两河口水电站心墙堆石坝防渗心墙料的研究

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

两河口水电站心墙堆石坝防渗心墙料的研究

欧阳学金

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

两河口水电站工程堆石坝坝高295m，砾石土心墙料429万m3。由于该工程堆石坝高达300m级，国内尚无建设的成功经验，而且防渗土料分布较广，料源复杂。本文通过对防渗心墙的研究，论证了其合理性和可靠性，为同类型大坝心墙料的研究提供参考。

心墙堆石坝；防渗心墙料；研究

1 研究背景

两河口水电站挡水大坝为高达300m级的黏土心墙堆石坝，是目前世界上已建或规划在建中最高的土石坝之一。由于水库库容巨大，具有多年调节能力，大坝本身的安全关系到下游多个县城、集镇和多个水库运行的安全，为此对挡水坝的设计和筑坝材料分析提出了很高的要求。因此，开展心墙堆石坝筑坝材料性能、分区等方面的研究具有重要的工程应用价值。

2 工程概况

两河口水电站是雅砻江中上游梯级龙头水库电站，位于四川省雅江县境内，是雅砻江干流中上游规划建设的七座梯级电站中装机规划最大的水电站。土心墙堆石坝最大坝高为295m，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力，电站装机容量300万kW。枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、地下发电厂房、引水和尾水建筑物等组成。

2.1 工程等级及标准

两河口水电站为一等大(1)型工程，挡水建筑物为1级建筑物。

2.2 大坝分区设计

2.2.1 坝剖面

大坝为中央直立心墙布置形式，即中央为砾石土直心墙，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为过渡层及堆石坝壳。坝顶宽16m,最大坝高295m。上游坝坡坡度1∶2.0，下游坝坡坡度1∶1.9。大坝设计剖面见下图。

2.2.2 防渗心墙设计

心墙顶宽6m，顶高程2874.00m，高于最高静水位，顶部与防浪墙进行可靠连接；心墙上下游坡均为1∶0.2，河床心墙底基座顶高程2582.00m，顺河向宽度为123.6m；心墙与两岸坝肩接触部位的岸坡基岩表面设厚度为1m的混凝土盖板，为防止直接接触部位产生开裂、形成渗漏通道，盖板与心墙连接处铺设水平厚度4m的接触性黏土，以适应二者之间的大剪切变形。

大坝设计横剖面图

3 堆石坝防渗心墙材料的试验研究

两河口砾石土心墙堆石坝的筑坝材料主要包括黏土和石料两大部分，其中防渗心墙材料的性能是大坝设计的关键，为确保堆石坝的安全可靠，需对防渗心墙材料开展深入的试验研究。

3.1 黏土料

3.1.1 土料场概况及料源选择

雅砻江干流阶地较发育，上下游沿岸Ⅲ、Ⅳ级阶地较为宽缓，为水电站防渗土料主要分布区。受地形地质条件限制，沿江两岸各土料场规模相对较小，料源分散，性状不均一。大坝心墙砾石土设计需用量为429.39万m3，坝区防渗土料详查地质储量为1244万m3。按工程经验6∶4或7∶3掺合砾石后，土料料源总量满足设计要求。

根据坝型选择及筑坝材料料源选择，通过技术经济、征地移民和环保水保等综合比较，确定选择全部库区上游料场和下游西地料场。

3.1.2 土料的天然物理性质

3.1.2.1 土料的颗粒级配

经试验检测，西地、亿扎、亚中A区、苹果园、普巴绒、志理村、瓜里等料场土料细粒含量偏高，为低液限黏土或含砂低液限黏土，直接作为心墙防渗土料难以满足300m高坝的强度和抗变形能力要求，如掺配使用，在黏粒含量足够的情况下可满足防渗要求。

3.1.2.2 土料的力学、渗透和击实特性

经试验检测，西地、亿扎、亚中A区等料场土料为中—低压缩性土，摩擦角φ值最大值28.3°，抗剪强度较低,不宜直接采用；亚中B、C、D区的土料为低压缩性土，摩擦角φ值最小值29.9°，抗剪强度较高，渗透系数K满足规范要求，破坏比降if>8.35，可直接采用。

高压大三轴试验结果表明：亚中B区的土料抗变形能力较强；但西地料场的土料抗剪强度指标明显偏低，不能直接用在心墙低高程区域。

3.1.2.3 防渗土料化学分析

对亚中料场、苹果园等料场进行的双比重计分散性分析、黏土矿化分析、差热分析、X衍射试验分析表明：有机质含量、易溶盐含量、pH值均满足规范要求。主要矿物成分有可能以伊利石—蒙脱石、蒙脱石为主。黏土均为非分散性土，可作为防渗土料料源使用。

