砂砾石垫层料与堆石过渡料的联合抗渗试验研究

吴军民，喻 石，韩华强，傅 华

（1.浙江钦寸水库有限公司，浙江省新昌县 312529；2.南京水利科学研究院，江苏省南京市 210024）

1 前言

渗流和渗透控制是土石坝工程中一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关[1]。据统计除洪水漫顶外，由渗流引起的管涌、内部冲蚀是造成土石坝垮坝失事的主要原因[2-3]。湖南株树桥大坝发生面板塌陷和渗漏公认的原因包括[4-6]：垫层的沉降变形造成面板止水破坏和漏水，垫层的颗粒随着渗漏水流大量流失造成面板脱空和破坏，使得渗漏进一步加剧。除了垫层自身的渗透变形特性外，过渡区对垫层没有起到反滤保护作用也是垫层料流失的重要原因。

早期面板坝的渗流控制重点放在面板的止水结构方面，面板的止水结构多达3道以上，有时仍然难免出现大量漏水问题。谢拉德根据世界坝工经验提出面板坝垫层料应采用渗透系数为10-3～10-4cm/s的半透水材料作为第二道防渗防线的建议后，我国坝工专家很快采纳了这一建议。在面板断裂、止水结构拉断后，一旦漏水，面板防渗将会完全失效，如果面板脱空则垫层表面脱空部分将直接与上游库水相连通，以面板为防渗系统的面板堆石坝将转化为以垫层为防渗系统的堆石斜墙坝，若垫层料过粗，则大坝的防渗能力将显著降低。对于砂砾石面板坝，如果没有专门的排水系统，将会导致坝体渗透破坏，甚至溃决。若是堆石面板坝，将会出现大量的渗漏[7]。库克等[6]建议现代面板坝应设过渡区，以便使压缩性及透水性从上游到下游有必要的过渡，保证垫层区材料不会被冲刷到主堆石区的大空隙中去。许多国内学者[8-11]都对垫层料的渗透特性开展了研究，目前，几乎所有的面板坝设计文件和研究文献都响应了库克等的规定，要求过渡区除了对垫层和主堆石区的变形起过渡和协调作用外，还要起到渗流控制作用，如排水和对垫层料的反滤保护作用等。过渡层与垫层的联合抗渗作用以及过渡层参与承担渗透坡降的作用机理是垫层料抗渗设计中一个值得关注的问题。

2 工程概况

钦寸水库工程位于浙江省绍兴市新昌县境内，是一座以供水、防洪为主，兼顾下游灌溉和发电的综合利用水利工程。坝址地处曹娥江主要支流黄泽江上的钦寸村口下游约400m处峡谷河段，距新昌县城约12km，距绍兴市约108km，距宁波市约85km。坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程106.00m，坝顶长度290.00m，坝顶宽度8.00m，最大坝高64.00m。坝体从上游到下游分区依次为：垫层区（2A）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游堆石区（3C）、下游干砌条石护坡（3D）。垫层区料采用轧制后的河床砂砾石料，过渡区采用爆破堆石料直接上坝，为研究过渡层与垫层的联合抗渗作用以及过渡层参与承担渗透坡降的作用机理，本文采用室内常规渗透仪分别对有保护及无保护条件下垫层料的渗透特性进行了试验研究。

3 无保护垫层料的渗透变形试验研究

3.1 试验仪器与试验方案

钦寸水库大坝垫层料和过渡料基本物性指标见表1，试验模拟级配见图1。依据《土工试验规程》（SL 237—1999）[12]规定，渗透仪内径应大于5倍的试样粒径特征值d85。目前，室内堆石料常规大型渗透仪直径为30cm，显然不适用于直接开展原级配过渡料的试验研究。为此，按照规范要求对原级配线进行缩尺，缩制后的试验级配曲线见图1，虽然缩尺后过渡料细料含量相对于原级配有明显增加，但由图1中不均匀系数Cu和曲率系数Cc判断，试验级配与原级配的不均匀系数和曲率系数变化不大。

