面板堆石坝软质砂岩主堆料渗透性能研究

马栋和，杨 伟，王和鑫，张芳军

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春130061；2.自贡小井沟水利工程有限责任公司，四川 自贡643000；3.中国水利水电第五工程局有限公司科研咨询公司，四川 成都610225）

1 工程概况

研究坝体取自四川省某水利枢纽工程，该工程是一项以城市供水、农业灌溉等综合利用的大型水利工程，工程控制流域面积587km2（占流域面积22%），多年平均径流量2.7亿m3。水库正常蓄水位429m，总库容1.66亿m3，兴利库容1.11亿m3。工程主要由水库枢纽、输水工程和灌区渠系工程组成，主坝坝型为混凝土面板堆石坝，坝高87.6m、坝长255m。工程地处低山区和丘陵地带，区内地层主要为三叠系须家河组砂泥页岩互层，岩石单轴饱和抗压强度多小于30MPa。综合考虑工程建设工期与经济因素，拟采用区内富有的软质砂岩作为主堆料进行坝体填筑。

2 主堆料现场碾压后渗透特性

现场按80cm厚度铺设软质砂岩料进行碾压试验，碾压结束后测得主堆区竖向渗透系数为8.3×10-4cm/s，渗透系数偏小，不能较好的满足排水要求(渗透系数一般宜大于10-2cm/s)。现场调查时发现，由于软质砂岩饱和抗压强度低，分层加水碾压后表层易形成板结。当挖去板结层之后，可见主堆区横向孔隙率增加，因此初步判定水平方向渗透系数明显大于竖直方向。

3 主堆料室内渗透试验

现行土工试验规程（SL237-1999），为了简化起见，将“粗粒土扰动试样从下向上渗透变形试验”、“粗粒土扰动试样水平管涌试验”进行了合并，试验均采用同一仪器——垂直渗透变形仪。该设备多适用于各向同性粗粒土，且一般筑坝所用粗粒土选用硬质岩石，经碾压之后基本满足各向同性。但由于该水利枢纽工程大坝主堆料的特殊性，在碾压之后各分层表面产生板结；另外坝体内渗流多为倾斜向下游渗流，如仅采用垂直渗透仪测定其渗透系数具有一定的片面性，需分别对水平、垂直渗透性能进行测定。

结合现场条件与相关土工试验规程要求，自行研制了粗粒土水平渗透仪。水平渗透试验结果如图1所示，主堆石水平渗透系数为3.8×10-1cm/s，远大于其竖直方向渗透系数，水平方向满足自由排水的要求。

4 主堆区渗流特性模拟

基于上述试验成果，为研究坝体内部存在板结层时渗流特征，采用GeostudioSEEP/W建立有限元数值模型［1］，如图2所示。坝体上游面水位为正常蓄水位，下游面定义为自由渗出边界。模拟结果如图3所示，由图可见，由于板结层的存在，阻滞了渗流向下发展，水体在每两个板结层之间水平流动。坝体内浸润线较高，使得软质砂岩料长期浸于饱和水体中，不利于坝体长期稳定。此外，(SL228—2013)《混凝土面板堆石坝设计规范》中对软岩筑坝做出规定［2］：软质岩堆石料作为中低坝上游堆石区，其渗透性能不满足排水要求时，应在坝内上游设置竖向排水区，沿底部设置水平排水区，排水区的排水能力应满足自由排水要求［3-4］。

图1 主堆料i～v关系曲线(水平)

由此，设计如图4所示“L形”坝体排水带，排水带采用硬质灰岩料，碾压后渗透系数大于A×10-1cm/s。设置排水带后坝体内部渗流特征如图5所示，由于排水带渗透系数较大，坝内渗流沿排水带向下游流动，浸润线明显降低，坝体扬压力减小，更有利于坝内排水及大坝稳定。

图2 坝体数值计算模型

图3 存在板结层时坝体内渗流场

图4 设置排水带时坝体计算模型

图5 设置排水带时坝体内渗流场

5 结 论

1）区内软质砂岩单轴饱和抗压强度多小于30 MPa，选用此类岩石作为面板堆石坝主堆料时，由于软质砂岩饱和抗压强度低，分层加水碾压后表层易形成板结，致使主堆区竖向渗透系数偏小为8.3×10-4cm/s，不能较好的满足排水要求。

2）主堆料分层碾压后，板结层下部堆石区渗透系数远大于竖直方向渗透系数。通过自行研制的粗粒土水平渗透仪对其渗透性能进行检测，水平向渗透系数为3.8×10-1cm/s。

3）数值计算成果表明：当软岩堆石坝各碾压层表面形成板结时，阻滞了渗流向下发展，坝体内浸润线较高；坝体内设置“L”形排水带后，由于排水带渗透系数较大，坝内渗流沿排水带向下游流动，浸润线明显降低，坝体扬压力减小，更有利于坝内排水及大坝稳定，排水带设置满足工程要求。

［1］鲍呈苍.基于SEEP/W分析土石坝渗流稳定［J］.中国水运，2011（6）：147~149.

［2］SL228-2013，混凝土面板堆石坝设计规范［S］.

［3］徐泽平，邵宇，梁建辉.软岩筑面板坝堆石坝的坝体断面分区研究［J］.水力学报，2004（1）：62-65.

［4］彭成，郭德发，王庆.面板堆石坝软岩料的应用分析［J］.石河子大学学报（自然科学版），2008（5）：612~615.