混凝土面板堆石坝垫层料的设计准则

凤 炜 高 强 李晓庆

（新疆农业大学水利与土木工程学院 新疆乌鲁木齐 830052）

1 垫层设计的演变

由于设计者的实践经验不同，对垫层区的作用及材料的具体要求不同，也就产生了不同的设计思想，其演变过程大体上可以划分为4 个阶段。

1.1 第1 阶段

这一阶段垫层料均采用强透水的粗颗粒，最大粒径Dmax为200～300mm，并剔除小于25mm的骨料。其目的在于确保颗粒间紧密接触形成稳定的骨架，避免当面板或接缝产生渗漏时，细颗粒将被渗流冲蚀，进入大孔隙的堆石体中，产生内部管涌，从而在面板下形成一个局部架空区，并进一步引起渗漏的加大。

1.2 第2 阶段

开始采用级配垫层。不剔除细料的主要原因有：（1）当混凝土面板和接缝漏水时，垫层将起到半透水作用；（2）筛除细料的垫层料加工费用昂贵；（3）含有细料的垫层料容易整理成要求的外形，使浇筑的面板厚度均匀，避免混凝土超填。

这一时期允许细料的存在，改善面板的受力条件，同时开始提出半透水性要求。

1.3 第3 阶段

采用半透水级配垫层。在运行期面板和接缝漏水时，由于垫层料的渗透系数较小，可以限制进入坝体的渗透流量。垫层对粉质砂土能起反滤作用，以达到堵漏目的。基于上述思想，谢腊德和国际大坝委员会提出了对垫层料的期望颗粒级配组成，详见表1。并逐步完善了对垫层料的性能要求。80年代以来所建各坝，垫层料中细料含量明显增大，最大粒径日趋减小。

表1 垫层料级配

1.4 第4 阶段

在总结了前期一些工程采用粉土处理大坝严重渗漏经验的基础上，巴西学者提出了“自愈性止水”结构的概念，明确提出垫层料必须对粉质类防渗土料具有反滤作用，并通过试验加以确认（即强调了垫层料的保砂性）。从混凝土面板堆石坝防渗的角度来看，垫层料是周边缝、板间缝止水系统的一个组成部分。

从上述设计发展过程来看，进入第三、第四阶段后，更加突出了垫层在混凝土面板堆石坝防渗性能中的作用。

由于垫层料的最大粒径变细，小于5mm 颗粒含量增高，因此，在第一阶段人们所关心的垫层料的渗透稳定性问题再次引起了坝工界的关注，特别是采用冲积的砂砾料直接加工的垫层料。产生这一问题主要是因为冲积砂砾料具有如下特点：

（1）离散性。由于沉积条件的不同，所形成的砂砾石的级配也不相同，具有明显的随机分布规律，导致用它所生产的垫层料具有级配不均匀的特性。

（2）级配间断性。即非连续级配，山区峡谷地段砂砾料这一特性更为突出。这种级配的不均匀系数大于100，是一种典型的管涌土，它的渗透稳定性是渗流控制的主要矛盾。沟后坝失事以后，以砂砾石为坝料的工程的安全性，更引起人们的重视。

（3）施工易分离性。砂砾石坝料施工时极易产生分离，容易导致坝体分区界面上砂砾石料的不均匀性，难以保证渗流过渡。

2 垫层料基本要求和选择

垫层料应满足如下的要求：

（1）材质必须是坚硬、质地新鲜石料；

（2）垫层料的强度和变形均应满足坝坡稳定以及面板、垫层、过渡层变形的要求；

（3）施工时要有良好的抗分离性能；

（4）垫层料必须满足坝体渗透和渗透稳定性要求。

垫层料在下面两种情况下必须保证其渗透和渗透稳定性。

2.1 第1 种运行工况

施工时当利用垫层挡水渡汛或运行期面板及接缝防渗（止水）失效时，在正向渗透水压力作用下，能够确保其渗透和渗透稳定性。

为研究垫层料和主堆石坝料的渗透和渗透稳定性，采用了大型高压渗透仪实验装置，其有效直径为100cm，有效工作段长度（即渗径）为120cm，最大承受水头为100m，这就可以使用原级配材料进行渗透试验，真实地反映材料的渗透性状。试验时渗透水流由上向下，垫层底部铺设l00mm 等径砾石进行保护。针对乌鲁瓦提垫层料我们进行了3组试验。

