水布垭面板堆石坝过渡料设计及其渗透变形特性研究

2009-01-29张家发定培中胡智京

长江科学院院报 2009年10期

张家发，定培中，张伟，胡智京

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概述

库克于1984年指出，现代堆石坝的设计和施工技术更多地依靠建设实践中的现场观测和运行的评价，而不是依靠理论和实验室试验，混凝土面板堆石坝尤其如此［1］。在那以后，混凝土面板堆石坝建设又得到了很大的发展［2］。仅在中国，20世纪90年代建设的天生桥一级水电站大坝高达178 m［3］，直逼当时的世界水平。新建成的水布垭水电站最大坝高233 m［4］，是世界上已经建成的最高混凝土面板堆石坝，标志着混凝土面板堆石坝的发展达到了一个崭新的阶段。

大坝建设规模的发展，使工程设计为满足工程安全需要所接受的技术挑战更大；同时，规模越大，投资就越大，工程设计对合理控制成本的要求就越迫切。这两股力量形成合力，促进了混凝土面板堆石坝技术的发展。在大坝分区及其材料设计上，一方面要求功能和作用机理更加明确，以便设计方案能够保障大坝的长期安全运行；另一方面，又不能不计代价地对材料选择及其填筑施工提出过高要求，甚至应该尽可能地摒弃那些过于严格的要求。这就意味着，面板堆石坝的设计必须基于大量的试验和理论研究工作以提高技术含量。不仅混凝土面板堆石坝技术的发展是这样，整个水利水电行业的技术发展也是如此。

水布垭大坝的设计充分借鉴了混凝土面板堆石坝已建工程的经验，尤其是天生桥一级水电站大坝的设计经验和研究成果；同时，围绕大坝分区及其填料的设计也开展了大量的试验研究工作。本文主要从渗流控制角度介绍过渡料设计要求的研究确定过程和过渡料渗透变形特性的研究成果。

2 过渡料设计要求的确定

库克等［5］建议的现代面板坝分区包括过渡区，以便使压缩性及透水性从上游到下游有必要的过渡，保证垫层区材料不会被冲刷到主堆石区的大空隙中去。目前，几乎所有的面板坝设计文件和研究文献都响应了库克等的规定，要求过渡区除了对垫层和主堆石区的变形起过渡和协调作用外，还要起到渗流控制作用，如排水和对垫层料的反滤保护。但是，库克对过渡料的具体设计没有做任何讨论和建议。

湖南株树桥大坝发生了面板塌陷和渗漏，公认的原因包括：垫层的沉降变形造成面板止水破坏和漏水，垫层的颗粒随着渗漏水流大量流失造成面板脱空和破坏，使得渗漏进一步加剧［6－8］。除了垫层自身的渗透变形特性外，过渡区对垫层没有起到反滤保护作用也是垫层料流失的重要原因。实际加固处理措施包括在塌陷区补填垫层料，然而时间不长以后，垫层料又发生了塌陷，这说明过渡料已经被击穿，失去了对垫层料的反滤保护作用。株树桥的例子充分说明了过渡区对于大坝渗流控制的重要意义。

天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝明确要求过渡料对垫层料起反滤和排水作用，过渡料的渗透系数为10－1cm／s左右，比垫层料大100倍以上。过渡料较细，可薄层碾压，易压实，干密度较大，具有低压缩性，其与垫层区形成混凝土面板下坚实的低压缩层，可减小面板在水荷载作用下的变形［9］。

为了确定水布垭大坝过渡料的料源，在设计阶段研究过茅口组灰岩爆破料和栖霞组硬质灰岩洞挖料。实际填筑料主要是茅口组灰岩爆破料，少部分系左岸溢洪道引水渠开挖料［10］。

在水布垭工程的可行性研究阶段，中南勘测设计院开展了筑坝材料特性研究，提出的过渡料级配要求见表1［11］。长江勘测规划设计研究院依据压实特性、压缩变形特性、抗剪强度与应力应变关系、破碎特性、渗透性及碾压参数比选试验研究成果，结合工程经验类比，提出的过渡料级配要求中对＜5 mm颗粒含量的要求更加严格，有上下限控制值［12］。而在填料的实际爆破开采过程中发现：爆破料的细料偏低，＜5 mm颗粒含量要求难以达到。在细料偏少的情况下，最大的担心是过渡料能否对垫层料起到反滤保护作用，为此，长江科学院开展了相应的试验研究工作［13］，为过渡料级配要求的优化设计提供了重要依据，优化后的级配要求也列在表1中。渗透系数要求为10－2～10－1cm／s。

表1 过渡料设计级配特征参数表Table 1 Design parameters of the size gradation of the transition zone material