表1 垫层料及过渡料基本物性指标

图1 垫层料及过渡料级配曲线

3.2 试验方法

试验采用常水头法，渗流方向为从下向上，试样直径为300mm。按照规程要求，选择采用凡士林护壁的方法克服仪器边壁效应。在试样装填前，先在渗透仪内壁上涂上凡士林，然后将事先按级配称好的试样按相应的密度，均匀分3层装填在渗透仪中。采用表面振动器，根据试样要求的干密度大小，控制振动时间对每层试样进行振动击实。

值得指出的是砂砾料在振动击实过程中，容易出现颗粒离析及小于5mm颗粒淤堵渗透仪透水板的现象，导致试验结果偏低，为此装样过程中，在试样底部铺一层直径为20～40mm的砂砾排水层，以减少小于5mm颗粒对渗透仪透水板的淤堵效应，并在装样时在试样中加1%的水搅拌均匀以防止砂砾料发生颗粒离析现象。

试样成型后采用从下向上滴水饱和法使试验饱和，试验过程参照《土工试验规程》（SL 237—1999）[12]，具体为：调整供水水箱高度，使供水水箱水位略高于试样底面位置，再缓慢地提升水箱，每次提升1cm，待水箱水位与试样中水位相等，并停10分钟后，再提升水箱，随着供水箱上升，让充分曝气后的水由仪器底部向上渗入，使试样缓慢饱和，以排除试样中的空气。试样充分饱和后开始试验。

提升供水箱，使其水面高出渗透仪的溢水口，并保持常水头差，形成初始渗透坡降，然后按试验规程要求逐步提高渗透坡降。每次升高水头并待水流稳定1小时后，测记测压管水位，并用量筒间隔15分钟左右重复测读渗水量3次，同时测读水温、室温。并观察该级水头下的试验现象，如水的浑浊程度、冒气泡、细颗粒的跳动、移动或被水流带出、土体悬浮、渗流量及测压管水位的变化等，若连续3次测得的水位及渗水量基本稳定，又无异常现象发生，即可提升至下一级水头。

图2 无保护垫层料渗透变形试验i-k曲线

试验过程中，在某坡降下当试样渗流流速发生突变，试样中的细粒在渗透力作用下相应地由静态转为运动时，说明土体内部发生结构调整，同时结合该坡降下的异常情况，综合评价以确定临界坡降。达到临界坡降后，继续提高渗透坡降，当出现水流增大、极浑浊水流或者下游面隆起时，表明土体结构破坏颗粒大量流失，该坡降即为破坏坡降。

3.3 试验成果及分析

在双对数坐标下分别画出垫层料渗透变形试验水流流速v、渗透系数k和试验渗透坡降i关系曲线，分别如图2和图3所示。在试样发生渗透破坏以前，i—v曲线基本上保持为一条直线，而i—k曲线左右摇摆。随渗透坡降增大，i—k曲线先向右偏转，渗透系数增大，说明试样内部细颗粒逐步由静态转为运动，试样发生结构调整，试样发生了渗透变形，但试样骨架基本保持稳定；当曲线向左偏转，渗透系数相应减小，说明试样内部颗粒发生迁移，并在局部造成了淤塞。试样内部结构随着渗透坡降的进一步增加而不断调整，当渗透坡降达到临界坡降1.79时，下游面有浑水流出，但试样骨架未动；当渗透坡降达到1.93时，试样结构破坏，大量细粒被带出，表现为下游浑水翻滚、水流骤然变大，试样明显抬高，下游面崩塌，破坏型式为流土。具体试验结果见表2。

