基于渗透特性的面板堆石坝垫层料适用性研究

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(1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010； 3.青海引大济湟水电建设责任有限公司，西宁 810001)

基于渗透特性的面板堆石坝垫层料适用性研究

张家发1，2，定培中1，2，常敬雄3，王金龙1，2

(1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010； 3.青海引大济湟水电建设责任有限公司，西宁 810001)

2017,34(12):57-62

垫层是面板堆石坝的重要分区之一。青海石头峡水电站面板堆石坝填筑施工之前，河床砂砾石料场的检测成果显示,筛除100 mm以上直径颗粒后的土料(直接筛分料)，其细颗粒含量很容易低于要求的垫层料范围下限。针对直接筛分料和过渡料开展了渗透变形和反滤试验，运用数值模拟方法预测了大坝渗流场分布及垫层与过渡区可能出现的最大渗透比降。从大坝渗漏控制和渗透稳定性功能要求出发，分析认为直接筛分料不适用于石头峡大坝垫层。针对直接筛分料提出了改进方案，即掺入粒径5 mm以下的颗粒，通过渗透变形和反滤试验复核了改进料作为垫层料的适用性。工程建成后，水库蓄水期间运行性态良好,并经受了地震的考验。通过实例研究，强调了填料特性研究应贯穿土石坝建设的全过程，尤其应重视填筑施工之前尽早开展实际用料适用性的复核试验与评价工作。

面板堆石坝；垫层；过渡区；渗透比降；改进垫层料

1 研究背景

面板堆石坝作为当地材料坝的一种坝型已得到越来越广泛的运用，且随着我国湖北清江水布垭水电站大坝这一里程碑工程的建成，面板堆石坝建设技术上升到了一个新的水平[1-3]，对于大坝分区的功能定位和设计要求形成了更加明确的共识，设计规范得以修编[4]。青海省门源县石头峡水电站面板堆石坝由设计到施工，正好经历了新老规范交替过程，而且施工阶段检测试验发现拟用料级配与设计阶段勘探成果相比发生了一定的变化，尤其是垫层料的细粒含量容易低于设计要求的下限。

面板堆石坝垫层的功能要求应该包括：①为面板提供均匀、平整的支撑面，避免面板产生应力集中；②在面板和接缝万一漏水时，可限制入渗流量；③对随渗透水流带入的泥沙有反滤作用，将泥沙截留而堵塞在渗透通道中，促进缝隙的自愈作用[5]。相应的垫层料级配和材料性质要求为：有足够多的细粒含量(<5 mm的颗粒含量)，级配连续且含泥量低，从而具有内部结构稳定性、比较低的渗透性、低压缩性、高抗剪强度和良好的施工特性[6]。对于过渡料，除要求压实后具有低压缩性和高抗剪强度外，还要求级配连续，对垫层料起到反滤保护作用，并具有自由排水性能。可见评价垫层料的适用性时，渗透特性是非常重要的指标，包括垫层自身较低的渗透性和内部结构稳定性，垫层对于面板和接缝漏水挟带泥沙的反滤和截留作用，以及垫层与过渡料之间能否形成良好的水力过渡关系和反滤效果[7]。

本文主要介绍青海省石头峡水电站大坝填料开展的渗透变形和反滤试验成果，基于成果反映的渗透特性分析研究填料的适用性；根据需要提出垫层料改进措施，并通过试验验证改进方案的适用性。通过这一实例展示土石坝工程建设全过程中开展填料特性研究的重要性，以及基于渗透特性研究面板堆石坝垫层料适用性的方法。

2 大坝工程概况和填料设计要求

青海省门源县石头峡水电站是引大济湟工程的水源工程之一。引大济湟工程由石头峡水利枢纽、调水总干渠(输水隧洞)、黑泉水库、湟水北干渠、湟水南岸提灌工程组成。石头峡水电站位于黄河一级支流湟水河的支流大通河。已建成的黑泉水库位于湟水河支流北川河上游的宝库河上。20多km长的输水隧洞串联起这2个水库，将7.5亿m3大通河水调入宝库河。

石头峡水电站大坝最大坝高114.5 m，坝顶长度424 m，坝顶宽10 m。坝体分区包括垫层区、过渡区及主次堆石料区。垫层区、过渡区水平厚度均为3 m。大坝垫层料和过渡料均选自河床砂砾石料场，主堆石料为花岗岩爆破料。

