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摘 要： 摘要：以四川大渡河某水電站工程壩址地質勘察為背景，統計壩址區河床覆蓋層物理力學參數，從試驗方法和合理性2個方面探討物理力學參數取值方法。結果表明，試驗方法對河床覆蓋層物理力學參數有較大的影響，試驗探究時應選擇貼近實際的試驗材料和儀器;不同的
摘要：以四川大渡河某水電站工程壩址地質勘察為背景，統計壩址區河床覆蓋層物理力學參數，從試驗方法和合理性2個方面探討物理力學參數取值方法。結果表明，試驗方法對河床覆蓋層物理力學參數有較大的影響，試驗探究時應選擇貼近實際的試驗材料和儀器;不同的取值方法導致所得的參數離散性較大，為保證參數的合理性，需進行大量的對比分析;初步判斷，河床覆蓋層物理力學性狀較好，可修建100m級大型土石壩，但存在壩基滲漏、壩基沉降、滲流破壞等工程地質問題。研究成果為該工程后期設計提供可靠的物理力學參數，也可為類似地區地質勘察提供參考。
關鍵詞：壩址區;河床覆蓋層;物理力學參數;參數取值;試驗方法
0引言
一直以來，水利水電工程建設前期都需要進行大量的地質調查與地質評價，其中針對工程區巖土體物理力學特性進行匯總分析是地質研究的關鍵，是為工程區提供設計方案的依據。地質勘察多利用鉆探確定不同巖層深度及類型，再通過室內試驗和原位試驗初步確定各層巖體的物理力學參數，這樣得到的參數是否可以以點概面，即如何保證各層巖土體物理力學參數的合理性，是當下研究的熱點之一。目前，在綜合考慮多因素、多方法取得各巖層物理力學參數值方面，國內眾多學者做了大量的研究工作，靳鍇、唐鳴發[1]以西南某巨型水電站為例，介紹巖體物理力學試驗的方法及巖體物理力學參數選取原則。李鵬、焦振華[2]針對不同變異性的物理力學參數進行分析，提出數據統計時需采用不同的方法。對水利水電工程地質參數取值存在的問題也有工程界學者[3-5]進行探究。考慮研究區域地形地貌及水文條件，尋找各物理力學參數的相關性并建立它們之間的關系，可為具體工程物理力學參數的選取提供便利，同時也可對各參數選取的合理性進行校正，有關學者[6-7]也對此展開了研究。
綜上，水利水電工程地質勘察中對各巖層物理力學參數的獲取和選擇是具有差異的，采取的方法是不同的，但都應從實際水文地質條件、工程應用及土性變化情況出發，多角度對比分析，最終選取合理的參數，為工程設計提供可靠依據。本文以四川大渡河某水電站工程壩址勘察為工程背景，統計了壩址河床覆蓋層物理力學參數，從試驗方法和合理性2個方面探討了物理力學參數取值的方法，對工程區的地質條件進行了初步判斷。
1工程概況
四川大渡河某水電站壩址位于四川省金川縣城以北約12km、大渡河右岸支流新扎溝匯合口以上長約1km的河段上。該工程壩址區河床覆蓋層平均厚度約47.27m，最大厚度可達65m，主要為含漂石砂卵礫石、砂卵礫石及少量細砂透鏡體組成。為全面、系統地研究壩址河床覆蓋層工程地質特性，進行了大量細致的勘探、試驗及分析研究工作。河床覆蓋層的勘探、試驗平面布置見圖1。
2河床覆蓋層工程特性
為了解河床覆蓋層的物理力學性質，共對35組鉆孔樣進行了物性試驗，根據覆蓋層的物質組成(顆粒粒度)、層位分布、成因類型及工程特性，將河床覆蓋層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3大巖組。根據河床覆蓋層的室內試驗、原位測試試驗及相關科研成果，統計各巖組的物理力學參數，為參數取值及分析提供基礎數據。
2.1覆蓋層物理特性成果統計
根據河床覆蓋層巖組劃分情況，通過對河床覆蓋層顆粒分析試驗結果總結，獲得河床覆蓋層各巖組的顆粒最終統計結果，見表1。各巖組顆粒級配累計曲線見圖2。
通過顆粒級配累計曲線可獲得覆蓋層各巖組的級配特征或粒度成分的相關指標。河床覆蓋層各巖組的級配特征或粒度成分的相關指標統計見表2。根據河床覆蓋層各巖組的顆分試驗結果，應用Cu和Cc對土的均勻性進行判別。通過河床覆蓋層的級配特征或粒度成分相關指標可以判定，河床覆蓋層Ⅰ、Ⅲ巖組的顆粒級配不良，屬巨粒混合土;Ⅱ巖組的顆粒級配良好，顆粒略細，為含細粒土礫。
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表征土的物理性質的指標很多，其中最基本的物理性質指標有土的比重Gs、土的含水量w和土的密度ρ，這3個指標一般可由室內土工試驗直接測定，其他物理指標可以通過這3個基本指標換算獲得。由于鉆孔試樣改變了天然的狀態，所以無法通過室內試驗獲取土的天然密度、干密度、孔隙比、含水率等指標。試驗成果統計見表3。針對壩基覆蓋層Ⅲ巖組專門進行了30組物理性試驗，成果統計見表4。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ巖組從顆粒級配組成上同屬粗粒土，而粗粒土的密實程度是粗粒土的物理性質研究的一項重要內容。通過對粗粒土的密實程度的研究，不僅可以了解其物理狀態，而且能夠初步判定其一些工程特性。根據河床覆蓋層粗粒土各巖組的顆粒特征(土類型)，結合粗粒土各巖組的已有試驗資料，對河床覆蓋層粗粒土各巖組采用指標法和原位測試法判斷各巖組的密實度。