3 过渡料渗透变形试验研究

3．1 试验仪器与试验方案

参照天生桥一级水电站大坝实际填筑料级配，水布垭工程可行性研究阶段确定的大坝过渡料试验研究级配见图1。上包线、平均线和下包线的D85分别为151．9，189．2，251．6 mm。依据《土工试验规程（SL 237 1999）》中《粗粒土的渗透及渗透变形试验（SL237 056 1999）》的规定，试验模型截面直径或边长应该不小于试样粒径特征值D85的4～6倍。当时室内试验的常规仪器尺寸最大直径为30 cm，不适用于直接开展过渡料的试验研究。为此，对原级配线进行级配替代，分别得到上包线、平均线和下包线的试样级配（见图1），开展了过渡料和垫层料之间的反滤试验研究［13］。试验研究结果表明过渡料能够对垫层料起到良好的反滤作用。但是，试样级配与原级配相比，细料含量有明显增加。由图1中不均匀系数Cu和曲率系数Cc判断，仍然属于良好级配的土，但是不均匀系数已经发生显著变化。所以，试样的渗透与渗透变形特性不能完全代表原级配的特性。

图1 可研阶段过渡料研究级配曲线图Fig．1 The size gradation curves showing the transition zone material at feasibility study stage of the hydropower station

克服仪器尺寸效应是粗粒料工程特性试验的一个难题。粗粒料渗透变形的另一大困难在于一般的实验室无法满足大流量、高水头的供水供压条件，正因为如此，可研阶段没有针对过渡料开展渗透变形试验研究。鉴于过渡料渗流控制作用的重要性，在施工设计阶段进一步开展其渗透变形特性研究是非常必要的。

大坝一期填筑施工中过渡区抽检得到平均渗透系数为4．9×10－2cm／s；＜0．1 mm颗粒含量的平均值为2．8%，平均填筑含水量为2．2%，平均填筑干密度为2．23 g／cm3，最大值为2．28 g／cm3，最小值为2．17 g／cm3。过渡料大部分检测级配在图2中的GS2～GS4之间，GS1是一个特例，最大粒径偏细。常规的30 cm直径仪器不满足要求。为了尽可能避免尺寸效应，特研制了新的垂直渗透仪和水平渗透仪［14］，仪器尺寸如下：

（1）Φ600型垂直渗透仪：有效直径600 mm，最大可装填试样高度（渗径长度）为900 mm；

（2）600型水平渗透仪：过水断面有效尺寸为600 mm×600 mm，渗径长度可达900 mm。

同时对实验室供水管路进行了改造，配置了供水泵，形成的供水系统可以为试验模型提供高达100 m水头和4 m3／h的流量。下面主要介绍针对图2中4条级配线的渗透变形试验研究成果。

图2 过渡区一期填筑料检测特征级配曲线Fig．2 Gradation curves of the transition zone material in the 1st period of dam construction

GS1级配线是实际检测中出现的特例，其装填密度按现场检测结果取2．24 g／cm3。对级配曲线GS2、GS3、GS4分别进行了2．17，2．20，2．28 g／cm3的垂直渗透变形试验。同时对GS3级配还分别在2．17和2．28 g／cm3的密度下开展了水平渗透变形试验。试验方案见表2。按现有试验规程对仪器尺寸的要求，Φ600型垂直渗透仪和600型水平渗透仪要求试样的D85不应该超过150 mm。表2中绝大多数试验方案都满足了现有试验规程对仪器尺寸的要求，只是GS4级配相对于D85仍有22．35%的超径颗粒，仪器尺寸偏小，其成果仅供参考。

表2 过渡料渗透变形试验方案表Table 2 Seepage deformation schemes for the transition zone material

针对GS3级配进行了3组粒径替代处理后的试验，密度为2．20 g／cm3。其中2组为部分粒径替代，即以60～80 mm粒径颗粒替代粒径80 mm以上颗粒含量（21%），级配不均匀系数仍维持全级配的11．3；1组为全替代，将 80 mm以上颗粒含量在0．5～80 mm之间的粒径组分摊后进行试验，不均匀系数变为14．9（见图3）。试图通过替代前后试验成果的对比，说明级配替代对试验成果的影响。

垂直渗透试验的水流方向为从下向上，水流通过多孔透水板向上进入试样。试样下游面在上，表面无支撑和防护，便于观察试验现象，淹没出流。

水平试验水流也是通过多孔透水板进入试样，试样下游面直立，依靠多孔透水板支撑；多孔板开孔直径为1．5 cm，开孔率为20%。出水室溢水口略高于试样顶面，使试样全断面过流（图4）。试验过程中可以密切观察水流清澈程度和出水室中有无试样颗粒沉淀。