第1组以乌鲁瓦提河床天然砂砾石为原料，直接过筛制备垫层料，最大粒径为80mm，小于5mm 颗粒含量占35%，小于0.1mm 颗粒含量为4%～7%，试验样品的级配曲线尾部偏离谢腊德（Sherard）垫层料级配曲线（见图l）。

图1 乌鲁瓦提垫层料级配曲线

试验发现，随着渗透比降的增加，垫层内的细砂不断被带出。当维持总水头不变时，垫层内部各测点处的测压管水头不断的变化调整，内部渗透比降也在变化，也就是各测段的渗透系数不断的变化。这反映出垫层内部的砂石颗粒在渗透水流作用下发生移动，易位调整。当渗透比降达到13 时，出水口大量涌砂，垫层产生了渗透破坏。

第 2组为研究颗粒形状对垫层渗透和渗透稳定性的影响，上述垫层料中5～40mm 粒径的砂料采用碎石和卵石各占50%掺和，小于5mm 的细料采用天然砂和人工砂各占50%掺和制备试样。与第一组相似，在总水头维持稳定的条件下，垫层内部各处的测压管水头在不断的变化，反映了垫层内部颗粒排列结构在渗流作用下不断调整，内部各段的渗透系数也不相同，处于非均匀状态。试验过程中发现垫层中到上中部渗透系数较大，所承受总比降的百分比较下部小，在下部，形成一个低渗透系数区域，暂称为“渗淤层”。这个层的厚度不大，但承受着较上部更大的总比降的百分比，“渗淤层”在试验进行72 小时后，总渗透比降达92（限于设备条件未能使试样承受更高的渗透比降）。内部各测压管水头始终在变化调整，但垫层并未产生渗透破坏。

第3组试验用料与第二组相同，但严格按照谢腊德（Sherard）级配曲线配制试样。试验结果表明：总渗透比降达到132 时（因设备条件的限制）也未产生渗透破坏。总水头维持稳定时，内部各测压管水头变化不大，反映出垫层内部颗粒在渗流作用下，很少产生移动易位，处于结构稳定状态。与前两组不同，垫层中沿渗流方向由上至下各测压管间水头损失递减，即水头损失主要集中在垫层的上部，约占总水头损失的70%。这表明该级配的垫层料内部颗粒间互相制约，具有“自反滤性”。下部的垫层料对上部能够起保护作用，有效的防止了渗透破坏的发生。显然，从渗透稳定的角度看，这种具有良好级配的垫层料具有渗透内部稳定性，能够承受更高的渗透比降。

通过以上3组试验可以得出如下几点结论：

（1）垫层料的颗粒形状对其抗渗强度有一定的影响，以人工碎石取代部分或全部的天然砂砾石所制备的垫层料的抗渗强度远高于天然砂砾石直接过筛生产的垫层料。

（2）生产垫层料时，仅控制最大粒径、小于5mm和小于0.1mm 颗粒含量，而不限制相对含量的垫层料的渗透稳定性就难以保证。特别是细料的不均匀系数较小时，更容易产生渗透破坏。

（3）通过试验可知，谢腊德（Sherard）所建议的垫层级配，决不仅仅是为了克服施工过程中坝料的分离，并保证半透水性，而是一种匹配严谨、相互嵌咬、互相制约、各粒组均参与骨架作用的材料。这种垫层料具有较高的抗渗能力。

2.2 第二种运行工况

施工时利用有保护的垫层挡水渡汛，在反向渗透水压力作用下，确保其渗透和渗透稳定性。这种工况的垫层承受由下向上的渗透水流作用，此时，垫层的抗渗强度远低于第一种工况，其渗透破坏形式可以是管涌、流土或过渡型中的一种。表2 给出了反向渗透水压力作用时几种渗透变形的破坏比降和允许比降。