(1)物理指標法。根據GB50123—2019《土工試驗方法標準》[8]中粗粒土的相對密實度可以評判其密實度，相對密實度與碎石土密實度的關系見表5。為此，對壩址區3個巖組所含砂層鉆孔樣進行了11組相對密度試驗，試驗前先通過5mm篩進行篩分，統計室內試驗得到各巖組密實度結果為：各巖組的相對密實度在0.7～0.9范圍內，整體呈密實狀態。
(2)原位測試法。由于河床覆蓋層含大量漂石、卵石，采用GB50021—2001《巖土工程勘察規范》[9]中超重型動力觸探N120進行原位測試。觸探擊數N120與碎石土密實度的關系見表6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層重型動力觸探桿長校正擊數N120為8.05～9.35，整體呈中密狀態。
2.2覆蓋層力學特性成果統計
為研究河床覆蓋層的力學性質，在壩址河床覆蓋層進行了一系列室內土工試驗和原位測試試驗，不僅為研究河床覆蓋層的力學性質提供準確可靠的試驗測試資料，而且通過這些試驗測試資料能夠獲得準確可靠的力學指標，為水電站設計的經濟合理性提供可靠的地質參數。限于篇幅，以下僅對Ⅲ巖組的力學參數進行統計。
2.2.1力學特性試驗
Ⅲ巖組室內力學試驗成果見表7。壓縮系數av(0.1～0.2MPa)均值為0.01MPa-1，壓縮模量Es均值為147.03MPa，屬低壓縮性土;臨界坡降均值為0.22，破壞坡降均值為0.49，滲透系數為均值2.32×10-1cm/s，呈管涌破壞，屬強透水性土層;內摩擦角為均值41.5，粘聚力為均值83kPa。總體認為，作為壩基的Ⅲ巖組具有低壓縮、強透水的特點。采用大型高壓三軸試驗機對Ⅲ巖組砂卵礫石進行剪切試驗，同室內力學試驗條件相同，施加圍壓0.80～2.40MPa。三軸剪切試驗成果見表8
2.2.2原位測試力學特性試驗
針對Ⅲ巖組在工程現場進行了大型荷載試驗、大型剪切試驗、管涌試驗，試驗成果見表9。壩址區覆蓋層主要為漂卵石、含卵砂石、砂石層與砂層，鉆孔地震縱橫波測試成果統計見表10。由于跨孔地震波測試是在下有套管的孔中進行的，再加上地震波要穿透3～5m距離，因此地震波數據是地層的綜合反映，對覆蓋層的細節反映不靈敏。
3河床覆蓋層物理力學參數取值分析
3.1試驗方法對物理力學參數取值的影響
前文統計了室內、現場測試試驗的物理力學參數，而很多參數是由不同的試驗方法得到，試驗方法對這些參數是如何影響的，是參數取值的關鍵問題。選取河床覆蓋層部分物理力學參數進行探討，以便為后期參數的取值提供參考。
(1)試驗方法對各巖組密實度的影響。從本文采用的物理指標和原位測試2種方法對土層密實度的分析結果發現，指標法分析成果普遍高于原位測試法。這主要是由于指標法室內試驗的局限性造成的，室內密實度試驗無論采用錘擊法還是振動法都對試樣中的粗大顆粒剔除，使土粒排列更為緊密。相比而言，原位測試法分析成果更能反應土體賦存的真實狀態。
(2)試驗方法對Ⅲ巖組強度參數的影響。為了獲取Ⅲ巖組的強度參數，分別進行了直剪和三軸剪試驗，獲得的抗剪強度參數值c、φ存在差異，內摩擦角值基本接近，均值分別為41.5°、45.21°;粘聚力差別大，均值分別為83、12.7kPa。三軸剪切試驗考慮了周圍壓力、土體的真實破壞狀態，因此試驗結果更可靠。
(3)試驗方法對各巖組滲透系數的影響。對比室內與現場原位測試結果，室內滲水試驗結果偏大，是現場原位測試結果的10~100倍。這種巨大的差異主要是因為室內試驗時沒有完全模擬現場情況，如土顆粒級配、土體內部結構、尺寸效應、溫度變化等因素，本文研究的土類為粗顆粒土，滲水路徑很重要，現場原位測試能夠較好地貼近實際情況。
3.2力學參數取值合理性分析
通過試驗方法得到的參數不一定完全滿足工程需要，若試驗結果差異很大，往往需要以實際地質條件，客觀地對試驗成果論證后選取力學參數。本文根據河床覆蓋層的力學試驗成果，依據相關規范和手冊，結合河床覆蓋層各巖組的性狀特征，對河床覆蓋層各巖組的力學參數取值按照水力特征參數、變形性參數(壓縮性參數)、抗剪強度參數、非線性應力應變參數和地基土承載力等幾方面分別研究河床覆蓋層的力學參數取值。——論文作者：李樹武1,2，魯博2，張林3