瀑布沟宽级配砾质土防渗料的突出特点及工程意义

2015-06-05李小泉李建国

水电站设计 2015年2期

关键词：黏粒料场土料

李小泉，李建国，罗欣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司科学研究所，四川成都 610072）

瀑布沟宽级配砾质土防渗料的突出特点及工程意义

李小泉，李建国，罗欣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司科学研究所，四川成都 610072）

土质心墙堆石坝的设计中，防渗料的选择和适宜性是关键问题之一。采用砾质土作为防渗料已成为世界高坝发展的趋势，其优点为国内外工程实践经验所证实。瀑布沟水电站大坝，属国内首次将宽级配砾质土用作心墙防渗料于深厚覆盖层上修建高土石坝，在中国坝工史上有着里程碑般的意义。本文通过将瀑布沟宽级配砾质土防渗料与国内外诸多高坝工程防渗料的对比，揭示了瀑布沟防渗土料的突出特点；通过施工期的检测与复核，验证了应用效果的可靠性，并归纳了其成功应用的工程意义。

宽级配砾质土；防渗土料；黏粒含量；工程意义

0 前言

土质心墙堆石坝的设计中，防渗料的选择和适宜性是关键问题之一。以往土石坝防渗体材料的选择，多用纯细粒黏土，但在实际工程中，坝址附近往往没有足够的细粒黏土，以砾质土、风化料及冰磧土等为代表的粗粒土就成了工程师们的替代选择。国外一些没有或缺少细粒土的地区，已有诸多用粗粒土作防渗料筑坝的成功范例，如塔吉克斯坦的努列克、美国的奥罗维尔、加拿大的迈卡。瀑布沟水电站大坝则为国内首次在深厚覆盖层上应用宽级配砾石土作心墙防渗料修建的高土石坝，其成功经验已为国内多座高土石坝在设计和建设中借鉴和推广。但与其他所有类似工程相比，瀑布沟宽级配砾质土防渗料的特点仍较为突出。

1 国内外高坝防渗土料与瀑布沟防渗料对比

分别收集了国内外100 m以上高土石坝采用宽级配砾质土作心墙防渗土料工程实例：从图1、2可直观地查看世界各国主要高坝工程防渗体的级配特性指标，并突出标出了瀑布沟宽级配砾质土心墙防渗土料在国内外高心墙堆石坝防渗土料级配曲线图中所处的位置。从图上可以看出，成功运用的防渗料小于5 mm的颗粒含量最小为42.33%（狮子坪），瀑布沟为41.14%；小于0.075 mm的颗粒含量最小为16%（马特马克），瀑布沟为11.49%；小于0.005 mm的黏粒含量最小为4.5%，瀑布沟为5.15%，为国内最小值。泥山坝小于5 mm的颗粒含量为38%，小于0.075 mm的颗粒含量为5.7%，小于0.005 mm的黏粒含量最小为2%，但其心墙曾发生过渗透破坏。结合图表进一步分析：从国外已有宽级配砾质土作心墙土料实例看，瀑布沟黑马料位于下包线偏低位置，细粒段仅比泥山坝略高，但泥山坝工程已失事；从目前国内应用实例看：瀑布沟水电站大坝防渗料为国内黏粒含量最小（小于0.005 mm黏粒含量低于6%）的宽级配砾石土。

2 国内规程规范对砾石土防渗料的技术要求

《碾压式土石坝设计规范》（DL／T 5395－2007）填筑防渗体砾石土要求：粒径大于5 mm的颗粒含量不宜超过50%，0.075 mm以下的颗粒含量不应小于15%，且小于0.005 mm的颗粒含量不宜小于8%。

《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》（DL／T 5388－2007）填筑防渗体砾石土要求：粒径大于5 mm的颗粒含量不宜大于50%，0.075 mm以下的颗粒含量不应小于15%，且小于0.005 mm的黏粒含量在全级配中宜不低于6%～8%，击实后渗透系数小于1×10－5cm／s。

因此从国内两规程规范对砾石土防渗料的技术要求来看：瀑布沟砾质土防渗料小于0.075 mm的颗粒含量（11.49%）超出了规范的要求；小于0.005 mm的黏粒含量（5.15%）超出了规范推荐的下限。

图1 瀑布沟与国外几座高心墙堆石坝防渗土料级配曲线

图2 瀑布沟与国内几座高心墙堆石坝防渗土料级配曲线

3 瀑布沟水电站防渗料料场的选择过程及改良方案

瀑布沟心墙防渗料料场的选择有一复杂漫长的过程，1986年进入预可研设计阶段后，进行了大量的试验研究工作：在50 km范围内曾分别对深启低、黑马0区、黑马Ⅰ区、老堡子、田街子、乌斯河、新寨子、卡尔、管家山等料场和距坝址35 km的红花料场进行了试验研究。研究工作按照当地材料坝设计的最基本原则－以坝址处为中心，由近至远，就地取材，在满足防渗土料基本原则的基础上初步筛选：其中黑马Ⅰ区料场小于5 mm颗粒含量为22.8%～60%，平均40.5%，小于0.1 mm颗粒含量为22.8%～60%，平均11.4%，小于0.005 mm的黏粒含量为0.92%；其ik达1.5～2.2，if＝7.1～7.4，加反滤后ik达9.9～12.56，k值可达4.2×10－5cm／s，if＝40～60.3，其储量达442×104m3，但其下线的k值难于达到10－5cm／s要求。其他黑马Ⅱ区小于5 mm颗粒含量平均为34.8%，乌斯河和卡尔为36.4%～38.6%，这三个料场下线小于5 mm颗粒含量为19.7%～22.6%，其k值仍达不到10－5cm／s，其强度和变形指标均较好，但都因粗粒含量偏大，有待处理后才能用作防渗料。故经这阶段研究后初步选择下阶段重点研究的料场为：深启低、黑马0区、黑马Ⅰ区、老堡子和管家山料场。

