4.3.2.1 梨园水电站下咱日堆积体
金沙江梨园水电站位于金沙江中游河段上，坝址区分布多个混合成因的堆积体，其中的下咱日堆积体分布于左岸坝前，为坝址区规模最大的一个堆积体，在平面形态上类似于扇形，其前缘顺河长约1800m，宽约1200m，后缘高程约1750.00m，方量约9600万m3。由于堆积体紧靠坝址上游左岸，堆积体下游部分为电站引水隧洞进口所在地，并延伸至左岸坝基，与工程关系密切。其稳定性对大坝及其他枢纽建筑物影响较大，因此针对堆积体进行了重点勘察与试验，并分别联合中科院地质与地球物理研究所和河海大学进行了专题研究。为了能够准确获取构成堆积体各类岩土体的物理力学参数，以更好地研究其稳定性问题，先后完成的试验工作内容包括水平推剪14组、大尺度直剪12组；大型颗分试验7组、现场颗分试验25组；现场渗透试验6组、钻孔内常水头注水试验40组；现场载荷试验3点；堆积体混合试样室内三轴压缩试验4组；同时采用数字图像处理技术对平洞所揭露的堆积体岩土进行了大面积粒度分析试验。由于颗分及密度试验、渗透试验、注水试验、载荷试验及堆积体混合试样室内三轴压缩试验较为常规。下面重点对现场大尺度水平推剪试验、直剪试验及数字图像处理技术加以介绍。
1.大尺度水平推剪试验
(1)试验选点。根据现场试验条件及构成下咱日堆积体的各类岩土介质的物理力学性质，野外试验研究中对表层崩坡积层、具有中等胶结的灰白色碎块石土及冰水沉积的层状砂砾石等三类岩土介质进行了大尺度水平推剪试验。累计试验个数共14个。其中堆积体表部的较松散崩坡积层5点，基本上由碎块石、孤石等组成，含石量高且颗粒直径普遍较大，细粒含量低；其余9个点均布置于堆积体前缘表部的河流相砂卵砾石层，其中有2点布置于PD209平洞洞深约30～40m段。
(2)试验步骤及方法。在选定的试验点，挖掉表层土，并根据要制备的试样尺寸开挖有三个临空面的试样。正面为施加推力设备(千斤顶)的安装坑，宽度根据设备而定；一侧面开挖宽度为20 cm左右的小槽，为观察滑面的变形破坏过程，另一侧面开挖宽度为1.5 m左右作为观察面。开挖过程中，同时测定土体的天然容重并进行土石颗粒含量分析，完毕后对开挖剖面进行现场拍照，最后将预留的三个临空面用黏土找平，厚度约1 cm。试样尺寸应满足：试样高度应大于大粒径的5倍，宽高比为1/3～1/4。试样尺寸均为100cm×100cm×40cm，分天然和浸水两种状态进行。
为观测堆积体在变形破坏过程中碎石的运动路径，在开挖试样两侧面(观察面)放置厚度约为1.5cm的有机玻璃板，并用钢钎及拉杆固定，以防止侧向位移，在试验过程中的不同变形破坏阶段对其进行数码照相，追踪其碎石运动轨迹。在试样的正面分别依次安装钢板(钢板内侧涂抹润滑油并务必使其直立与试样侧面紧贴)、枕木及施加推力的千斤顶，同时安装测量用的大量程百分表和油压表等测试设备，见图4.2。
对于进行浸水条件下试验的样体，设备安装完毕后，在试样顶面连续均匀喷水，使得试样浸水约24h(具体时间可根据当地土石混合体的透水性来确定)，并选取临近土体进行试验以测定喷水速率，使水完全渗透入试样中。为保证试样在整个试验过程中完全浸水，要在试样顶面进行全程喷水，并根据需要确定喷水速率，本试验中选取喷水速率约为100L/h，试验之前24h进行预喷水。
图4.2 水平推剪试验设备安装示意图
1—试样；2—钢板；3—百分表；4—水平千斤顶；5—枕木
待准备完毕后，开始摇动千斤顶分级施加水平推力，控制加荷速率使变形速率控制在每15～20s内的水平位移在2mm左右。每分钟记录一次百分表及压力表的读数，确定最大水平推力Pmax及最小的水平推力Pmin。
图4.3显示了天然状态及浸水条件下堆积体水平推剪试验现场装置。图4.4显示了试样破坏后的三维滑动破坏面形态。从图中可以看出，这类具有高度不均质特征的岩土体的剪切破坏面在很大程度上受控与其内部的块石空间分布特征，且其滑动面具有不规则特征。这从另一个方面也说明了，块石粒径、形态及空间分布状态在很大程度上控制了这类岩土介质的破坏特征。
