覆盖层现场及室内物理力学参数研究 317Word下载.docx

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马尼克3号坝

加拿大

1968

黏土心墙堆石坝

107

126m

马特马克

瑞士

1959

115

100m

谢尔庞松

法国

1966

心墙堆石坝

120m

下峡口

1971

123.5

82m

佐科罗

意大利

1965

沥青斜墙土石坝

117

圣塔扬娜

智力

1995

面板砂砾石坝

113

30m

洛斯卡拉科莱

阿根廷

在建

面板堆石坝

130

25m

*数据引自《利用覆盖层建坝的实践与发展》

国内在覆盖层上建高土石坝工程实例（是否分离已、待且合并1.3.1的表）

表1.12

所属省份

碧口

甘肃

1977

心墙土石坝

102

40m

小浪底

河南

-

斜心墙堆石坝

160

80m

瀑布沟

四川

2009

砾石土心墙堆石坝

186

75m

跷磧

2006

125.5

72m

察汗乌苏

新疆

2008

110

砂卵砾石

长河坝

240

70m

猴子岩

混凝土面板堆石坝

223.5

85.5m

黄金坪

沥青心墙堆石坝

95.5

130m

狮子坪

双江口

待建

314

67.8m

金川

111.5

冶勒

M工程

西藏

土质心墙堆石坝

150

>

500m

西南、西藏地区大部分河流河床中普遍存在深厚覆盖层，厚度一般数十米到百余米，局部河段能达到几百米，尤其是在大渡河、岷江、金沙江、雅砻臧布江上，由于河谷深切造成的上覆深厚覆盖层现象更为显著。

根据河流综合规划及水电开发规划，我国西南、西藏地区诸河还将建设一批调节性能好的高坝大库工程（如表1.11）。

这些高坝大库工程不可避免的遇到深厚覆盖层地基问题。

深厚覆盖层的物理力学特性，如成因、层次、级配、密实度、渗透系数、允许渗透坡降和承载力、抗剪强度、变形模量、应力应变参数、砂层是否液化等因素直接影响大坝稳定、变形，直接关系到能否对河床深厚覆盖层的合理利用与工程处理，因而成为高土石坝坝基处理的关键技术问题之一。

然而，在工程勘测设计阶段，受勘测手段和条件的限制，通常在浅部取样或钻孔取样，获得相应物理力学性指标，但对于覆盖层深部土样是否具有代表性，如何获取设计、地质所需级配组成、密实度、强度、变形和渗透等指标，往往只能参考或对比，难以作出合理的判定。

对于深部含漂卵砾石砂层，采用钻孔取样，受机具和取样技术限制，难以获取直观反映地质条件的样品，且还受地下水等条件影响，尤其对密实度、力学等指标难以获取，而密实度又是对力学性能判定的关键指标，所以钻孔取砂砾石或无黏性砂样难以较准确确定深厚覆盖层的密实度，即便进行深部旁压试验，受钻孔和超径、地下水影响，其指标仍有较大局限性。

鉴于深厚覆盖层研究的重要性及难度，成都院借以施工阶段深溪沟、长河坝和猴子岩等深厚覆盖层深基坑的开挖机会，对深部原生状态覆盖层进行了相应的物理力学研究。

本子题将结合开挖研究成果并搜集汇总岷江、雅鲁藏布江和大渡河流域覆盖层已有资料进行统计分析，对即将或已施工的大渡河流域长河坝、猴子岩、黄金坪、双江口、M等工程的勘察设计有较好的参考价值。

。

1.2

1.3

1.4国内外研究现状和水平（李建国）

深厚覆盖层的地质成因极其复杂，例如金沙江、雅砻江、岷江、大渡河流域的深厚覆盖层，从纵向上看，底部为晚更新世冲积、冰水漂卵砾石层；

中间为晚更新世冰水、崩坡积、堰塞堆积与冲积混合为主加积层，厚度较大，成因复杂；

上部为全新世正常河流相堆积。

深厚覆盖层成因类型的复杂性质，决定了物理力学性质呈现较大的不均匀性，是一种地质条件复杂的地基。

面对复杂的深厚覆盖层，目前国内外的试验研究主要采用在现场开挖坑槽、竖井、沉井及大孔径钻孔等手段获取表层土层的天然密度、含水率、级配及相应的力学指标，对于深部的土层通常采取类比和经验的方式推测确定，难以准确掌握土层客观的性质，且费时耗力；

