黄河规划设计

西霞院反调节水库现场大型剪切试验研究

李运奎杜卫长(岩土工程与材料科学研究院) [摘要] 西霞院反调节水库电站厂房地基为上第三系软岩，其显著特点为强度低、相变大、岩土性质并存，对电站厂房的稳定极其不利。本文简要讨论了西霞院反调节水库电站厂房地基现场抗剪试验的方法，并对软岩的破坏机理进行了分析和研究，为设计部门验算电站厂房的稳定性提供了参数。[关键词] 软岩剪切试验抗剪强度参数 1 概述西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工程，其开发目标是以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用的大型水利工程，位于黄河中游最后一个峡谷段与下游宽浅河段的过渡河段，距小浪底水利枢纽约16km。该工程规模为大(2)型，属Ⅱ等工程，主要建筑物由挡水土石坝段及河床式电站、排砂洞、泄洪闸和引水闸等混凝土建筑物坝段组成，设计正常高水位134.0m。坝顶总长度为3 122m，总库容1.62亿m3，电站装机容量140MW。土石坝段长2 604.4m，最大坝高21m；混凝土建筑物坝段集中布置右岸滩地，长517.6m，其中电站坝段长179m，最大坝高51.5m。西霞院工程电站厂房地基上第三系地层十分特殊，其显著的特点是：强度低，相变大，岩、土性质并存。为查明电站厂房地基的力学特性，为电站厂房的抗滑稳定分析提供可靠的科学数据。试验布置基本情况见表1。表1 抗剪试验布置基本情况表2 地层岩性本次现场大型剪切试验所做岩性为(粉砂质)粘土岩，密实砂层，微胶结砂层三种，其特征分述如下： (1)(粉砂质)粘土岩：成岩固结较好，一般呈坚硬、硬塑状，局部较软，接近可塑状。岩体局部夹有强度较高的灰色钙质粉砂岩薄层(厚度一般为0.05～0.1m)。由于受构造应力的作用，岩体中小的隐裂隙发育，一般呈闭合状，裂开为镜面，多有擦痕； (2)密实砂层：中砂质纯，基本没有胶结，呈散状； (3)微胶砂层：泥质粉细砂，微胶结。 3 试验方法 (粉砂质)粘土岩的试验(JQ1、JQ2)是按照《水利水电岩石试验规程》(SL264—2001)中的有关规定执行的。试验采用平推法，进行了现场岩体天然含水状态下的快剪试验。剪切面积为2500px×2500px，最大法向应力为560kPa。砂层中的剪切试验(JQ3—JQ5)是按照《土工试验规程》(SL237—1999)中的有关规定执行的。试验采用平推法进行饱和状态下固结快剪试验。剪切面积为1767.5px×1767.5px。最大法向应力：密实砂层为300 kPa，微胶结砂层为400 kPa。 4 试验程序4.1 粘土岩本身以及混凝土与粘土岩接触面试验程序(JQ1、JQ2)4.1.1 试体制备岩体试件制备：首先在试验部位通过开挖探槽探明预定剪切面的具体位置，然后去掉扰动层，将岩体加工成长宽高为2500px×2500px×1625px的试体。在试体加工过程中，为防止天然含水量散失，影响试验成果的可靠性，将草垫用水潮湿后覆盖在岩体试件上，外面再盖上一层塑料薄膜进行保湿处理。制件完成后浇筑钢筋混凝土保护套，浇筑时需预留50px的剪切缝并进行养护。在养护试件的时候将剪切缝里面塞满细砂，使砂保持湿润状态，以防剪切缝水份散失。混凝土试件制备：首先将扰动岩体清除，在预定的剪切位置用手工小锤小手钎将岩体加工成2500px×2500px的平整试面，其起伏差控制在1～50px,然后在其上浇筑2500px×2500px×1700px的混凝土试件。混凝土设计标号为C10。 4.1.2 仪器设备的安装仪器设备的安装包括法向载荷系统安装、剪切载荷系统安装和测量系统安装三部分。在完成堆载平台搭建后进行法向和剪切载荷系统安装，安装示意见图1。安装先后顺序分别为法向系统、剪切系统和测量系统。加载系统的安装要确保法向荷载与剪切荷载的合力作用点位于剪切面中心。