3.1.3 室内掺合试验及掺合料性能评价

由于各料场不具备混采改良级配条件，为改善防渗土料的力学性能，对防渗土料与坝址上下游分布的砂岩、板岩夹砂岩人工破碎料掺合的掺合料室内试验，共进行了3种掺合方案、4种掺配比(干重量比)的研究。方案拟定如下：

方案①：掺砾料粒径范围为100～10mm，选择了掺20%～50%共4种掺配比。

方案②：掺砾料粒径范围为200～<5mm，选择了掺35%～55%的3种掺配比。

方案③：掺砾料粒径范围为150～5mm，选择了掺30%～50%的3种掺配比。

3.1.3.1 掺配方案选择

对比3种掺配方案，随砾石掺量的增加，防渗土料的抗剪强度值、压缩模量有所增加，且为低压缩性土，渗透系数满足规范要求，作为防渗土料均可行。

从掺配工艺和施工经验角度分析，方案①掺配料上下包线范围值最窄，掺合简单；方案②掺配料中含有小于5mm颗粒(砂)，包线范围值最宽，且击实后5～0.25mm含量占细粒含量增加11%，可适当改善级配；方案③级配介于前两个方案之间。考虑在施工过程中，方案②中砂的施工掺配很难均匀，可能成“团粒”存在于掺合料中且对防渗性能将带来不利影响。综合考虑，选择掺配方案③。

3.1.3.2 掺配比例选择

亚中A区土料与板岩夹砂岩破碎料掺合比例选择3种方案，分别为7∶3、6∶4、5∶5；同时考虑级配可能出现不均匀情况，按照以上比例分别与掺砾料上下包线掺合进行研究。物理力学试验结果表明：与比例为7∶3和6∶4的掺配料对比，亚中A区均线与破碎料上下包线掺配比例为5∶5的土料的各项力学指标更接近规范要求或已建工程经验的底限，故掺配比例为7∶3和6∶4的方案优于掺配比例5∶5方案。

3.1.4 前期碾压试验

为研究掺砾料加工、掺合施工工艺的施工可行性，复核、论证设计参数，在大量土料掺合方案室内试验的基础上，进行现场掺砾掺合及碾压试验。

3.1.4.1 室内试验

在现场碾压试验前，对土料场进行了物理性试验，各区土料级配组成包线范围值均位于详查土料级配组成包线范围值内，天然含水率范围值比详查阶段天然含水率范围值偏高1.7%～3%。

为确定现场碾压试验土料的控制指标，还进行了击实功能为2740kJ/m3的室内击实试验。试验用料采用苹果园B区掺合料，掺砾料采用方案③平均级配。

3.1.4.2 现场碾压试验

现场碾压试验针对苹果园B区掺合料进行，并通过试验了解土料压实前后的物理、力学、渗透性能。

a.碾压试验控制指标。现场碾压试验中采用室内重型击实试验成果作为控制指标，采用全料或细料压实D≥0.99和全料或细料含水率W0p-2.0%≤Wf≤W0p+2.0%作为控制标准，最大颗粒粒径dmax控制在不大于150mm。

b.碾压参数。碾压参数初选首先根据室内击实试验成果初步选定碾压机具，然后通过分析不同铺土厚度、碾压遍数、行车速度的碾压前后土料物理、力学、渗透性能，选择合理的碾压参数。

现场碾压试验土料包括：A料(苹果园∶砾料=70%∶30%)、B料(苹果园∶砾料=60%∶40%)。碾压试验松铺厚度共分30cm、40cm、50cm三种，碾压机具采用W2005PDW型20.2t凸块振动碾，碾压前先静压1遍，再振动碾压6遍、8遍、10遍、12遍，碾压速度分别为1.5km/h、2～3km/h、4～5km/h。

铺土厚度、碾压遍数与干密度关系曲线表明：铺层30cm、40cm厚时，随着碾压遍数增加，干密度数值逐渐增大；铺层50cm厚时，碾压遍数大于10遍，部分试样干密度值仍处于较低范围内。铺土厚度、碾压遍数与沉降量关系曲线表明：铺层30cm、40cm厚时，随着碾压遍数增加，沉降量逐渐收敛，铺层50cm厚时，碾压遍数大于10遍，沉降量仍有较大增加。从各种料30cm、40cm、50cm铺料厚度碾压效果看，铺层30cm碾后平均厚度为27cm，较薄，不利于以后的大面积填筑，满足不了施工强度；铺层40cm碾后平均厚度为38cm，适于20.2t凸块碾压机碾压，铺料厚度较合适；铺层50cm碾压后平均厚度为46cm，超出20.2t凸块碾压机最优碾压深度，上层底面和下层上表面结合带相对较软弱。此次碾压试验初步选择40cm铺层厚度。

