摘要：以四川大渡河某水电站工程坝址地质勘察为背景，统计坝址区河床覆盖层物理力学参数，从试验方法和合理性2个方面探讨物理力学参数取值方法。结果表明，试验方法对河床覆盖层物理力学参数有较大的影响，试验探究时应选择贴近实际的试验材料和仪器;不同的取值方法导致所得的参数离散性较大，为保证参数的合理性，需进行大量的对比分析;初步判断，河床覆盖层物理力学性状较好，可修建100m级大型土石坝，但存在坝基渗漏、坝基沉降、渗流破坏等工程地质问题。研究成果为该工程后期设计提供可靠的物理力学参数，也可为类似地区地质勘察提供参考。
关键词：坝址区;河床覆盖层;物理力学参数;参数取值;试验方法
0引言
一直以来，水利水电工程建设前期都需要进行大量的地质调查与地质评价，其中针对工程区岩土体物理力学特性进行汇总分析是地质研究的关键，是为工程区提供设计方案的依据。地质勘察多利用钻探确定不同岩层深度及类型，再通过室内试验和原位试验初步确定各层岩体的物理力学参数，这样得到的参数是否可以以点概面，即如何保证各层岩土体物理力学参数的合理性，是当下研究的热点之一。目前，在综合考虑多因素、多方法取得各岩层物理力学参数值方面，国内众多学者做了大量的研究工作，靳锴、唐鸣发[1]以西南某巨型水电站为例，介绍岩体物理力学试验的方法及岩体物理力学参数选取原则。李鹏、焦振华[2]针对不同变异性的物理力学参数进行分析，提出数据统计时需采用不同的方法。对水利水电工程地质参数取值存在的问题也有工程界学者[3-5]进行探究。考虑研究区域地形地貌及水文条件，寻找各物理力学参数的相关性并建立它们之间的关系，可为具体工程物理力学参数的选取提供便利，同时也可对各参数选取的合理性进行校正，有关学者[6-7]也对此展开了研究。
综上，水利水电工程地质勘察中对各岩层物理力学参数的获取和选择是具有差异的，采取的方法是不同的，但都应从实际水文地质条件、工程应用及土性变化情况出发，多角度对比分析，最终选取合理的参数，为工程设计提供可靠依据。本文以四川大渡河某水电站工程坝址勘察为工程背景，统计了坝址河床覆盖层物理力学参数，从试验方法和合理性2个方面探讨了物理力学参数取值的方法，对工程区的地质条件进行了初步判断。
1工程概况
四川大渡河某水电站坝址位于四川省金川县城以北约12km、大渡河右岸支流新扎沟汇合口以上长约1km的河段上。该工程坝址区河床覆盖层平均厚度约47.27m，最大厚度可达65m，主要为含漂石砂卵砾石、砂卵砾石及少量细砂透镜体组成。为全面、系统地研究坝址河床覆盖层工程地质特性，进行了大量细致的勘探、试验及分析研究工作。河床覆盖层的勘探、试验平面布置见图1。
2河床覆盖层工程特性
为了解河床覆盖层的物理力学性质，共对35组钻孔样进行了物性试验，根据覆盖层的物质组成(颗粒粒度)、层位分布、成因类型及工程特性，将河床覆盖层分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3大岩组。根据河床覆盖层的室内试验、原位测试试验及相关科研成果，统计各岩组的物理力学参数，为参数取值及分析提供基础数据。
2.1覆盖层物理特性成果统计
根据河床覆盖层岩组划分情况，通过对河床覆盖层颗粒分析试验结果总结，获得河床覆盖层各岩组的颗粒最终统计结果，见表1。各岩组颗粒级配累计曲线见图2。
通过颗粒级配累计曲线可获得覆盖层各岩组的级配特征或粒度成分的相关指标。河床覆盖层各岩组的级配特征或粒度成分的相关指标统计见表2。根据河床覆盖层各岩组的颗分试验结果，应用Cu和Cc对土的均匀性进行判别。通过河床覆盖层的级配特征或粒度成分相关指标可以判定，河床覆盖层Ⅰ、Ⅲ岩组的颗粒级配不良，属巨粒混合土;Ⅱ岩组的颗粒级配良好，颗粒略细，为含细粒土砾。
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表征土的物理性质的指标很多，其中最基本的物理性质指标有土的比重Gs、土的含水量w和土的密度ρ，这3个指标一般可由室内土工试验直接测定，其他物理指标可以通过这3个基本指标换算获得。由于钻孔试样改变了天然的状态，所以无法通过室内试验获取土的天然密度、干密度、孔隙比、含水率等指标。试验成果统计见表3。针对坝基覆盖层Ⅲ岩组专门进行了30组物理性试验，成果统计见表4。