图3 GS3级配替代曲线Fig．3 Gradation curves replacing the coarse grains with fine grains for GS3

图4 水平试验模型示意图Fig．4 Scheme for horizontal seepage tests

水平试验和垂直试验实际使用的渗径长度均为60 cm。

3．2 试验方法

在执行试验规程的同时，为了解决试样与渗透仪边壁接触问题，选择了水泥护壁的方法克服仪器边壁效应。在试样装填前，先在渗透仪内壁上涂上水泥，然后将事先制备好的试样按相应的密度，均匀分3层装填在渗透仪中。各层均采用表面振动器进行振动击实。试样装填好并待水泥初步凝固后，采用充分曝气后的水供水，调整供水水箱水位略高于试样底面位置，再缓慢提升水箱至一定高度，待试样中水位与水箱水位相等，并稳定一段时间后，再提升水箱水位。随着水箱水位上升，水由仪器底部向上渗入，使试样缓慢饱和，以排除试样中的空气。

试样充分饱和后开始试验。提升供水箱，使其水面高出渗透仪的溢水口，保持常水头差，形成初始渗透坡降，并按试验规程要求逐步提高渗透比降。反复测量每级比降下的流量，并观察描述该级水头下的试验现象，如水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒的跳动、移动或被水流带出、颗粒悬浮等。每次升高水头后，测记测压管水位，若连续3次测得的渗流量基本稳定，又无异常现象发生，即可提升至下一级水头。试验过程中，当试样中的细粒在渗透力作用下由静态转为运动时，说明土体内部结构发生调整，试样渗透流速会相应发生突变，分析该比降下的异常情况，综合评价以确定临界比降；当出现极浑浊水流（黑水）、下游面崩塌或者隆起时，表明颗粒大量流失，且土体结构彻底破坏，该试验比降即为破坏比降。

3．3 试验成果及分析

过渡料渗透变形试验成果见表3。在双对数坐标下画出试验测定的水流流速和试验比降关系图，称为JV曲线图。部分试验的JV曲线见图5。渗透变形发生前，JV曲线为一条直线。当曲线开始向右偏转时，渗透系数增大，说明试样发生了渗透变形。渗透变形临界比降还要密切结合试验过程中观察到的现象判定。当曲线向左偏转时，渗透系数减小，说明试样内部颗粒发生迁移造成了淤塞。曲线偶然转折后又恢复为沿转折前直线延伸的情况，很可能是由于试验模型中有气泡暂时堵塞了渗径上的部分孔隙。

图5 过渡料渗透变形试验JV曲线图Fig．5 Flow velocity versus hydraulic gradient in seepage deformation tests for the transient zone material

表3 过渡料渗透变形试验成果表Table 3 Seepage deformation test results for the transition zone material

过渡料的特例（GS1），在渗透比降达到1～2时，有浑水产生，表明过渡料中产生了细颗粒的迁移，JV曲线产生了左右摆动，而后随着渗透比降的增加，试验内部不断调整。以试验1－1为例，当渗透比降达到临界比降时，有浑水流出，但试样骨架未动；当渗透比降达到9．35时，试样有抬动并产生局部流土。试样先产生细颗粒迁移后再产生流土，其破坏形式为过渡型。

对于过渡料上包线，进行了有无透水板支撑的垂直渗透变形对比试验（分别为2－1和2－2）。试验2－1水流方向为由上至下，目的是研究在透水板的支撑作用下过渡料的最终变形和破坏趋势。从比降1．08以后，JV曲线就开始左转，表明试样内部已经有颗粒迁移和调整；比降达到6．9时，水浑且明显可见细粒料流出，此后随着比降的上升，流量不升反降；在比降达到80，更是有大量的细粒流出。此阶段试验结束后，再次由低到高地提升水头，进行新一轮循环的渗透变形试验，过程与第一循环类似，只是JV曲线在高比降下左右摆动的频率和幅度减小，曲线更规则。最大比降升达117时，水极浑，大量细粒流出。拆样时发现试样的骨架没有明显变化，但是多孔透水板产生了变形。此试验表明，坝体的过渡区在经历比较高的比降时，有流失细粒料的可能性，会否击穿，取决于主堆石料能否起到保护作用。在主堆石料的支持作用下，过渡料可以在很高的比降下仍然维持骨架的稳定。

试验2－2与本文中其他垂直试验一样，水流方向为由下至上。从比降0．95以后，JV曲线就开始左转，表明试样内部已经有颗粒迁移和调整；比降达到3．29时，曲线明显右拐，细粒料大量流失。比降最高升达38．36，其间JV曲线随着试样中细颗粒被水流大量带出，间或有因孔隙被淤塞造成的流速反而降低的现象。