图4.3 现场水平推剪试验装置
图4.4 试样三维滑动破坏面
(3)成果分析。试验完毕后，对试样破坏面的三维形态进行测量、描绘，并测定试样的粒度组成，以研究其力学特性与粒度成分之间的关系。其中位于表层松散的崩坡积层经现场测定其含石量超过40%，对于河流相冲积卵砾石层含石量经现场测定约20%～30%。利用HPT-3D野外水平推剪试验数据处理系统，直接计算各试样的抗剪强度参数。根据试验成果，崩坡积层天然状态黏聚力2.9～5.1kPa，内摩擦角34.3°～39.6°；浸水状态下黏聚力0.47～0.87kPa，内摩擦角38.5°～39.5°。河流相冲积卵砾石层天然状态黏聚力4.2～5.2kPa，内摩擦角20.5°～24.7°；浸水状态下黏聚力3.9～4.2kPa，内摩擦角25.2°～28.6°。试验成果表明：表部崩坡积层由于含石量高、粒径大，因此具较高的内摩擦角，且天然与浸水状态差别不大，相比较黏聚力较低；河流相的砂卵砾石层由于各试验点粒度组成的差异以及受地表表生改造程度不同，成果具有一定差异，但总体上反映出抗剪强度偏低，且天然与浸水两种状态成果异常。另外一方面，从成果反映出天然与浸水两种状态下抗剪强度差别不大，在一定程度上可说明该类物质的含水量的变化对抗剪强度影响不大。
2.堆积体大尺度直剪试验
(1)试验选点。对于平洞所揭露的泥质充填的堆积体及架空结构的土石混合体层，由于其组成物质内部块体较大，难于成样，且洞内试验条件较差，对该类岩土介质在地表进行了12组野外重塑大尺度直剪(快剪)试验，以获取相应的物理力学参数。
(2)试验步骤及方法。试验台采用混凝土预置，首先在选择的试验场地开挖一深为30cm左右的坑槽，宽度等于或略大于试样宽度，长度根据试验设备(千斤顶长度)、试样长度等来确定。待坑槽开挖完毕后，用碎石充填并夯实，然后在其中灌注水泥砂浆，并预置成见图4.5的试验台。
图4.5 野外大尺度重塑样直剪试验台
在本项目研究过程中，采用的试样尺寸为：长60cm，宽60cm，上下剪切盒高度40cm。在进行土石混合体的直剪试验时，上下剪切盒之间的预留剪切缝高度为6cm。
制作上剪切盒：根据试验需求制定相应尺寸的剪切盒。剪切盒应具有一定的刚性，以保证在直剪过程中本身不会发生变形。本项目在进行过程中，由于现场条件的限制难以进行钢板加工，因此采用25mm厚的木板代替钢板，用钢钉钉制，并且用钢绞线捆绑以防止剪切盒胀裂。剪切盒尺寸60cm×60cm×40cm(长×宽×高)。
安装反压系统：直剪试验过程中的反压装置可以采用洞顶反压、侧壁摩擦反压、地锚反压及堆载反压等。本项目采用堆载反压法，见图4.6。
试样制作：根据现场试验岩土体的颗粒级配，配置相应粒度的试验土体，将其分层填放入剪切盒中予以夯实。分层夯实厚度约为15cm，当填放下一层时应将夯实层面挖松5cm左右，以保证相邻两层直剪具有良好的接触。试样制作过程中保证上、下剪切盒之间留有约8cm预留剪切缝。
图4.6 野外大尺度重塑样直剪试验装置
1—千斤顶；2—垫枕；3—百分表；4—剪切盒；5—滑动钢板；6—反压载荷；7—枕木
试验装置的安装及试验进行步骤按照《水利水电工程粗粒土试验规程》(DL/T 5356—2006)进行。
(3)成果分析。根据对冰碛物的粒度分析，该类物质粒径大于2cm的含石量分布范围为30%～70%之间，平均含石量约为52%，属于混合巨粒土-巨砾混合土范畴。因此在试样制作过程中将试样的“块石”粒径大小限制在2～35cm，粒径大于35cm的块石采用粒径为30～35cm的块石来代替，按含石量(即粒径大于2cm的块石含量)分别为0%、30%、50%及70%进行了4组直剪试验，直剪试验剪应力-位移关系曲线见图4.7。
图4.7 野外大型直剪试验剪应力-位移关系曲线
通过对各组试样获取的抗剪强度与法向应力的关系对其进行拟合，并绘制相应的拟合曲线，从而求取其相应的抗剪强度参数。试验结果见表4.6。其中含石量50%的代表泥质胶结的冰水堆积层，含石量70%代表具有架空结构的冰水堆积层。