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ岩组从颗粒级配组成上同属粗粒土，而粗粒土的密实程度是粗粒土的物理性质研究的一项重要内容。通过对粗粒土的密实程度的研究，不仅可以了解其物理状态，而且能够初步判定其一些工程特性。根据河床覆盖层粗粒土各岩组的颗粒特征(土类型)，结合粗粒土各岩组的已有试验资料，对河床覆盖层粗粒土各岩组采用指标法和原位测试法判断各岩组的密实度。
(1)物理指标法。根据GB50123—2019《土工试验方法标准》[8]中粗粒土的相对密实度可以评判其密实度，相对密实度与碎石土密实度的关系见表5。为此，对坝址区3个岩组所含砂层钻孔样进行了11组相对密度试验，试验前先通过5mm筛进行筛分，统计室内试验得到各岩组密实度结果为：各岩组的相对密实度在0.7～0.9范围内，整体呈密实状态。
(2)原位测试法。由于河床覆盖层含大量漂石、卵石，采用GB50021—2001《岩土工程勘察规范》[9]中超重型动力触探N120进行原位测试。触探击数N120与碎石土密实度的关系见表6。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层重型动力触探杆长校正击数N120为8.05～9.35，整体呈中密状态。
2.2覆盖层力学特性成果统计
为研究河床覆盖层的力学性质，在坝址河床覆盖层进行了一系列室内土工试验和原位测试试验，不仅为研究河床覆盖层的力学性质提供准确可靠的试验测试资料，而且通过这些试验测试资料能够获得准确可靠的力学指标，为水电站设计的经济合理性提供可靠的地质参数。限于篇幅，以下仅对Ⅲ岩组的力学参数进行统计。
2.2.1力学特性试验
Ⅲ岩组室内力学试验成果见表7。压缩系数av(0.1～0.2MPa)均值为0.01MPa-1，压缩模量Es均值为147.03MPa，属低压缩性土;临界坡降均值为0.22，破坏坡降均值为0.49，渗透系数为均值2.32×10-1cm/s，呈管涌破坏，属强透水性土层;内摩擦角为均值41.5，粘聚力为均值83kPa。总体认为，作为坝基的Ⅲ岩组具有低压缩、强透水的特点。采用大型高压三轴试验机对Ⅲ岩组砂卵砾石进行剪切试验，同室内力学试验条件相同，施加围压0.80～2.40MPa。三轴剪切试验成果见表8
2.2.2原位测试力学特性试验
针对Ⅲ岩组在工程现场进行了大型荷载试验、大型剪切试验、管涌试验，试验成果见表9。坝址区覆盖层主要为漂卵石、含卵砂石、砂石层与砂层，钻孔地震纵横波测试成果统计见表10。由于跨孔地震波测试是在下有套管的孔中进行的，再加上地震波要穿透3～5m距离，因此地震波数据是地层的综合反映，对覆盖层的细节反映不灵敏。
3河床覆盖层物理力学参数取值分析
3.1试验方法对物理力学参数取值的影响
前文统计了室内、现场测试试验的物理力学参数，而很多参数是由不同的试验方法得到，试验方法对这些参数是如何影响的，是参数取值的关键问题。选取河床覆盖层部分物理力学参数进行探讨，以便为后期参数的取值提供参考。
(1)试验方法对各岩组密实度的影响。从本文采用的物理指标和原位测试2种方法对土层密实度的分析结果发现，指标法分析成果普遍高于原位测试法。这主要是由于指标法室内试验的局限性造成的，室内密实度试验无论采用锤击法还是振动法都对试样中的粗大颗粒剔除，使土粒排列更为紧密。相比而言，原位测试法分析成果更能反应土体赋存的真实状态。
(2)试验方法对Ⅲ岩组强度参数的影响。为了获取Ⅲ岩组的强度参数，分别进行了直剪和三轴剪试验，获得的抗剪强度参数值c、φ存在差异，内摩擦角值基本接近，均值分别为41.5°、45.21°;粘聚力差别大，均值分别为83、12.7kPa。三轴剪切试验考虑了周围压力、土体的真实破坏状态，因此试验结果更可靠。
(3)试验方法对各岩组渗透系数的影响。对比室内与现场原位测试结果，室内渗水试验结果偏大，是现场原位测试结果的10~100倍。这种巨大的差异主要是因为室内试验时没有完全模拟现场情况，如土颗粒级配、土体内部结构、尺寸效应、温度变化等因素，本文研究的土类为粗颗粒土，渗水路径很重要，现场原位测试能够较好地贴近实际情况。
3.2力学参数取值合理性分析
通过试验方法得到的参数不一定完全满足工程需要，若试验结果差异很大，往往需要以实际地质条件，客观地对试验成果论证后选取力学参数。本文根据河床覆盖层的力学试验成果，依据相关规范和手册，结合河床覆盖层各岩组的性状特征，对河床覆盖层各岩组的力学参数取值按照水力特征参数、变形性参数(压缩性参数)、抗剪强度参数、非线性应力应变参数和地基土承载力等几方面分别研究河床覆盖层的力学参数取值。——论文作者：李树武1,2，鲁博2，张林3