图3 无保护垫层料渗透变形试验i-v曲线

表2 无保护垫层料渗透变形试验结果

4 垫层料与过渡料的联合抗渗试验

试验方法、试验过程及试验设备同前，过渡料为保护料，垫层料为被保护料，渗径均为300mm，装样时先装垫层料然后装过渡料，并在二层试样之间铺设测压管。

联合抗渗试验成果见表3。试验坡降和渗透系数关系见图4，水流流速和试验坡降关系见图5。联合抗渗试验结果表明，随渗透坡降增大，被保护料垫层区料渗透系数虽发生左右偏转，但基本保持增大趋势。在渗透破坏发生前，保护料过渡区料渗透系数一直向左偏转，渗透系数不断降低，说明被保护料垫层料试样颗粒迁移进入到保护料，并造成了保护料过渡区料内部淤塞。随着渗透坡降增加，组合料保护料与被保护料试样内部结构不断调整，当达到临界坡降7.94时，下游面有浑水流出，但组合料试样骨架未动；当渗透坡降达到8.13时，组合料试样结构发生破坏，表现为下游面出现大量浑水、水流骤然变大，大量细粒被带出，试样明显抬高，下游面崩塌，破坏型式为流土。

垫层区料在过渡区料的保护状态下的反滤试验，垫层区料的渗透系数为7.61×10-4cm/s，过渡区料的渗透系数为1.06×10-2cm/s，渗透系数相差约2个数量级，过渡区料能够对垫层区料起到较好的排水作用。随渗透坡降增大，过渡料渗透系数逐渐变小，表明有细颗粒带入过渡料，拆样时观察进一步证明，垫层料中的细颗粒迁移进入过渡料，在过渡料与垫层料接触带上形成厚度约为1cm 的自滤反滤层。试验过程中渗透水头主要由垫层区料承担，过渡区料几乎不承担水头，组合料在渗透水流的作用下均保持较稳定状态，在试验过程中分界面上的测压管读数均稳定，当垫层区料的坡降达到8.13时，试样发生了破坏。

图4 垫层料与过渡料联合抗渗试验i-k曲线

图5 垫层料与过渡料联合抗渗试验i-v曲线

无保护及有保护条件下垫层料的渗透特性试验结果表明，坝体的垫层区在经历比较高的水力坡降时，有流失细粒料的可能性，会否发生击穿，取决于过渡料能否对垫层料起到保护作用。对比表2的试验结果可以发现，垫层区料在过渡区料的保护下破坏坡降产生较明显的提高，过渡料对垫层料起到了良好地保护及抵抗冲蚀破坏的作用。相对于无保护状态，在过渡料的保护下，垫层料可以在很高的坡降下仍然保持骨架稳定。

表3 垫层料与过渡料联合抗渗试验结果

5 结论

过渡层与垫层的联合抗渗作用以及过渡层参与承担渗透坡降的作用机理是垫层料抗渗设计中一个值得关注的问题。本文采用室内常规渗透仪分别对有保护及无保护条件下垫层料的渗透特性进行了试验研究。得出主要结论如下：

（1）垫层区在经历较高的水力坡降时，有细料流失的可能，会否发生击穿，取决于过渡料能否对其起到反滤保护作用。联合抗渗试验结果显示，垫层区料的渗透系数为7.61×10-4cm/s，过渡区料渗透系数为1.06×10-2cm/s，渗透系数相差两个数量级，过渡区料能够对垫层区料起到较好的排水作用。随渗透坡降增大，垫层料渗透系数逐渐增大，过渡料渗透系数逐渐变小，垫层料中的细颗粒发生迁移进入过渡料，在过渡料与垫层料接触带上形成厚度约为1cm 的自滤反滤层。垫层区料在过渡区料的保护下破坏坡降由1.93提高至8.13，过渡区料能够对垫层区料起到一定的反滤保护作用。

（2）渗透样装样过程中，在渗透仪底部铺一层直径为20～40mm的砂砾排水层、并在试样中加1%的水搅拌均匀是减少小于5mm颗粒对渗透仪透水板的淤堵效应、防止砂砾料发生颗粒离析而影响试验结果的有效措施。

（3）由于试验设备的限制，本文进行的是常应力状态下的渗透试验，而实际上，大坝在运行过程中坝体始终处于不同的应力水平，复杂应力条件下过渡料与反滤料联合抗渗性能的变化规律，仍是需进一步研究的问题。

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