表4.6 野外大尺度重塑样直剪试验成果
试验成果反映出随含石量的增加内摩擦角增加较为明显，黏聚力总体上较低，且黏聚力随含石量增加而降低。通过对冰碛物中的两类物质即泥质胶结的冰碛物和具架空结构冰碛物粒径大于2cm的含石量的统计分析，泥质胶结的冰碛物含石量在50%左右，而具架空结构冰碛物含石量一般在70%以上，该两类物质的抗剪强度指标可近似的类比野外大尺度重塑样直剪试验成果中相应含石量对应的抗剪成果。
3.数字图像处理
为了明确下咱日堆积体内部分布岩土介质的粒度组成，为其抗剪强度研究提供依据，采用数字图像处理技术对PD209所揭露的堆积体岩土进行了大面积粒度分析试验。
根据前述直剪试验方案，试样尺寸60cm×60cm，其土石阈值为3cm，即粒径小于3cm的颗粒将被视为“土体”成分。试验采用土石阈值为2cm，因此对图像所显示的粒径大于2cm的颗粒进行统计，图4.8显示了两组图像颗粒提取过程。
图4.8 基于数字图像处理技术对PD209内揭露冰水堆积层(土石混合体)进行粒度分析
根据上述方法，对7组图像进行相应的粒度分析，见图4.9。根据上述粒度分析成果，可知其含石量约为52%，且可得内部块石粒组分布频率图(图4.10)。
图4.9 粒度分析成果图
图4.10 实测各块石粒组频率分布图
4.3.2.2 泗南江水电站1号崩塌堆积体
泗南江水电站位于云南省李仙江上游泗南江下游河段上，混凝土面板堆石坝坝高115m。1号崩塌堆积体位于左岸坝轴线下游坝基部位，分布范围大，自河床起分布高差约220m，为崩积混坡积物，厚度多在20～30m间，勘探揭露最大垂直埋深33.3m、最大水平埋深42m，表层0～3m存在较明显的架空现象，且空洞多为不连续分布的不规则小孔洞或小缝隙(孔洞直径多在5～15cm间，少数达25cm)；除少部分因地下水冲蚀形成长度0.5～2.5m的块碎石夹角砾、较松散段外，大部地段块石之间普遍为砾质土充填，密实度以稍密为主(图4.11)。为查明1号崩塌堆积体的分布情况、料物特性，研究分析其物理力学特性，进行了现场勘探及室内外试验，包括堆积体的天然密度、颗粒组成、室内三轴试验、原位载荷试验，分析其承载及变形能力、透水性及渗透稳定性，并为有限元及坝坡稳定分析提出计算参数。
图4.11 泗南江水电站左岸坝间堆积体
(1)物理性试验。从崩塌体中取样3组进行各项物理特性试验。3组细料界限含水率均为低液限土。1号、3号料含大于5mm粗砾较多达70%以上，而2号粗粒含量较少，级配相应较细。堆积体按分类定名为含细粒土砾和碎石混合土，相对密度试验成果见表4.7。
表4.7 泗南江水电站左岸1号崩塌堆积体相对密度试验成果表
(2)三轴强度试验。对1号崩塌堆积体所取三组土料进行饱和固结排水(CD)三轴试验，试验围压σ3=0.1MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa。崩塌堆积体三轴强度试验成果见表4.8。(www.xing528.com)
(3)场载荷试验。现场载荷试验4点，试验成果见表4.9。
表4.8 崩塌堆积体三轴强度试验成果表
表4.9 崩塌堆积体载荷试验成果表
现场原位试验表明，不同测点试验结果相差很大，其承载力为0.11～0.953MPa，变形模量为5.17～56.764MPa，1号和4号测点变形模量和承载力试验结果比2号和3号测点试验结果大5倍以上，说明崩塌体的工程特性分布很不均匀。试验结果差异的原因还与测点以下块石的存在有关，测点下如有较大石块，受压时不易破碎，可能导致试验所得的变形模量和承载力偏高，1号和4号测点遇大石块，其测值可能偏高。从2号、3号测点试验结果来看，其承载力和变形模量相当低，表明测点下崩塌体石块颗粒小，且密度低。试验结果充分反映崩塌体性质复杂，因此认真分析崩塌体对坝体的影响是必要的。
经试验研究分析表明采取一定措施后，1号崩塌堆积体可以作为堆石体基础加以保留利用。避免了开挖后形成的高边坡，既节省工程投资，又缩短建设工期，经济效益明显。