或通过声波、触探等物探手段对土层性质进行定性的了解，虽快速省力但欠准确。

在“六五”国家科技攻关项目“深厚覆盖层建坝研究”期间，成都院科研所在四川都江堰沙金坝建立了深厚覆盖层综合测试基地，制作大型模拟井，进行了渗透试验测试；

采用地槽拉杆式荷载试验设备进行了表层砂卵石的载荷试验；

铜街子电站左深槽，采用大型土力学槽进行地基模型试验和中型直剪仪进行接触面特性试验研究。

成都院“七五”期间研制成功SD型金刚石双管钻具，具有双级单动机构和磨光的内管，较好地满足了岩芯品质和采取率要求，大大提高了新型钻具在复杂的砂卵石覆盖层钻进的适应性，使岩芯获得率达到90﹪以上，SM植物胶冲洗液配合，可以获取Φ130砂卵石料。

中国水电水利规划设计总院在新疆察汗乌苏水电站，进行了深部旁压试验，并进行了邓肯E~B模型参数反演。

成都院委托长江科学院在双江口、长河坝、猴子岩电站进行了深部旁压试验，并在室内土力学模型槽进行对应旁压试验，获取对应深部砂卵石的密度。

成都勘测设计院科研所依托开挖的深溪沟、长河坝、猴子岩等深厚覆盖层基坑开挖对覆盖层不同深度、部位的土层进行现场及室内试验，结合前期测试手段获取的成果，分析不同测试手段的成果的相关关系及浅部土层和深部同类土层之性质的相关关系，开展了超径砂卵石相对密度研究。

在西藏M电站、在大渡河硬梁包电站进行了深部旁压试验。

中华人民共和国国家标准《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008规定河床深厚砂卵石取样与原位测试，明确采用金刚石钻进的配套技术尚包括植物胶冲洗液配制，原位测试采用重型触探、旁压试验、波速测试等方法互相印证。

目前国内外对深厚覆盖层特性的研究方法体系有待进一步总结与完善，要进一步研究取样方法，结合深部旁压试验获取深部砂卵石密度基础资料，探讨深厚覆盖层级配、密度基本参数获取办法，统计各材料物理力学参数的合理取值范围以及研究参数的内在规律性。

1.5研究内容、思路及技术路径

1.6

1.6.1研究内容（李小泉）

对河床深厚覆盖层上建高土石坝，主要的工程地质问题是由于结构不连续造成的差异沉降、坝基渗漏、渗透变形、地震液化和软弱夹层的剪切破坏。

影响高土石坝渗透、稳定、变形及坝基处理方式的覆盖层参数，是本子题总结与研究的内容。

一般来说覆盖层的颗粒组成可归为以下四类：

①颗粒粗大、磨圆度较好的漂石、卵砾石类；

②块、碎石类；

③颗粒细小的中粗—粉细砂类（层）；

④黏土、粉质粘土、粉土类。

各种颗粒的组成界限往往不明显，漂石、卵砾石类常夹有砂层；

块、碎石与细土相互填充。

鉴于10m以内的覆盖层，可以通过现场开挖坑槽、竖井、沉井及大孔径钻孔等手段获取表层土层的天然密度、含水率、级配及相应的力学指标，同时，高土石坝对地基承载力要求高，通常的黏土、粉土将被挖出，因此，本课题重点研究10m以下的漂石、卵砾石（含砂层）、20m以下的黏土。

我们将重点研究黏土，中粗砂、粉细砂类，漂、卵砾石类。

而各土类侧重关注的问题又不同：

漂石、卵砾石类承载力、强度较高，我们重点关注其渗透变形问题；

黏土、粉质黏土类我们又侧重关注其承载力、强度及变形特性；

中粗—粉细砂类各项指标居中，但又有液化与动强度等关注焦点。

伴随着水电梯级开发的推进，我院积累了西南大量的河床钻探的第一手资料，将研究对象（框定）于西南地区，既便利于深厚覆盖层物理力学参数的研究，也是天然的优势与依托。

西南地区的河床覆盖层，在世界范围内均具较好代表性和典型性，它在正常的河流沉积厚度基础上，由于地壳抬升、冰川运动、滑坡淤堵、泥石流等内外力地质作用，具有冰川水沉积、堰塞沉积、泥石流堆积等典型的加积特征，最具代表性的河流由东向西有岷江、大渡河、雅砻江、金沙江以及西藏的雅鲁藏布江：

