CCS 水電站首部樞紐地基土抗剪強度指標試驗

姚 陽，張黨立，齊三紅，苗 棟，郭衛新

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 鄭州450003）

強震和復雜深厚覆蓋層問題是水電工程建設所面臨的巨大挑戰， 也是很多工程能否成功建設的控制性因素［1］。 深厚覆蓋層中的細粒土軟弱夾層在地震作用下存在液化可能；由于土性軟弱，抗地震動變形能力較差， 在強震作用下會產生較大的地震動位移，對壩體的穩定性和正常運行帶來了重大的隱患。因此深厚覆蓋層中軟弱土層的強度特性參數的確定，直接關系到覆蓋層地基處理方案的選擇，涉及到工程安全和工程投資規模。

厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站 （以下簡稱CCS水電站）首部樞紐建筑物地基為不均勻的深厚覆蓋層，地震烈度高，巖相變化大，厚度相差大，組成性質各異，地質條件非常復雜，建筑物地基處理是設計的難點和重點。 本文重點研究首部樞紐深厚覆蓋層中C1細砂層和C2粉土層的強度指標， 為工程設計地基處理方案的選擇提供重要依據。

1 工程概況

CCS水電站為引水式電站，位于南美洲厄瓜多爾國北部Napo省與Sucumbios省交界處，工程任務主要為發電，電站總裝機容量1500MW，是厄瓜多爾規模最大的水電站。 CCS水電站主要建筑物由首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等組成。

首部樞紐位于Salado河與Quijos河交匯處下游約1km的Coca河上，主要建筑物由擋水建筑物（混凝土面板堆石壩）、泄洪排沙建筑物（溢流壩及沖沙閘）和取水建筑物（取水閘及沉沙池）三部分組成。 泄洪排沙建筑物布置在壩址區左側埡口處， 從左到右依次布置為8孔溢流堰和3孔沖沙閘，壩頂高程1289.50m，壩頂長度約271.75m；水庫最高水位1288.30m，最大泄流量16444m3/s。取水閘緊貼沖沙閘右側布置，與溢流壩軸線呈70°交角，閘底板高程1270m，引水閘共16孔，四孔一聯，共四聯。沉沙池緊接引水閘布置，共布置8條池室，主要包括上游過渡段、工作段、下游出口閘、靜水池、側向溢流堰及排沙廊道系統。 沉沙池工作段長153m，單池過流斷面凈寬度13m，沉沙池后連接無壓長輸水隧洞。 混凝土面板堆石壩位于Coca河主河槽上，軸線長156.12m，壩頂高程1289.80m，最大壩高26.80m［2-6］。

工程地處強震區，最大可信地震烈度達9度，首部樞紐建筑物基礎的河床覆蓋層厚度從右岸向左岸深度變化較大，最大厚度超過200m，地層主要由第一巖組（砂卵礫石層）、第二巖組（砂層）、第三巖組（黏土層）及第四巖組（粉土層）組成，分布復雜［7］。覆蓋層地基中的C1細砂層和C2粉土層經初步判定存在地震液化可能，其中C1細砂基本物理特性較為常規，而C2粉土則呈現高天然含水率和低天然干密度的特點，存在地基沉降穩定和抗剪強度較低的問題，地基土的強度特性是工程設計人員關注的重點問題。

2 地基土的基本物理性質

采用現場環刀取樣結合室內烘干稱重的方法，測得C1細砂和C2粉土的平均天然干密度分別為1.52g/cm3和1.38g/cm3，平均天然含水率分別為18.1%和35.6%。

采用比重瓶法測得C1細砂和C2粉土的的比重均為2.74。

采用篩析法 （d＞0.075mm） 和比重計法 （d＜0.075mm）聯合測定了土樣的顆粒級配，結果如表1和圖1。 測試結果表明，C1屬細粒土質砂，C2屬細粒土。