图1 剪切试验安装示意图1—剪切缝；2—试件；3—承压板及钢板；4—法向千斤顶；5—传力柱；6—钢垫板；7—水泥砂浆；8—剪向千斤顶；9—舌头板；10—滚珠排；11—变接头；12—主梁；13—次梁；14—堆载荷重； 4.1.3 法向荷载的施加按最大法向应力560kPa等分四级分配给同一组每个试件上,对每个试件法向荷载的施加按分配法向荷载分5级施加,其方法为每隔5min施加一级,加至最后一级荷载后，仍按每5min测读一次，当连续两次法向位移之差不大于0.01mm时，可施加剪向荷载。 4.1.4 剪切荷载的施加预估剪切面的摩擦系数f=0.6，剪切荷载按预估最大值等分10级进行施加。剪切荷载采用时间控制，每隔5min加载一级,当剪切位移增量为前级位移增量的1.5倍时,将级差减半。要求剪切过程中法向荷载应始终保持常数，峰值前不得少于10组读数。试件被剪断时测读剪切荷载峰值，并继续施加剪切荷载,测出基本为恒定值的剪切应力,即残余抗剪强度,直至剪切位移达到37.5px以上。 4.2 砂层本身以及混凝土与砂层接触面试验程序(JQ3—JQ5)4.2.1 试体制备砂层本身试件制备：在预定试验位置，分别将上下剪力盒压入砂层中，边压入砂层边削去剪力盒外面的砂，直至预定剪切位置为止。剪力盒与试样之间的孔隙用细砂填实，上下盒之间预留25px的剪切缝。剪力盒内尺寸为1767.5px×1767.5px，上盒高750px，下盒高375px。剪切盒形状及安装见图2。剪力盒安好后四周打上围堰，对剪切面进行浸水养护。混凝土试件制备：在预定试验位置，将砂层表面整平，然后在其上浇筑1767.5px×1767.5px×750px的混凝土试件，混凝土设计标号为C10。试件养护7～10天后开始试验，试验前在试件四周打上围堰，对剪切面进行浸水养护。图2 砂剪切试验剪切盒安装示意图 4.2.2 仪器设备的安装仪器设备的安装包括法向载荷系统安装、剪切载荷系统安装和测量系统安装三部分。安装形式和要求基本同图1。 4.2.3 法向荷载的施加最大法向应力密实砂层为300kPa，微胶结砂层为400 kPa。对每个试件法向荷载的施加，按所分配法向荷载等分3级进行施加,其方法为每隔5min施加一级,加至最后一级荷载后，按每1h测读一次，当法向变形达到0.01mm/h固结稳定时，可开始剪切。 4.2.4 剪切荷载的施加剪切荷载的施加采用应力控制，第一级荷载约为法向荷载的1/10，以后逐级减小，使其剪切破坏时的最后一级荷载约为法向荷载的1/20。施加剪向荷载的速率为1级/min，控制在20 min内达到剪切破坏。 5 试验成果剪切试验结束以后，根据实际剪切面积，求得各级荷载下的法向应力及剪应力，绘制剪应力(τ)与剪切位移(us)以及法向位移(un)关系曲线,根据曲线取峰值强度求得各试点的抗剪断及残余抗剪强度指标。通过对试验数据的分析整理，用图解法求出各组试验的抗剪强度指标(c、f)，并用最小二乘法校核。其结果见表2。 6 试验成果分析粘土岩本身(JQ1)：岩体本身破坏强度主要受控于岩体本身强度以及岩体中结构面的分布及其组合所表现的综合强度。西霞院工程厂房地基粘土岩本身强度较低，另外受构造作用的影响，岩体中微裂隙发育，呈闭合状，裂开有镜面，结构面强度较低。从试验后剪切面的地质描述看，剪切面起伏差均较大，破坏面一部分是沿裂隙组合面破坏，一部分是岩体本身剪断。这充分说明了软岩的强度受控与结构面的组合情况以及岩体本身的强度。沿组合结构面破坏的试体，其强度较低，岩体本身破坏的试体强度则较高。混凝土与粘土岩接触面(JQ2)：剪切面均较平整，最大起伏差100px，一般1～50px，擦痕明显，破坏面均发生在混凝土与粘土岩接触面上。为脆性破坏。砂层中的抗剪试验(JQ3—JQ5)：从试验过程及剪应力与剪切变形的关系曲线看，随着剪应力的增加，剪切位移逐渐增大，剪切破坏时剪切位移均在5mm以上，为塑性破坏。剪切面较平整，起伏差较小，混凝土剪切面上粘结有砂层，剪切破坏是沿砂层表层破坏。 7 结束语目前国内对软岩及砂层所作的现场剪切试验较少，本次现场试验模拟了电站厂房地基实际受力状况，解决了软岩及砂层现场剪切试验的一些问题，为软岩的研究积累了资料。所作的各组试验τ—σ线性关系较好，试验较真实地反映了所做岩土体的抗剪强度特性。