针对大坝填料砂砾石料场的地质勘查工作始于1999年，大坝设计的垫层料级配要求为：最大粒径≤100 mm，粒径<5 mm的颗粒含量占30%～50%，粒径<0.075 mm颗粒含量<8%，且颗粒级配连续。大坝过渡料级配要求为：最大粒径≤300 mm，粒径<5 mm的颗粒含量占15%～30%，粒径<0.075 mm颗粒含量<7%，且颗粒级配连续。砂砾石料利用方案是：筛除300 mm以上粒径组后直接作为过渡料(称为“直接筛分过渡料”)；筛除100 mm以上粒径组后在能满足工程要求前提下尽可能直接用作垫层料(称为“直接筛分垫层料”)。工程施工开始后的级配试验显示，直接筛分料的级配在一定程度上偏离了设计要求[8]。

3 直接筛分料渗透变形和反滤试验研究

3.1 直接筛分料的级配特征

2012年9月份，施工方对石头峡水电站大坝II号料场全级配砂砾石料进行了8组颗粒分析试验，2012年11月份，对砂砾石料筛除100 mm以上颗粒后进行了4组颗粒分析试验。根据这12组级配试验成果获得直接筛分垫层料的典型级配，根据8组全级配试验成果获得直接筛分过渡料的典型级配。

通过对直接筛分填料的级配分析发现如下问题：

(1) 直接筛分垫层料级配曲线中粒径1～5 mm区间略呈平台状，表明该区间粒组含量较少，级配略有不足，据推测是由于近年来当地大规模采金淘沙造成该粒径组颗粒流失所致。同时，直接筛分垫层料的下包线<5 mm粒径颗粒含量为23%，不能满足设计要求。

(2) 由于拟上坝的直接筛分垫层料与直接筛分过渡料为同一料场砂砾石料，仅控制其最大粒径不同(分别为100 mm和300 mm)。因此垫层料与过渡料的较细粒径组颗粒含量特别是<5 mm粒径组颗粒含量比较接近，甚至级配曲线相互交叉。

3.2 试样级配、密度和仪器

直接筛分垫层料渗透变形试验，选取其上包线D上、下包线D下作为试样级配。同时选取<5 mm粒径含量低于30%且1～5 mm粒径组平台较明显的实际级配线D1作为试样；将D1级配的粒径<5 mm颗粒含量提高到30%而得到级配线D1s。这2条级配线可以增强试样的代表性，分别对其进行了渗透变形试验，本文仅列出D1S级配线试样相关的试验成果。

针对直接筛分过渡料的渗透变形试验，选取其上包线G上,平均线G平及下包线G下作为试样级配。

本项研究中的渗透变形及反滤试验均在圆筒状垂直渗透仪中进行。由于粗粒料的宽级配特性和试验仪器尺寸的限制，试验中超径问题比较常见。试验规程规定，试验仪器截面直径或边长应该≥试样粒径特征值d85的4～6倍[9]。朱国胜等[10]研究了粗粒料渗透试验的尺寸效应规律，提出了渗透仪尺寸的选择原则，即渗透仪直径与试验材料d85的比值(径径比)不宜<6；研究了不同的超径颗粒处理方法对渗透试验成果的影响，分析认为对超径颗粒可以适度采用等量替代法，不宜采用相似级配法。本研究采用全级配或者局部等量替代级配，替代时尽可能减小替代的量，以保证试样的代表性和成果的可靠性。

直接筛分垫层料D上，D1s,D下3种级配的d85分别为46.8，64.8,69.8 mm，渗透变形试验中针对D上采用30 cm直径的渗透仪，针对D1s和D下采用45 cm直径的渗透仪。

直接筛分过渡料G上，G平，G下的d85分别为73.6，124.6,206.3 mm。将200 mm以上颗粒都用100～200 mm之间的颗粒替代，G上，G平的200 mm以上颗粒含量很少，分别为1.1%,5.5%，替代后d85值不变；G下的200 mm以上颗粒达16%，替代后级配的d85值变为146.6 mm，但总体上级配的改变也不大。 100 mm以下，尤其是5 mm以下含量保持不变，作为试验级配应该仍然可以反映上坝料的特性。试样级配见图1。

图1 直接筛分料试样级配曲线

渗透变形试验中针对G上采用直径600 mm渗透仪，针对G平，G下采用直径950 mm渗透仪。

反滤试验包括保护料与被保护料的3种组合方案，即G上与D下，G下与D上，G平与D1s。G上与D下是对保土性最不利的反滤组合；G下与D上的级配区别最小，是对排水性最不利的组合；G平与D1s组合为考虑了出现机率较高的填料级配组合。