表1 土樣顆粒分析試驗結果

圖1 土的顆粒級配曲線

通過相對密度試驗， 分別采用敲擊法和漏斗法測得兩種土料的最大干密度和最小干密度［8］，C1細砂和C2粉土的最大干密度分別為1.72，1.61g/cm3，最小干密度分別為1.23，1.05g/cm3。

3 試驗條件及方法

為了研究擬定地基加固方案（振沖碎石樁）的加固效果， 分別進行加固前和加固后土料不同相對密度時的強度試驗， 加固前兩種土的相對密度統一取為0.70（實際分別為0.66，0.68），加固后相對密度根據現場碎石樁試驗成果統一取為0.85［9］，相應的試驗控制相對密度及干密度如表2。

表2 土的相對密度試驗結果及試驗控制干密度取值

地基土的固結排水三軸試驗（CD）和固結不排水三軸試驗（CU）均在英國ELE公司生產的應變控制式三軸儀上進行，試樣的直徑為3.8cm，高度為8cm，每組抗剪強度試驗均由3個樣品組成，對按相對密度控制制備的圓柱形試樣進行等壓固結， 在排水和不排水條件下分別進行100，250，500kPa三種圍壓的試驗。試驗時，測定軸向應力、軸向變形、體積變形和孔隙水壓力。根據試驗結果，整理出軸向應力差與軸向應變、 體積應變與軸向應變關系或孔隙水壓力比與軸向應變曲線。根據試驗曲線，確定試樣破壞時的應力莫爾圓，進而確定抗剪強度指標［10］。

試驗依照美國ASTM有關試驗規程進行，其中靜力固結排水三軸試驗 （CD） 根據ASTM D7181 - 11 Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils進行；靜力固結不排水三軸試驗（CU）根據ASTM D4767 -11 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils進行。

4 地基土的強度指標

4.1 固結排水三軸試驗（CD）

飽和固結排水剪試驗測得的強度包線如圖2～圖3，強度指標參數如表3。 由試驗結果可看出，其有效內摩擦角Φd在26.2°～37.5°之間， 黏聚力Cd在17.2～75.4kPa之間。

圖2 飽和細砂C1固結排水三軸試驗成果

圖3 飽和粉土C2固結排水三軸試驗成果

表3 固結排水剪試驗結果

4.2 固結不排水三軸試驗（CU）

為了解土料在庫水位驟降期和地震期的抗剪強度變化范圍進行飽和固結不排水剪（CU）試驗。 測得的強度包線如圖4～圖5，強度指標如表4。 其有效強度指標的內摩擦角Φ′為23.8°～33.3°， 黏聚力C′為24.0～83.4kPa， 總強度指標的內摩擦角Φcu為19.3°～32.4°，黏聚力Ccu為34.0～94.9kPa。

圖4 飽和細砂C1固結不排水三軸試驗成果

圖5 飽和粉土C2固結不排水三軸試驗成果

表4 飽和固結不排水剪試驗結果

5 結語

（1）2種地基土土樣的比重均為2.74，本批土樣的比重值范圍變動較??； 顆粒分析表明C1代表性土樣屬細粒土質砂，C2代表性土樣屬細粒土；采用漏斗法和敲擊法進行相對密度試驗， 得到C1最小干密度1.23g/cm3， 最 大 干 密 度1.72g/cm3；C2 最 小 干 密 度1.05g/cm3，最大干密度1.61g/cm3。

（2）2種地基土土料進行飽和固結排水剪（CD）試驗， 測得的有效強度指標的內摩擦角Φd在26.2°～37.5°之間，黏聚力Cd在17.2～75.4kPa之間。

（3）2 種地基土土料進行飽和固結不排水剪（CU） 試驗， 測得的有效強度指標的內摩擦角Φ′為23.8°～33.3°，黏聚力C′為24.0～83.4kPa，總強度指標的內 摩擦角Φcu為19.3°～32.4°， 黏 聚 力Ccu為34.0～94.9kPa。