在可研阶段后期，经室内试验、现场碾压试验研究综合分析比较：深启低、老堡子及田街子三个料场小于5 mm颗粒含量为67.3%～77%，其下线为46.8%～55.7%，ik＝3.3～3.35，if＝7.0～8.3，k＝8 ×10－5～2.9×10－7cm／s，总储量363×104m3，其中线和下线均能满足坝体防渗要求。但这三个料场的细粒含量偏多，导致最大干密度，抗剪强度及压缩模量均较低，难以满足防渗体应力变形的计算要求，且施工开采不便。故心墙防渗土料选定用黑马砾石土料，但成果表明：黑马Ⅰ区、0区土料级配范围广、粗粒含量偏高，需考虑掺和及其他处理方式。

对于瀑布沟心墙料采用宽级配砾质土，其强度和变形能满足要求，不是控制性因素，防渗和抗渗透破坏则是研究和控制的关键。通常影响防渗性能的主要指标为压实密度、小于5 mm含量、小于0.075 mm含量、小于0.005 mm含量。而研究成果显示：瀑布沟拟定防渗料为国内黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%），塑性指数最低（平均为9.6）的宽级配砾石土。

天然筑坝材料的天然性是客观存在的，是否适于作心墙防渗土料却随土石坝建设技术的发展和设计者对当地材料研究的深入程度可能有不同的认识。从防渗的角度看，黑马Ⅰ区、洪积亚区土料剔除大于80 mm粒径，在2 740 kJ／m3的击实试验基础上，压实度为98%控制之下，渗透系数达到i×10－6量级；此外黑马Ⅰ区土料采用掺合的方式，也是可行，但掺合工艺复杂，又无堆料场地。因此，最终采用黑马I区经简单级配（剔除大于80 mm）调整作瀑布沟心墙防渗土料。

4 施工期检测与复核

在大坝填筑期间我院对砾质土心墙按8～10 m高一次共进行了22次抽检，并沿高程从坝底到坝顶进行成果统计。检测的砾石土防渗料级配曲线，见图3：小于5mm含量为39.27%～54.12%，平均48.45%；小于0.075 mm含量为19.05%～26.70%，平均21.64%；小于0.005 mm含量为3.59%～8.25%，平均6.4%，为黏土质砾（GC）。

图3 砾质土防渗料检测级配曲线

此外，我院用统计实测指标进行了各项力学复核：包括在反滤保护下的联合抗渗试验、非完整土样抗冲刷试验、压缩试验、高压大三轴试验。成果表明：防渗料平均线在反滤保护下，渗透系数达到i× 10－6量级，为弱透水性；抗渗透破坏坡降较高，达到35以上；反滤层对心墙料有保护效果：心墙料具有防冲刷能力，若出现裂缝，能够淤堵自愈。其他力学性质，如压缩性、抗剪强度均符合设计预期。

5 瀑布沟宽级配砾质土防渗料的突出特点

瀑布沟水电站大坝为国内首次在深厚覆盖层（最大厚度78 m）上采用宽级配砾质土作心墙防渗料。防渗土料为国内黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%）的宽级配砾石土，也接近国际上已建大坝心墙料黏粒含量最低值（小于0.005 mm黏粒含量2%～4.5%）。

防渗料塑性指数国内最低（平均为9.6），经反复论证，建议加强反滤保护来满足设计要求的抗渗坡降。

瀑布沟水电站心墙防渗料料场筛选及研究过程复杂：由近坝附近10余个料场系统研究，并经大型现场碾压试验论证，选择黑马土料场。但由于料场土料偏粗，采用了加大击实功能、简单级配调整、加强反滤等技术措施，解决了该土料作为高心墙防渗土料的问题并成功应用。

6 瀑布沟宽级配砾质土防渗料应用的工程意义

与国内外类似工程资料比较，瀑布沟防渗土料已接近国际上统计的筑坝心墙料下线，为使其防渗等各项指标满足要求，瀑布沟黑马土料经过了大量、系统的室内试验研究：诸如加大击实功能、采取与细料（老堡子、管家山、膨润土）掺和或进行简单级配（剔除大于80 mm）调整等技术措施，并经大型现场碾压试验充分论证，最终提出采用黑马Ⅰ区经简单级配（剔除大于80 mm）调整作瀑布沟心墙防渗土料，虽黏粒含量这一指标仍超出现行土石坝设计规范和水电水利天然建筑材料勘察规程要求，但经加大击实功能和加强反滤，其防渗、抗渗性满足高坝要求。

瀑布沟心墙料选择前后经过十余年，勘探、筛选了10多个料场，料源成因复杂、级配组成范围宽。进行了系统的室内物理、力学试验研究和大型现场碾压试验论证，充分认识料源结构组成和平面、立面分布规律。最终选择采用黑马Ⅰ区经简单级配（条筛剔除大于80 mm）调整作瀑布沟心墙防渗土料，该建议简化了施工工序，能充分保证施工质量，大大节省投资－预估3亿元。