综上所述，该阶段碾压参数初步拟定：铺土厚度为40cm，静压1遍、振动碾压10遍(均为进、退为一遍)；行车速度为2～3km/h(中速)；填筑含水率为W0p-2.0%≤Wf≤W0p+2.0%。

3.1.5 防渗土料掺合料

根据土料场分布特点，在左下沟沟口下游设置掺合场，掺合所用的砾石采用左下沟料场石料及回采渣场的工程洞渣料。左下沟料场出露岩性为板岩夹少量砂岩，储料丰富，物理力学性质与掺配试验采用的无名沟、湾地沟料场料接近，可以满足掺配要求。

心墙防渗土料分区利用原则如下：

a.在初期导流洞下闸蓄水之前，心墙料优先采用上游库区淹没范围内防渗土料场的天然料或掺合料，以尽量减少临时征地及移民搬迁的数量。

b.在满足防渗和抗渗要求的条件下，心墙低高程部位应采用粒径相对较粗、力学强度指标相对较高的天然料或掺合料，中、高高程可适当放宽要求。

按以上原则，经分析提出防渗土料的应用方案如下：坝体心墙2780.00m高程以下划分为A区，需心墙料300万m3，采用上游库区亿扎、志理、亚中A区、苹果园、瓜里料场B区的掺合料以及亚中料场B、C区的天然料，2780.00～2805.00m高程范围划分为B区，需心墙料40万m3，采用下游西地料场和上游瓜里料场A区的掺合料，2805.00m高程以上划分为C区，需心墙料91万m3，适时采用下游西地料场和上游瓜里料场A区以及普巴绒料场的天然料或掺合料。

4 结 语

通过对两河口砾石土心墙堆石坝筑坝材料的室内和现场碾压试验研究，获得以下几点认识：

a.针对该工程防渗心墙土料分布较广、料源复杂的特点，通过大量细、粗粒土筑坝材料物理力学试验研究，提出了大坝砾石土心墙掺配比的合理级配与物理力学性能指标，论证了掺砾心墙料的设计安全性和运行可靠性。研究成果已应用于工程实际，为该工程堆石坝设计提供了重要的依据。

b.通过技术经济、环保和征地移民等综合比较分析，选定上游的亿扎、亚中、苹果园、普巴绒、志理村、瓜里料场和下游的西地料场作为心墙防渗土料场。通过防渗土料天然物理性能研究，大部分土料直接应用不能满足300m高坝运行要求。为改善防渗土料的力学性能，通过对亿扎A区、亚中A区、苹果园B区防渗土料掺合坝址上下游分布的砂岩、板岩夹砂岩人工破碎料的3种掺合方案、4种掺配比(干重量比)的掺合料室内试验研究，掺砾料粒径范围150～5mm、掺砾料掺配比7∶3～6∶4(重量比)的方案③级配组成较优，防渗和强度指标均可满足规范要求，并符合国内外同类坝型的设计经验。通过初步现场掺合碾压试验论证了其合理性。

c.由于国内外没有快速填筑完成300m级的砾土质心墙堆石坝的成功经验，即使目前已填筑完成的261.5m高的糯扎渡心墙堆石坝，由于完工时间较短，仍需要时间的考验，为此对300m级堆石坝的防渗心墙料建议仍有必要在下一步的工作中继续开展深入研究。

d.展望高土石坝防渗心墙材料的研究，由于土石坝筑坝材料取材丰富、便于施工，随着西部大开发的继续推进、南水北调西线方案的实施，将可能出现更多的300m级、甚至400m级的高土石坝，对高土坝防渗心墙料开展进一步的深入研究仍有广阔的前景，本文对其他高土石坝心墙材料的研究具有一定的参考意义。

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ResearchofCoreWallRock-fillDamAnti-seepageCoreWallMaterialsinLianghekouHydropowerStation

OUYANG Xue-jin

(YalongRiverBasinHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610051,China)

Rock-fill dam of Lianghekou Hydropower Station Project is as high as 295m. Gravel soil core wall material of 4.29 million m3is adopted. Since the rock-fill dam in the project reaches 300m grade, there is no successful construction experience in China. Besides, impervious soil materials are widely distributed, and material sources are complex. The reasonability and reliability of the core wall are discussed through studying anti-seepage core wall, thereby providing reference for studying similar dam cor wall materials.

rock-fill dam; ant-seepage core wall material; study

TV441

A

1673-8241(2014)08-0067-04