表2 反向渗透水压力作用时渗透变形的破坏比降和允许比降

这种工况的渗透破坏在施工期水位骤降时，特别是高坝小库容时更为危险。最典型的破坏实例是梅索科巴坝。该坝坝高135m，垫层料由天然砂砾石直接过筛获得，并含有较多的粉细颗粒，采用喷混凝土保护。施工中承包商将原设计的二期面板施工改为一期，使垫层坡面保护层大面积长期暴露在空气中，并遭受到暴雨冲刷、冻融、施工中的滚石及人为破坏。在反向渗流作用下，使喷射混凝土保护层的破坏范围扩大，最终因粉细砂被渗流带出坝体而发生管涌，导致坝坡塌方事故。梅索科巴坝的塌方实例说明：必须重视防止垫层料在无保护，同时又承受反向水压力作用条件下所引起的渗透破坏。垫层料自身必须具有较高的抗渗能力，其渗透系数不应太小，以保证外水位下降时垫层内的水位相应下降，减小内外水位差，降低反向渗透坡降，防止渗透破坏。乌鲁瓦提大坝为高坝小库容，河谷狭窄，上游河道短、纵坡大，调蓄能力小，导流洞泄洪能力大，洪水猛涨速泄，极易出现水位骤降。在导流洞无控制敞泄时，库水位降落速度难以限制。考虑到原垫层级配不够合理，后调整了面板施工的分期，采用面板挡水渡汛，并在深基坑紧邻垫层后设置减压井，以消除反向水压力对面板的破坏。

综上所述，为保证两种工况下垫层的渗透和渗透稳定性，在垫层料选择时应满足如下的准则：

（1）级配特征准则。保证垫层料级配曲线的连续性，应满足：最大粒径：Dmax=80～100mm；小于5mm 粒径含量应控制在35%～55%；小于0.1mm 粒径含量应控制在2%～ 7%；不均匀系数Cu=40～80；曲率系数Cc=1～3。

（2）自反滤性准则。为防止垫层料在正向和反向渗透水压力作用下产生渗透破坏，它就必须具有“自反滤性”（或称“内部稳定性”）。谢腊德早在1984年就提出宽级配坝料“自反滤性”分析方法：将坝料分成粗细两部分，混凝土面板堆石坝坝料分界粒径可以是5mm。如果粗细两部分满足太沙基反滤准则，即：

式中：D15为粗粒部分级配曲线纵坐标上小于某粒径含量15%时所对应的粒径：d85为细料部分级配曲线纵坐标上小于某粒径含量 85%时所对应的粒径。

则表明粗粒部分能够对细粒部分起到反滤保护作用，这种垫层料就具有“内部稳定性”，它具有较高的抗渗稳定性。

（3）渗透性准则。垫层料应具有半透水性，其渗透系数以控制在10-3～10-4cm/s 范围为宜。这既可限制进入坝体渗透流量的要求，又不会使垫层大范围长期处于饱和状态，也不会在施工时产生孔隙水压力而影响碾压。由图2 可知：当渗透系数小于10-2cm/s 时，其抗渗比降显著增加，上述的控制范围有利于垫层的渗透稳定。垫层的渗透系数也不宜过小，特别是在地震区的面板坝。