如岷江上游映秀电站至茂县十里铺水电站地段河床覆盖层厚达60~100m，金沙江下游新市镇至宜宾河段覆盖层厚度超过100m；

大渡河干流20~134m，大渡河支流南桠河冶勒水电站坝址区覆盖层最大厚度更是达420m以上；

雅砻江河床覆盖层厚度12~50m；

雅鲁藏布江中游河段覆盖层厚度可达120m以上。

分布于这几大流域上诸多水电骨干工程自然面临深厚覆盖层问题，本课题正是依托双江口、猴子岩、长河坝、黄金坪、泸定、深溪沟等典型工程重点探讨，深入总结，现将典型工程的基本资料列表呈现，如表1.31。

典型工程的覆盖层厚度及其基本资料

表1.31

覆盖层厚度

装机规模

（MW）

所属流域（河流）

67.8

2000

大渡河（待建）

80.0

800

大渡河

安宁

94

沥青混凝土心墙堆石坝

60

400

巴底

130.0

100

720

85.5

1700

79.3

2600

泸定

148.6

79.5

920

硬梁包

116.0

闸坝

1170

龙头石

70.0

72.5

700

63.0

3600

深溪沟

55.0

49.5

660

太平驿

260

岷江

420

125

220

大渡河支流南桠河

栗子坪

引水式开发-闸坝

132

500

1920

Y江

*数据引自《水利发电工程地质手册（2011年版）》及各工程不同阶段研究报告

是否放在第1.1？

（1）~（3）河床覆盖层分级：

（1）深厚覆盖层（80~130m），

（2）正常覆盖层（10~20m），（3）深厚覆盖层（30~70m）；

Ⅰ~Ⅲ为区域构造单元：

Ⅰ-甘孜褶皱带，Ⅱ-川滇南北构造带，Ⅲ-四川盆地。

图1.31大渡河干流河床剖面图

1.6.2研究思路及技术路径

本子题项目紧紧围绕影土石坝渗透、稳定、变形及坝基处理方式的深厚覆盖层参数关键因素而开展，研究思路如下：

（1）探讨如何获取深厚覆盖层基本物理参数的方法，重点讨论砂卵石的密度问题。

（2）通过对深溪沟、长河坝和猴子岩等深厚覆盖层的研究，得到不同高程砂卵石的基本物理力学特性，对比以往浅部、钻孔，对比分析两者之间存在的差异，对比分析深部与浅部的力学参数，结合开挖研究成果并搜集汇总岷江、雅鲁藏布江和大渡河流域覆盖层已有资料，统计各材料物理力学参数的合理取值范围以及研究参数的内在规律性。

提出深部力学参数统计值。

（3）通过对深溪沟、长河坝研究，研究深部砂层的物理力学参数，统计各材料物理力学参数的合理取值范围以及研究参数的内在规律性。

（4）通过对M、研究，研究深部黏土的物理力学参数，统计各材料物理力学参数的合理取值范围以及研究参数的内在规律性。

（5）依据规范，提出深部力学参数建议值。

技术路线如下：

图1.32研究思路框图（需修改）

1.7

1.8

1.9

1.10

1.11

1.12

1.13

1.14

1.15

1.16

1.17

1.18

1.19

1.20

1.21

1.22

1.23

1.24

1.25

1.26

1.27

1.28

1.29

1.30

1.31

1.32

1.33主要研究成果（罗欣）

1.34主要创新点

①漂卵砾石层钻孔土密度获取新方法（上覆压力法）

②同层位深基坑密度推测钻孔密度

③覆盖层原状取样或现场获取的渗透及渗透变形参数

④天然砂砾石层的反滤自愈特性（原位样渗透坡降高、加与不加土工布渗透特性无差异）

⑤深部砂层密度的获取新方法（上覆压力法）sm植物胶获取原状样；

标贯法

⑥多年来覆盖层参数研究的统计和归纳（三轴）

⑦巨厚覆盖层上100m深旁压试验

⑧首次将深基坑原位大型物理力学试验与浅层物理力学性试验对比

通过现场旁压对比试验获取深部砂砾石层密度

⑨不同粒径的大型相对密度试验

1.35（社会效益）

渗透变形方面，允许坡降提高，防渗处理方式简化（由全封闭式改为悬挂式）

2深厚覆盖层基本参数测试方法探讨（李建国）

2.1深厚覆盖层基本参数主要测试方法和存在的问题

深厚覆盖层中的砂层、黏土层，通过钻孔或开挖，可以获取原状样，进而获取相应的基本物理参数，而对于深部砂卵石基本物理参数，通常不能进行大开挖而获取原状样，只能通过开挖坑槽、竖井、沉井及大孔径钻孔等手段测试一定深度和部位土层的天然密度、含水率和级配等原始数据，采取类比和经验的方式推测确定，不能较为准确掌握土层客观的性质。