试样密度是影响其性能的重要因素。该工程设计要求的垫层料及过渡料的相对密度均为0.85。为此专门开展了相对密度试验[8]，结合工程施工实际情况，采用略低于相对密度0.85对应的干密度值作为试样的填筑密度，确定垫层料和过渡料装样干密度分别为2.25,2.27 g/cm3。

3.3 试验成果

3.3.1 渗透变形试验

试验按照土工试验规程[9]进行。试验采用垂直渗透仪，水流方向由下至上，对下游出口不进行保护。为防止边壁效应，装样时仪器边壁采用3 mm厚的水泥护壁。详细的试验方法参见文献[6]和文献[11]。

针对每种级配均进行了平行试验。表1是直接筛分料渗透变形试验成果。其中渗透系数取平行试验成果的平均值,临界比降和破坏比降则取小值。

表1 直接筛分料渗透变形试验成果

从表1可见，垫层料上包线破坏形式为流土，内部结构稳定，渗透系数为10-4cm/s量级；垫层料试样D1s的破坏形式为过渡型，内部结构不稳定或者欠稳定，渗透系数为10-3cm/s量级；垫层料下包线试样破坏形式为管涌，内部结构不稳定，渗透系数为10-2cm/s量级。过渡料上包线破坏形式为过渡型，渗透系数10-3cm/s量级；过渡料平均线破坏形式为管涌，渗透系数为10-3cm/s量级；过渡料下包线破坏形式为管涌，渗透系数为10-2cm/s量级。

3.3.2 反滤试验

对过渡料上包线级配在直径600 mm垂直渗透仪内进行反滤试验，对其平均线和下包线级配在直径950 mm垂直渗透仪内进行反滤试验。试验时水流方向从下至上，试样下游出口无保护。详细试验方法参见文献[7]。

反滤试验成果见表2。试验都在最大比降条件下发生了破坏。

表2 直接筛分料反滤试验成果

D上/G下组合与D1s/G平组合的试验中，主要水头损失由垫层料承担，过渡料中的比降很低，试验最后的破坏形式是整体抬动。在实际大坝工程中，过渡区下游有主堆石区的支撑，只要主堆石区不存在架空，这2种组合将能够承担更大的渗透比降。

D下/G上组合的试验中，过渡料的比降甚至高于垫层料，这是由2种级配料的渗透性差异(见表1)所决定的，D下的渗透性比G上的渗透性还要大1个量级，所以过渡料承担的水头损失更大；且在很低的比降下，过渡料先发生渗透变形，在最大比降下垫层料和过渡料都发生了破坏。

4 直接筛分料适用性分析

该工程原设计采用的混凝土面板堆石坝设计规范(SL 228—98)要求垫层料具有连续级配和内部渗透稳定性，粒径<5 mm的颗粒含量宜为30%～50%，粒径<0.075 mm的颗粒含量宜<8%。工程实施过程中发布的设计规范[4]吸收了更多的工程建设成果与经验，规定垫层料应该具有连续级配、内部结构稳定并对上游铺盖料起反滤保护作用，粒径<5 mm的颗粒含量宜为35%～55%，粒径<0.075 mm的颗粒含量宜为4%～8%。渗透系数宜为1×10-4～1×10-3cm/s。新修订的规范对于垫层料粒径<5 mm的颗粒含量要求，较原规范提高了5%，这主要是为了确保垫层料自身渗透稳定并起第2道防渗作用。对于大坝填料的设计要求需要与新版规范[4]相适应。

由第3节直接筛分料的级配特征和渗透变形与反滤试验成果可知，如果将直接筛分料直接用于本工程的大坝填筑，会存在如下问题：

(1) 垫层料级配不满足规范要求。垫层料下包线<5 mm粒径的颗粒含量低于规范下限要求，平均级配线也只是在设计要求的下限附近，实际施工中容易出现垫层料细粒含量过低的情况。垫层料渗透系数为10-4～10-2cm/s量级之间，渗透性范围超出了规范要求范围的上限，一旦面板或者止水结构出现破损，垫层料难以起到有效的防渗作用。

(2) 垫层与过渡区不能实现良好水力过渡。垫层料与过渡料级配变化范围互相交叉覆盖，容易造成大坝分区不明显，甚至不合理。过渡料渗透系数10-3～10-2cm/s，有可能出现过渡料渗透性反而低于垫层料的组合情况，这会使得渗流场分布不合理，过渡料不能起到规范要求的自由排水作用。