对过渡料平均线进行了垂直和水平渗透变形试验，得到的垂直渗透系数为6．49×10－1～9．36×10－1cm／s，临界比降为0．27～0．62。试验3－3中，当渗透比降达到1左右时，曲线摆动，表明试样中部分颗粒在迁移和调整，但试样骨架仍然稳定。试验过程中都有细颗粒被带出，部分试样在边壁处贯穿，但不影响过渡料骨架的稳定。水平渗透变形试验得到过渡料的渗透系数为1．81～1．90 cm／s，临界比降0．44～0．55。在完成第1次提升水头的试验过程后，又进行第2次试验，此时JV摆动现象消失，表明在第1次提升水头过程中，试样中颗粒调整已经完成。由于渗透系数较大，实验室条件有限，试验比降不足以使试样破坏。

过渡料的下包线只进行了1组试验，没有发现细颗粒被带出的现象，其JV曲线也没有摆动或偏转，在有限的渗透比降范围内，没有产生渗透变形，渗透系数为7．02×10－1cm／s。

表3也列出了针对过渡料平均线GS3进行的粒径替代试验成果，JV曲线见图6。由试验成果可以看出，2种粒径替代试验的渗透系数范围、临界比降均与全级配样基本一致，而3种试样的JV曲线的形状也几乎相同。全级配样和部分替代样在试验过程中均未发生破坏，这说明，由于被替代的颗粒不多，且没有改变不均匀系数以及对渗透变形特性有重要影响的细粒部分的含量，部分替代样与全级配样的渗透变形特性是很相近的。而全替代样在试验比降为20．88时产生破坏，破坏形式为流土，全替代样的渗透变形特性与全级配样已经有一定的差别。根据成果对比，初步认为超径颗粒含量较少的条件下宜用部分替代方法处理，并尽可能维持不均匀系数不变。对于宽级配粗粒料渗透特性试验研究中超径颗粒的处理原则和方法，进一步的研究工作仍然在进行中。

图6 过渡料平均级配及其粒径替代级配料渗透变形试验JV曲线图Fig．6 Flow velocity versus hydraulic gradient in seepage deformation tests for the replacement gradation of the transient zone material

基于以上成果，可以对过渡料的渗透与渗透变形特性得到以下认识。

（1）GS1作为过渡料检测结果中的特例，其垂直渗透系数为1．95×10－2～6．28×10－2cm／s，垂直临界比降为1．1～1．2，接近垫层料的渗透性和临界比降试验成果［15］，这是其级配与垫层料级配很相近造成的。垂直破坏比降5．35～9．35。

（2）过渡料上包线GS2垂直渗透系数为3．03×10－2～8．87×10－2cm／s，垂直临界比降为3．29～6．90，垂直破坏比降18．44。

（3）过渡料平均线GS3垂直渗透系数为6．49×10－1～9．36×10－1cm ／s，垂直临界比降为0．16～1．15；水平渗透系数为1．81～1．90 cm／s，比垂直渗透系数要大一些，这说明分层填筑造成了各向异性，水平临界比降0．44～0．55。

（4）过渡料下包线GS4垂直渗透系数为7．02×10－1cm／s。

（5）部分试验中过渡料渗透破坏形式为过渡型，其余试验在实验室条件下没有发生渗透破坏。

根据设计要求和运行情况预测，可以对过渡区将实际发挥的功能作用与渗透稳定性进行评价。

（1）过渡料渗透性在10－2～100cm／s量级，与设计要求10－2～10－1cm／s相比，渗透性变化范围更大，主要是超过上限要求，这意味着大坝过渡区的排水性比设计要求的更好。考虑到施工分层填筑可能造成的各向异性，过渡区渗透性偏于设计上限，甚至超过设计上限的可能性更大。

（2）过渡料的临界比降在上包线或更细的极端级配条件下较高，可以达到1．1以上；较粗级配条件下，临界比降较低，最低为0．16。在面板完好运行条件下，预测大坝过渡区的比降变化范围为0．01～0．1，过渡区的渗透稳定性满足要求。在面板失效的极端条件下，预测过渡区可能出现的最大比降为7．1［16］，此时，过渡区自身难以满足渗透稳定要求。但是根据本文的试验成果，过渡料在发生渗透变形，甚至在细料大量流出后，借助多孔板的支撑可以在很高的比降下仍然维持骨架稳定，再次进行逐级水头的渗透变形试验时，JV曲线消除了摆动。这就说明，在极端不利的运行条件下，虽然过渡区内部结构难以维持稳定，但借助于主堆石区的支撑作用，骨架可以维持稳定。此时能否对垫层料仍然起到反滤保护作用，是极端运行条件下维持大坝渗透稳定性的关键，为此作者开展了反滤试验研究工作，成果将另文发表。