图2 无黏性土的临界水力比降与渗透系数关系曲线

（4）保砂性准则。垫层料应能对粉质土、粉煤灰等防渗料起到反滤保护作用，以在面板开裂和变形伸缩缝止水失效时形成“自愈性”止水结构。

实际上，当垫层料满足上述几项要求后，其强度、变形模量和施工条件等均能够自动达到设计要求。

3 垫层的结构

选择垫层的尺寸时应注意以下几点：

（1）满足渗透稳定性要求，特别是采用薄垫层或在施工期依靠垫层挡水渡汛时，垫层所承受的水力坡降应小于垫层料的允许渗透比降；

（2）满足施工工艺要求，所选用的垫层宽度必须与所选用的施工机具相适应；

（3）节省工程费用。为满足机械化施工要求，早期的设计是，坝顶处垫层一般最小宽度应不小于3m，从坝顶向下，逐步加宽。工程实践的经验表明，当垫层的级配满足强度和抗渗要求，垫层的水平宽度通常不由其所承受的水力比降控制，而取决于料源、河谷形状和施工工艺。一般认为2～3m 已足够。这也是采用自卸料车、推土机推铺散料等施工机械所要求的最小宽度。考虑到垫层料往往需要加工，生产成本高，若生产不及时，还会影响坝体填筑进度。改变铺料方法，虽然可以减小宽度，但费用增加。因此，垫层区的水平宽度实际上由经验和经济比较最终确定。80年代以后，垫层区普遍采用上下等宽，但在垫层与岸坡基岸的连接处可适当加宽。岸坡很陡或强地震区的坝，则由于面板接缝止水系统局部破坏的可能性比其他地区相同高度的坝大，为减少接缝止水破坏后的渗漏量，岸坡附近的垫层亦应适当加宽。经验表明，虽然有些坝体材料具有低压缩性，但在坝头坡岸很陡的情况下，坝体也会沿坝头岸坡产生滑动。因此在岸坡很陡时，可在岸坡和堆石体之间加设垫层料。既可提高接触带压实密度及变形模量，又可减少滑移，并使坝料沿岸坡滑动后不易出现空隙，以减少接缝止水破坏的可能及破坏后的渗漏量。

澳大利亚从80年代起，采用1m 宽垫层，5m过渡层代替传统的3m 宽垫层和3m 宽过渡层。总的趋势是垫层减薄，垫层料变细。为了整坡，采用人工耙平时，限制垫层料最大粒径为75mm；采用机械整平时，限制最大粒径为150mm。垫层料中应含有一定数量的细料（<0.075mm），以限制面板开裂后的渗漏水量，但不宜超过8%，否则施工时将产生孔隙应力而影响压实。

我国已建成的成屏一级坝和龙溪坝都采用了这种薄垫层结构，垫层宽度1m，运行后情况未见异常，并取得了一定的经济效益。

由于垫层料级配要求严格，常需加工筛选，成本较高。为降低费用和方便施工，近年来一些工程将垫层区又分成两个区，形成“双层垫层”结构。垫层总宽 1m，其上游侧采用水平宽度0.3～0.5m 的细料作为面层，该层由常规垫层料剔除大于38mm 的粒料组成，故细料含量较高，级配良好。

采用双层垫层结构的关键是把好施工质量关。通常的做法是在碾压完的坝体填筑面上，用白粉划出双垫层的界限，然后先铺填下游侧的粗垫层，用反铲清出白线，清除界面上的集中粗料粒并形成与上游坝坡相同的坡度。细垫层宽0.5m，用反铲施工，先将细料堆放在粗垫层料上，再用反铲取料摊铺，以保证两层垫层的厚度，也有利于克服接触层面上粗粒料集中现象，两垫层铺填完毕后进行碾压。

垫层料粒径减小后，一些设计者顾虑的问题有2 个。一是在发生库水位骤降时垫层中的水份不易排出，将对面板产生浮托力，不利于面板的稳定；二是垫层中的积水在北方冬季容易发生冻胀，破坏面板。由于垫层较薄，又是倾斜布置在坝体中，位于其后的过渡层、主堆石的渗透系数较垫层料大数十倍以上，故进入垫层的渗水在重力作用下，渗流基本上是垂直向下的，很容易排出，不会出现上述的危险。

1 蒋国澄，傅志安，凤家骥.凝土面板坝工程[M].湖北：湖北科技出版社，1997.

2 凤家骥.垫层料渗透及渗透稳定性研究[J].华东水电技术，2000，(1)：43-47.

3 刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M].北京：中国水利电力出版社，2006.

4 刘杰.土的渗透稳定性与渗流控制[M].北京：水利电力出版社，1992.