2.2深厚覆盖层基本参数获取新手段探索

“七、五”期间成都院研制成功SD型金刚石双管钻具，具有双级单动机构和磨光的内管，较好地满足了岩芯品质和采取率要求，大大提高了新型钻具在复杂的砂卵石覆盖层钻进的适应性，使岩芯获得率达到90﹪以上，平均回次钻进长度由0.5m提高至1.0m左右。

覆盖层金刚石钻进的配套技术尚包括植物胶冲洗液配制，可以获取Φ130砂卵石料，近于200mm最大粒径的砂卵石料，对力学性无太大影响，也就是说，级配问题基本可以解决。

众所周知，影响砂卵石料力学特性，除开级配之外，还存在着密度因素的影响，由于砂卵石料无胶结性，现场直接测试其密度，虽然可以通过化学注浆或冷冻的方法，但是其代价是巨大的。

因而如何获取深厚覆盖层砂卵石的密度，便成为了确定砂卵石力学指标的关键和难点。

成都勘测设计院科研所对两种方法进行了探讨和尝试，分述如下：

（一）旁压试验法

成都勘测设计院科研所委托长江科学院在双江口、长河坝、猴子岩电站进行了深部旁压试验，并在室内土力学模型槽进行对应旁压试验，获取对应深部砂卵石的密度。

在此，结合双江口电站砂卵石料，对其方法进行简介如下：

（1）模型设计

室内模拟深厚覆盖层的旁压试验和动探试验在模型箱体中进行，由于砂砾石属于粗粒料，尺寸效应对试验成果的影响较大，同时还要承受较大的上覆压力，因此要求模型箱体具备一定的尺寸和较强的刚度，箱体内尺寸为：

0.84m×

0.86m×

1.05m，制作材料采用60mm厚钢板。

模型加压系统采用4个50t千斤顶组成的自反力系统，反力架在加压盖上对称布置，加压盖对角设置位移测量系统，在加压盖的几何中心预留旁压（或动探）孔。

（2）上覆压力选择

在模型试验中，现场砂砾石层的深度是通过在模型上方施加一定的上覆压力来实现的，上覆压力取值为第②、③层砂砾石的平均深度处的自重压力值。

室内模型试验成果为了与现场原位测试数据相比较，第②、③层砂砾石的平均深度取在双江口坝址区进行的现场旁压试验点的平均测试深度。

第②层砂砾石层旁压试验点58个，平均测试深度为25.3m，最大测试深度为39.4m。

上覆压力值为平均测试深度乘以浮容重（干密度取2.00g/cm3，空隙比按照0.35进行计算）得到312kPa。

为探讨上覆压力对试验成果影响，同时反映最大埋置深度砂砾石的受力状态，第②层砂砾石的模型试验上覆压力取300kPa和600kPa。

同理，第③层平均测试深度为8.8m，最大测试深度为18.3m，第③层上覆压力值为平均测试深度乘以浮容重得到110kPa，模型试验的上覆压力取110kPa和220kPa。

（3）级配和密度选择

根据地质勘探资料，砂砾石第②、③层级配包络线如图3-1所示，考虑到第③层级配的上包线、平均线与第②层级配的平均线、下包线基本相同，因此，模型料级配选定第②层的上包线、平均线、下包线及第③层的下包线4种级配。