(3) 填料不能满足大坝渗透稳定性要求。垫层料和过渡料都容易出现内部结构欠稳定或者不稳定的情况。大坝各分区实际可能出现的渗透比降，可以通过渗流场计算得到预测，偏于安全考虑，可以将面板缺失条件下的预测成果作为主要依据[12]。

按照文献[12]的方法，对石头峡水电站大坝开展了校核水位条件下的渗流场计算。大坝上游水位为3 088.54 m，下游水位为2 898.12 m。面板失效时大坝各分区最大渗透比降预测结果见表3。表中Kd，Kg，Kz分别为垫层、过渡层、主堆石区的渗透系数；Id和Ig分别为垫层和过渡区将出现的最大渗透比降。

表3 面板失效时大坝各分区最大渗透比降预测值

由表3可得如下规律：

(1) 垫层渗透系数为1×10-4cm/s时，如果过渡区比主堆石区的渗透系数大一个数量级，垫层会承担主要的水头损失，垫层的最大渗透比降比过渡区大得多，有利于形成良好的水力过渡关系与合理的渗流场分布。最有利的组合是垫层、过渡区、主堆石区，其渗透系数分别为1×10-4，1×10-2，1×10-1cm/s。

(2) 垫层渗透系数为1×10-3cm/s时，如果过渡区渗透系数与其相等，这2个分区的最大比降就会很相近，相当于实际上没有形成分区。第3节试验结果表明，采用直接筛分料作为填料时很有可能出现这种不利情况，甚至会出现垫层渗透性比过渡区渗透性强的更不利组合。湖南株树桥面板堆石坝曾经出现的严重渗漏、面板破损等严重问题，主要原因之一就是垫层料的级配不良，实际上没有按照设计要求形成垫层与过渡区的真正分区[13]。青海沟后水库面板砂砾石坝溃坝的原因之一是砂砾石料的粗细分区，乃至坝体内形成上下连通的易发生渗透变形区域[14]。

(3) 当垫层渗透系数为1×10-4～1×10-3cm/s时，过渡区渗透系数比垫层的大2个量级，或者过渡区渗透系数比垫层的大1个量级且主堆石区渗透系数也比过渡区的大1个量级，就可以形成良好的水力过渡关系，渗流场分布较合理。垫层承担主要的水头损失，过渡区一方面可以自由排水，另一方面不会出现过大的渗透比降，在主堆石区的支撑作用下可以发挥对于垫层的反滤保护作用。

(4) 表3中结果显示，垫层、过渡层、主堆石区渗透系数值发生同比例变化，但维持三者之间渗透系数比值相同时，垫层和过渡区的最大比降会分别维持一致，这只能说明渗流场的分布只与渗透系数比值有关,而与绝对值无关，但是渗流量则与渗透系数绝对值密切相关；同时垫层还应该在面板或止水结构破损的条件下对渗透水流带入的泥沙有反滤作用，将泥沙截留而堵塞在渗漏通道中，促进缝隙的自愈作用，所以现行设计规范强调垫层渗透系数宜为1×10-4～1×10-3cm/s。

综合起来判断，直接筛分垫层料的使用将是大坝渗透稳定性难以满足要求的关键，也就是说最大粒径控制为100 mm的直接筛分料不适于直接用作垫层料。

5 垫层料的改进方案及复核试验

根据上述试验和分析，结合料场的实际情况，笔者建议采取对直接筛分料适当掺配细料进行改进，具体方案是由天然料筛得5 mm以下的细料，按照9.7%的比例掺入直接筛分垫层料中形成新的垫层料，以下称为改进垫层料。过渡料仍然采用上述直接筛分过渡料。

按照直接筛分垫层料的级配范围及上述掺配方案，推算改进垫层料<5 mm粒径组颗粒含量在33%～43.4%范围变化，级配连续性更好；改进垫层料与过渡料变化范围的对比关系见图2。图中CD上，CD平，CD下分别对应改进垫层料上包线、平均线和下包线。由图2可见,二者交叉覆盖的可能性大大降低。为了解改进垫层料的适用性，通过试验复核了渗透变形特性及反滤效果。

