混凝土面板堆石坝填筑料试验分析与应用

宋春娟 刘淑晶 高 崇

（吉林市水利水电勘测设计研究院，吉林 132013）

1 问题的提出

楚松水库位于西藏日喀则地区白朗县汪丹乡南 7km，年楚河二级支流嘎雄曲河上，海拔高程4190.4m，是以灌溉、供水和发电为主的公益性水利工程项目。水库枢纽工程由钢筋混凝土面板堆石坝、溢洪道、输水隧洞及电站组成。

钢筋混凝土面板堆石坝最大坝高39.67m，坝长312m，总库容1460万m3。

楚松水库在做坝体填筑料设计时经过各种物料的实地勘察，坝址区附近硬岩堆石料比较缺乏，储量及质量不能满足筑坝所需。该地区符合设计要求的硬岩堆石筑坝料料场位置较远，故设计时根据工程区附近料源情况，选取附近河床天然砂砾石料。通过土工试验，论证砂砾石填料是否能满足主堆石区的填筑要求，通过比选，为设计提供经济合理的料源。

2 混凝土面板堆石坝填筑料试验

2.1 堆石坝填筑料来源

经过实地勘察，填筑料选用工程区附近楚松料场和巴金料场河床天然砂砾石料。两处料场的砂砾石料储量较多，能够满足设计要求。共选用二十四组土样进行了土工试验。

2.2 堆石坝填筑料试验内容

对楚松料场和巴金料场土样分别进行了三组三轴剪切试验，三组压缩试验（饱和状态），三组垂直管涌试验和一组水平管涌试验。另外采用表面振动法对楚松、巴金料场砂砾石进行两组相对密度试验。

试验严格按照《土工试验规程》进行操作。

2.3 填筑料试验控制条件

2.3.1 试验级配

试验仪器允许最大粒径为60mm，对楚松料场和巴金料场砂砾石超径料采用等量代替法处理。替代后可保持原级配基本特性不变。

砂砾石平均级配见表1。

2.3.2 试验控制干密度

楚松水库混凝土面板堆石坝主堆石填筑密度控制标准为Dr=0.80。通过采用表面振动法对楚松、巴金料场砂砾石料进行相对密度试验，成果见表2。

表1 砂砾石平均级配

表2 相对密度试验成果

3 土工试验成果及分析

3.1 抗剪强度

试验用粗粒土大型三轴剪力仪，试样直径300mm，高680mm，表面振动法分层制样，抽气法饱和，剪切速率为每分钟0.3%轴向应变量，最大压力0.6MPa。

抗剪强度和应力应变参数试验值见表3。

利用库仑定律整理得饱和状态时的 C值和 φ值，φ大于其坡角 32°。在不考虑咬合力的情况下，按内摩擦角和lgP之间存在近似直线关系整理成果。在低压力的情况下，垫层料的内摩擦角远大于其坡角，故上、下游坡是稳定的。

试验表明，楚松料场和巴金料场砂砾石偏应力和轴向应变关系（σ1～σ3）～ε1为应变软化类型，有明显峰值，剪胀性较强，符合一般砂砾石抗剪强度和应力应变关系特性。两个料场砂砾石的抗剪强度和切线模量系数有所不同，其影响因素主要是两种砂砾石的颗粒级配。巴金料场砂砾石细料含量较多，其抗剪强度和切线模量系数低于楚松砂砾石。

3.2 压缩性

试验采用粗粒土大型浮环式压缩仪，试样直径505mm、高250mm，振动法分层制样，浸水法饱和，自控液压施加垂直压力，压力分级为：0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 和 1.2MPa。

对楚松和巴金料场砂砾石压缩试验试验成果绘制e～P关系曲线，见图1、2。

表3 堆石料抗剪强度试验成果

图1 楚松料场e ～P关系曲线

图2 巴金1#料场e ～P关系曲线

由 e～P关系曲线可以看出：楚松和巴金料场砂砾石在低压力下的压缩变形量较大，较高压力下e～P曲线趋缓，符合砂砾石一般压缩特性。但也表明砂砾石的初始紧密度略小。从砂砾石颗粒组成与压缩变形关系来看，细料含量较多的巴金砂砾石压缩性大于楚松砂砾石。

总的来看，楚松和巴金料场砂砾石属低压缩性填筑料，其平均压缩模量为42.2～81.07MPa，其中楚松料场砂砾石的压缩特性较优于巴金砂砾石。施工期碾压密实，可满足设计要求。

3.3 渗透特性

试验用粗粒土大型管涌仪，试样直径 300mm、高 450mm，振动法分层制样，逐级提高上游水位排气饱和，渗流方向向上。水平管涌用水平管涌仪，试样面积300×400mm，长600mm。

试验结果：楚松料场垂直渗透系数为 2.18×10-1，临界坡降为0.21，破坏坡降为1.18；水平渗透系数为3.67×10-1，临界坡降为0.17，破坏坡降为0.86。巴金料场垂直渗透系数为2.32×10-2，临界坡降为0.31，破坏坡降为2.3。

图3 楚松和巴金料场砂砾石i～v关系曲线

从颗粒组成分析，砂砾石级配曲线连续，不均匀系数大于50，可以初步判定其透水性较强，渗透变形为管涌类型。

由实测 i～v曲线看，楚松和巴金料场砂砾石渗透变形为管涌型。当试样产生渗透变形后，一些细小颗粒开始移动或流失，稍粗颗粒的移动堵塞了部分孔隙通道，使过水断面积减小。

由 i～v曲线反映其坡降增高，流速减小，随着试样变形的发展，最终出现坡降减小，流速增大，发生管涌破坏。

楚松料场砂砾石细料含量比巴金料场少约10%，其渗透系数约增大10倍，临界坡降减小约40%。楚松料场砂砾石垂直和水平渗透特性相近，水平渗透系数略大，临界坡降和破坏坡降均略小。

4 土工试验结论及建议

经过上述试验分析，可得如下结论。

（1）楚松和巴金料场砂砾石天然级配较好，细料以砂为主，含泥量少，片状砾石颗粒含量较多，抗剪强度较高，压缩性较小，透水性较强。试验结果表明，楚松和巴金料场砂砾石是一种较好的天然筑坝料，满足混凝土面板堆石坝主堆石填筑设计要求，可以作为坝体主堆石区填筑料，通过采取一定的技术措施及施工控制，使填筑指标满足混凝土面板堆石坝填筑标准。

（2）楚松和巴金料场砂砾石颗粒组成有一定差别，巴金料场砂砾石细料含量略多，其抗剪强度和透水性略低于楚松砂砾石，压缩性比楚松砂砾石略大。使用时可以优先考虑楚松料场，或进行混合开采分区使用。

5 结 语

通过土工试验，两处料场河床砂卵石料各项指标可以满足工程设计要求。设计时对两处料场作为筑坝料及符合设计要求的硬岩堆石筑坝料分别进行了工程投资估算。

结果采用楚松和巴金料场作为填筑料可节省工程投资289万元。故推荐采用楚松和巴金料场砂砾石料，这样可以充分利用当地建筑材料，节省三材，经济合理。