4.3.2.3 其宗水电站河床深厚覆盖层
其宗水电站河床深厚覆盖层厚度一般为60～90m。按成因类型由下至上可划分为3大层5小层，见图3.9。为研究覆盖层的分布及工程地质特性，采用了取原状及扰动样室内试验，开展了动力触探(粗粒土)、标准贯入(细粒土)、超重型动力触探、抽注水、颗分、原位平板静载、旁压试验、剪切波速及动剪切模量测试、软土的静力触探、软土及粉细砂的十字板剪切、综合测井等综合试验手段。完成的试验工作量见表4.10。
表4.10 其宗水电站坝址深厚覆盖层试验工作量表
续表
1.覆盖层原位测试成果
(1)重型动力触探。根据重型动力触探试验成果，各土层的承载力及变形模量参数见表4.11。
表4.11 通过重型动力触探试验得到的覆盖层力学参数
(2)标贯试验。标贯试验主要针对钻孔中的粉砂层进行的，依据试验成果获得的各层土的承载力和变形模量参数见表4.12。
表4.12 河床覆盖层标准贯入试验成果表
(3)浅层平板载荷试验。本次在下坝址选择三个试验区开展河床覆盖层浅层平板载荷试验，每区选取三个试验点进行试验，试验成果见表4.13。
表4.13 河床覆盖层浅层平板载荷试验成果汇总表
(4)旁压试验。旁压试验采用预压式旁压试验(PMT)，是通过旁压器在预先打好的钻孔中对孔壁施加压力，使土体产生变形，测出压力和变形关系，用弹塑性理论计算地基土的变形模量和地基承载力。各土层测试成果见表4.14。
表4.14 河床覆盖层旁压试验成果汇总表
(5)刚性承压板法孔壁变形测试。其宗水电站坝址河床覆盖层钻孔变形模量测试结果见表4.15。
表4.15 河床覆盖层变形模量测试成果表
(6)静力载荷试验。在下坝址右岸和上游围堰左岸河漫滩和Ⅰ级阶地前缘表部分布的粉细砂层开展静载试验，共完成9点，粉细砂层承载力特征值fak为280.9k Pa，试验成果见表4.16。
表4.16 河床覆盖层静力载荷试验成果表
(7)十字板剪切试验。在下坝址河漫滩和Ⅰ级阶地前缘表部分布的粉细砂层开展了试验，共完成两孔7点，试验成果见表4.17。
表4.17 河床覆盖层浅部粉细砂层十字板剪切试验成果表
(8)剪切波速测试。冲积层剪切波速测试成果测试成果显示：坝址河床覆盖层各土层剪切波速均较高。各土层剪切波速统计成果见表4.18，由于测点较少，统计时未考虑深度修正。
表4.18 河床覆盖层剪切波速测试成果分层统计表
(9)抽、注水试验。对河床覆盖层进行了6组抽水试验和6组注水试验，试验成果见表4.19和表4.20。
表4.19 河床覆盖层抽水试验成果汇总表
表4.20 河床覆盖层注水试验成果汇总表
2.覆盖层室内试验成果
(1)原状土物理力学性试验。根据钻孔内取得细粒土(粉质黏土、粉土、粉砂、细砂及砾砂)原状样17组进行室内土工试验，成果表明：粉质黏土平均天然密度为2.01g/cm3，孔隙比为0.7，塑性指数为13.34，压缩模量为9.12MPa，浸水快剪强度φ=24.19°，c=32.96k Pa；粉砂平均天然密度2.11g/cm3，孔隙比0.9，塑性指数6.4，压缩模量11.7MPa，浸水快剪强度φ=26.37°，c=23k Pa。
(2)粗粒土三轴剪切试验。在下坝址河床覆盖层③-1层的表层采集4个样进行三轴剪切试验，最大粒径为60cm的混合土的三轴剪切试验，成果(屈服值)见表4.21。
表4.21 粗粒土室内大剪试验结果(最大粒径为60cm)
(3)直剪试验。从坝址覆盖层的砂层中采集了4个样品单独进行直剪试验，试验成果(屈服值)见表4.22。
表4.22 砂层室内直剪试验结果
(4)颗分试验。河床覆盖层各层(①、②-1、②-2、③-1、③-2五层)土样113组颗分试验成果见图4.12。(采样过程中去掉粒径大于200mm的漂石)。
图4.12 河床覆盖层颗分曲线
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