图2 直接筛分过渡料与改进垫层料试样级配对比

对改进垫层料的3种级配进行了渗透变形试验，并对改进垫层料平均线CD平与过渡料平均线G平组合进行了反滤试验。试验方法、仪器和试样干密度均与第3节相同。每组试验都进行了平行试验，表4为渗透变形试验统计结果。

表4 改进垫层料渗透变形试验成果

改进垫层料上包线和平均线渗透破坏形式为流土，下包线破坏形式为过渡型，总体上内部结构稳定性较直接筛分料有了明显改善。改进垫层料的渗透系数在10-4～10-3cm/s量级之间，符合规范要求，且与过渡料渗透系数变化范围(10-3～10-2cm/s)不再有明显的交叉，有利于改善水力过渡关系。

改进垫层料CD平与过渡料G平组合关系的2组平行反滤试验结果表明，在垫层料比降分别达到18.36和85时，仍未发现渗透变形现象，对应的过渡料比降分别为3.06和17.88，均远远超过第3节分析预测可能出现的最大比降值，表明过渡料平均线能够对改进垫层料平均线起到有效的反滤保护作用。

6 结 语

(1) 基于渗透变形和反滤试验成果，结合预测的大坝渗流场及分区最大比降，分析认为级配偏离设计要求的直接筛分料不适用于石头峡大坝垫层，根据存在的问题，提出了掺配细料的改进方案，并通过复核试验说明了改进垫层料的适用性。

(2) 石头峡水电站大坝已经顺利建成，且于2016年1月21日晨经受住了青海门源6.4级地震的考验，水库蓄水仍然没有停止，水位在继续上升，地震次日水位达到3 067.18 m，距离设计正常水位3 086 m仅差约20 m，大坝下游量水堰流量仅7.73 L/s，显示大坝运行正常，性态良好。

(3) 通过本项研究可见填料特性的试验研究应该是贯穿于土石坝建设过程的一项重要任务，尤其在工程施工之前，尽早开展实际用料适用性的复核试验与评价工作，才能保证通过控制各填筑分区的渗透变形特性，以及分区之间的水力过渡关系和反滤效果，以确保大坝的渗透稳定性满足设计要求。

本文研究的工程实例，如果时间更充裕的话，对于改进料的试验研究还可以做得更充分，例如，针对上、下包线的组合开展反滤试验，针对垫层料与盖重料的组合开展反滤试验，以更丰富的成果降低决策的风险。

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Applicability of Cushion Materials for a Concrete FacedRockfill Dam Based on Seepage Characteristics

ZHANG Jia-fa1,2，DING Pei-zhong1,2，CHANG Jing-xiong3，WANG Jin-long1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.National Research Center on Dam Safety Technology， Wuhan 430010，China；3.Qinghai Water Diversion from Datong River to Huangshui River Hydropower Project Co., Ltd., Xining 810001, China)

Cushion layer is an important subarea of concrete faced rockfill dam (CFRD). Prior to the construction of CFRD for Shitouxia Hydropower Station in Qinghai, China, sandy gravel materials collected from riverbed were checked, and the results revealed that the weight percentage of fine grains in the samples screened under mesh size of 100 mm( directly screened cushion material) was likely inferior to the low limit required for cushion layer. Seepage destruction and filter tests were performed for the directly screened materials and transition zone materials. Seepage field in the dam and probable maximum hydraulic gradient values both in cushion and transition zones were forecasted by numerical simulation method. The applicability of tested samples were assessed on the basis of seepage characteristics for cushion zone materials in response to the functional requirements of water leakage and seepage destruction control. The directly screened materials were judged unsuitable for cushion layer. Moreover, a scheme was proposed to improve the filling material by adding fine grains screened under mesh size of 5 mm to the directly screened material. The improved materials were checked with seepage destruction and filter tests, and were demonstrated applicable for dam cushion layer. The dam has been built up and has performed well during reservoir impoundment even under earthquake. This example tells the necessity of research on filling material throughout the construction of any embankment dam. Proof tests and applicability assessment should be taken for the natural or produced materials as early as possible before the dam fill construction.

concrete faced rockfill dam; cushion layer； transition zone； hydraulic gradient； improved cushion material

2016-09-12;

2016-11-08

国家自然科学基金项目(51279016,41402213);中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016021/YT)

张家发(1960-),男，安徽安庆人，教授级高级工程师，硕士，主要从事岩土工程和水工渗流研究，(电话)027-82820029(电子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

10.11988/ckyyb.20160939

TU411

A

1001-5485(2017)12-0057-06

(编辑：黄 玲)