ3)與應(yīng)變εi關(guān)系可知,由于壩基料試驗(yàn)控制干密度比較低,試樣在剪切過程中,在不同周圍壓力作用下,隨著應(yīng)變的增大曲線應(yīng)力(σ1-σ3)一直在不斷的增長,當(dāng)應(yīng)變超過8%以后趨于穩(wěn)定,最后未有峰值出現(xiàn),整個(gè)試驗(yàn)過程為剪縮過程。3.3.2收縮縮合物對試樣體積的影響試驗(yàn)結(jié)果表明,試樣在剪切過程中,在不同的σ3作用下,試樣體積基本為收縮過程。由于試樣控制干密度較低,孔隙較大,所以試樣體積變化收縮值最大達(dá)到3.5%。3.4壩殼料的剪脹性為了定量地表示剪脹性的大小,一般采用剪脹率,并用(Δεv/Δεi)來表示。εv為剪切體應(yīng)變。εi剪切軸向應(yīng)變。并規(guī)定剪脹率正值為剪縮,負(fù)值為剪脹。圖4(a)表明,壩殼料的剪脹性,在不同的σ3作用下,隨著軸向應(yīng)變的增加首先表現(xiàn)為剪縮過程,但時(shí)間很短;當(dāng)εi=2%―4%之后轉(zhuǎn)為剪脹過程;而εi=8%往后,剪脹性趨于穩(wěn)定,剪脹率為負(fù)值。最終破壞形式為剪脹破壞。表現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上有明顯的峰值出現(xiàn)。圖4(b)表明,壩基料的剪脹性,在不同的σ3作用下,在整個(gè)的剪切過程中均表現(xiàn)為剪縮過程,而且,隨著軸向應(yīng)變的增加剪脹率在減小,最后趨于穩(wěn)定,剪脹率基本為0。表現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變曲線上沒有明顯的峰值出現(xiàn)。4壩體砂砂料在工程中應(yīng)用的初步建議以上分析了旁多水利樞紐壩基和壩殼砂礫石料三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變及剪脹特性,其結(jié)果表明:壩基砂礫石料試驗(yàn)控制密度較低,試樣在整個(gè)剪切過程中表現(xiàn)為剪縮的過程,應(yīng)力應(yīng)力變曲線無峰值;壩殼砂礫石料試驗(yàn)控制密度較大,試樣在剪切過程中,首先是剪縮,但很快便轉(zhuǎn)入剪脹過程,最終破壞形式為剪脹破壞,應(yīng)力應(yīng)變曲線有峰值出現(xiàn)。由于目前受試驗(yàn)條件的限制,室內(nèi)不可能進(jìn)行現(xiàn)場原級配的試驗(yàn)。因此在應(yīng)用室內(nèi)試驗(yàn)成果時(shí)要綜合考慮各方面的研究成果和已建大壩的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并在施工階段不斷的修改和完善。砂礫石料壓實(shí)后具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性。而且,砂礫石料比堆石料更便于開采,造價(jià)相對較低,是一種理想的筑壩材料。根據(jù)本次室內(nèi)試驗(yàn)成果及已有工程經(jīng)驗(yàn),特對旁多工程兩種壩料在工程的應(yīng)用中提出如下初步建議。1)壩基砂礫石料現(xiàn)場密度試驗(yàn)值普遍偏低約為1.9g/cm3―2.0g/cm3,因此,要注意壩基滲漏問題,做好壩基防滲處理。2)本工程的設(shè)計(jì)中考慮了抗震的要求,因此壩殼砂礫石料試驗(yàn)中干密度的控制標(biāo)準(zhǔn)較高,按相對密度0.85控制。由于砂礫石料顆粒磨圓度好,顆粒間咬合力小,所以在施工前要嚴(yán)格進(jìn)行碾壓試驗(yàn),以確定合理的碾壓參數(shù)(如壓實(shí)機(jī)械、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等)。3)粗顆粒含量是決定砂礫石料壓實(shí)密度大小的主要因素。粗粒含量在68%―75%之間可獲得較大的壓實(shí)密度。本次試驗(yàn)的來料基本滿足此要求,但現(xiàn)場要嚴(yán)格控制。4)由于砂礫石料中含有細(xì)顆粒成分,所以存在最劣含水率和最優(yōu)含水率的問題。細(xì)粒含率越大,其壓實(shí)性能受含水率的影響也越明顯。最優(yōu)加水率大約為15%―33%(體積比)。為