现场砂砾石有较大粒径，为保证试验成果的稳定性，剔除60mm以上颗粒，进行当量换算所得级配即为模型试验材料的级配。

图2.21双江口水电站坝址区覆盖层砂砾石级配曲线

粗粒料粒径大，目前还无法对其实物试样进行力学性质试验，常采用缩尺后试验结果来推求实际材料的力学性质。

缩尺主要会影响材料的轴向应变与体应变及弹性压缩模量（且影响局限于加荷情况），但对峰值强度无甚影响。

国内外许多学者研究过径径比（即：

最大允许粒径与试样直径之比dmax/D）问题，目前的采用值为0.2。

常用的级配模拟方法主要有3种：

即相似级配法、等重量替代法和剔除法。

相似级配法虽可保持原始级配不均匀系数及曲率系数不变，但却使得细料含量增大，难免影响材料的工程性质；

等重量替代法虽保持细料含量一定，但却造成粗颗粒含量均化，使粗细颗粒填充关系变差，亦会影响材料的工程性质。

剔除法仅适用于超径料含量较少的材料。

由此可见，这3种方法都有其局限性。

本次模型试验砂砾石超径料含量较少，级配采用剔除法。

模型料的密度选取是基于对双江口河床覆盖层天然密度的估计，分别按各级配料的室内重型击实最大干密度的86.4%～95.3%压实度进行控制。

（4）室内旁压试验

按照选取的级配配制砂砾石试样进行相对密度试验，测得该级配下的砂砾石最大干密度和最小干密度。

计算当压实度为86.4%、88.6%、91.3%、95.3%所对应的砂砾石密度，提出砂砾石装样的控制密度。

将旁压探头的保护管（开缝钢管）预埋于模型中间，并与加压盖和封盖中心圆孔对应，将模型总的砂砾石量分成6～8层（视装样密度而定），每层按照选取级配和控制密度进行配制和装样，逐层夯实。

然后加水排气饱和，并加上加压盖，进行加压，压力分别模拟25.0m（300kPa）和50.0m（600kPa）深度砂砾石，第③层砂砾石模拟8.8m（110kPa）和17.6m（220kPa）深度砂砾石，加压后将旁压探头置于保护管内，进行旁压试验，每组旁压试验做2级上覆压力。

旁压试验在上级压力测试完后，卸掉旁压压力，重新加上覆压力，进行下一级压力的旁压试验，按照压力从小到大依次进行试验，直至完成。

为确定砂砾石料的旁压模量与材料的密度、级配、上覆压力的相关关系，为此采用不同密度和级配的双江口河床覆盖层砂砾石料在室内制作了一系列河床覆盖层模型，在模型上进行旁压试验。

大渡河双江口水电站坝址区内河床覆盖层共进行了8孔103点旁压试验，较充分地反映了坝址区内河床覆盖层各层土体的变形特性。

经统计分析后，坝址区河床覆盖层旁压试验成果见表。

双江口河床砂砾石料现场旁压试验成果统计表

表2.21

分层序号

地质分层

试验统计点数

旁压模量（MPa）

③

漂卵砾石

24

6.59～47.12

17.47（14.17）

②

（砂）卵砾石层

58

5.71～21.11

12.79（11.97）

①

漂卵砾石层

21

10.98～29.13

15.68（13.90）

汇总

103

5.71～47.12

14.47（13.47）

最小值~最大值

平均值（标准值）

注：

1代表的含义是：

覆盖层砂砾石的三轴试验和渗透试验要求根据现场密度来进行配制试样，密度是得到三轴试验及渗透试验可靠数据的关键参数。

但是现场钻孔很难获得深部覆盖层较准确的密度参数，根据室内旁压模型试验所得成果，可以推测覆盖层第②、③层砂砾石的密度参数。

由于现场砂砾石的级配范围比较宽，可采用平均级配线来体现第②、③层砂砾石的级配，利用现场旁压试验值的平均值和室内旁压试验密度与旁压值曲线来推求现场的砂砾石密度。

图2.22利用室内旁压试验成果推求现场砂砾石密度参数示意图

（二）压缩试验法

对同一层次不同高程砂卵石料，无论其是否受先期压力或其他地质作用影响，其密度差值应为上覆压力造成，根据这一设想，结合大渡河深溪沟深基坑开挖后，对同一层次不同高程进行的一系列物理性试验，获取了对应的现场密度资料，以表层的密度为制样密度，施加压力模拟现场砂砾石层的深度，其试验成果见表图。

同时，依据统计岷江、大渡河的深部与浅部的砂砾石层密度资料，进行与上述相同试验，其试验成果见表图。

覆盖层研究物理性质试验成果（模拟上覆压力）

表2.22

土样

编号

取土

深度

天然状态土

物理性指标

比

重

颗粒级配组成（颗粒粒径：

mm）

小于

5mm

含量

湿

密

度

干

含

水

率

h

ρ

ρd

W

Gs

200

200~

100~

60~

40

40~

20

20~

10

10~

5

5~

2

2~

0.5

0.5~

0.25

0.25~

0.075

~0.005

<

m

g/cm3

%

％

浅部

10米

2.23

2.18

2.3

2.74

11.21

12.78

13.06

9.01

13.35

9.83

7.01

4.70

9.38

4.14

4.03

1.37

23.61

深部

2.29

2.25

2.0

2.77

17.4

13.4

12.8

8.0

11.2

8.4

6.8

6.4

7.8

2.6

4.0

1.2

22.0

TK5

0~1

2.34

2.31

1.6

2.79

29.80

6.07

7.19