汤坝防渗土料物理力学性能研究

甘 霖，胡金山

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)



汤坝防渗土料物理力学性能研究

甘 霖，胡金山

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

汤坝料场防渗土料储量大、性能较优，大坝心墙填筑采用了直接上坝料和偏粗、偏细土料掺配形成的掺配料上坝填筑。通过对防渗土料物理力学性质研究表明，土料具有良好的压实性，整体防渗效果较好。用于掺配的偏粗、偏细料相互结合性好，直接上坝料与掺配料性能接近，可混合使用。

防渗土料；掺配料；物理性质；压实特性；渗透特性；长河坝水电站

1 概 况

长河坝水电站工程土石坝汤坝料场位于坝区上游金汤河左岸与汤坝沟之间的坡地上，距坝址22 km。土料主要属冰碛堆积含碎砾石土，少量为坡洪积堆积。料场分布高程2 050～2 450 m，面积约72万m2，碎砾石土有用层一般厚10～16 m，开采条件较好。

料场土料储量867万m3，属宽级配砾石土，总体上满足工程设防要求，但天然料场土料粗、细分布在空间上存在不均一性。其中，P5含量为30%～50%的可直接上坝料储量462万m3，占总量比例53%，P5含量大于50%的偏粗料储量约占总量的37%，P5小于30%的偏细料储量约占总量的10%。为满足240 m高土石坝的大用量(压实方428.3万m3)、高填筑强度(10万～20万m3/月)和物理力学性能要求，除P5含量为30%～50%的合格料直接上坝填筑外，需研究偏粗、偏细土料的掺配利用。

2 汤坝土料的物理性质

汤坝料场土料天然密度平均值2.06 g/cm3，孔隙比0.45；含水率较为稳定，天然含水率一般在6%～12%之间，最高值为27.3%，平均值为10.7%，塑性指数14.3。

天然料源粒径大于150 mm的块碎石含量较少；P5含量平均值为46.8%，对土料填筑密实形成骨架较为有利；粒径小于0.075 mm细粒含量和小于0.005 mm黏粒含量适中，能够充分填充孔隙达到防渗效果。

2.1 直接上坝料

为保证碾压施工质量，防渗土料剔除150 mm粒径以上颗粒后上坝填筑，P5含量为10.0%～70.0%，平均为45.9%；<0.005 mm黏粒含量为4.0%～20.0%，平均为10.9%。可见，剔除150 mm粒径以上颗粒后，汤坝土料黏粒含量未有较大增加，P5含量变化也不大。其中，P5含量为30%～50%的土料可直接上坝使用。

2.2 掺配料

为了提高土料的利用率，保证料源质量，需对汤坝土料场的偏粗料(P5含量为50%～65%)、偏细料(P5含量小于35%)进行掺配。偏细料主要分布在料场1区，偏粗料主要分布在料场3区和4区。现场开展了系统的掺配试验，掺配预设定掺配料的P5含量最优目标值，且波动幅度控制在±7%以内，并保证P5含量最终满足设计标准30%～50%。

掺配料源料备存并检测完成后，按照掺配比例范围6∶4～7∶3进行粗、细料互层平铺立采掺合，试验结果见表1。掺配试验成果表明，正铲与反铲均可用于该土料的掺配，掺配遍数选择为6遍，此时掺配土料级配控制较为均匀，掺配土料P5含量平均值为42.04%，与掺配预期P5最优目标值43.0%接近，波动幅度略超出要求，总体基本满足上坝要求，黏粒含量能满足防渗料的要求。对于细料局部含水率较大时，掺配易有结团现象，施工中应加以注意。掺配料的指标统计见表。

表1 成品掺配料试验结果 %

3 汤坝防渗土料压实特性

对于240 m高的大坝，研究土料如何达到较高的密实度，使得防渗土料具有强度高、低压缩性和良好的抗渗透变形性能至关重要。为此研究了在不同击实功能、不同P5含量时土料的压实特性。

3.1 全料压实特性

击实试验选取592、862、1 350、2 688 kJ/m34种击实功能进行，随着土单位体积击实功能的增加，土料的最大干密度也随之增加，最优含水率减小。当击实功能达到1 350 kJ/m3，击实功能EC～最大干密度ρdmax～最优含水率ωop关系曲线斜率减缓，继续增大单位击实功能，土料密度增加变得缓慢。

针对240 m级的高土石坝，确定施工填筑时的击实标准采用2 688 kJ/m3。随着料场开挖，由于不同位置、不同时间所取土料的级配、含水率均有差异，研究P5含量变化范围30%～55%，击实功能2 688 kJ/m3时，土料填筑压实标准及填筑检测试验成果在一定范围内有波动，分析认为历次检测试验成果反映了当前土料的压实特性，并与前期勘察成果相吻合。

P5含量与压实干密度、压实标准关系曲线、与填筑含水率、最优含水率关系曲线、与全料压实度关系曲线分别见图1、2、3。从图1～3可以看出，随P5含量的增加，土料的填筑密度和最大干密度均有所增加，天然含水率较最优含水率略高，有利于土料碾压，相应的土料填筑压实度随P5含量的变化较为稳定，各项指标均在一定范围内波动，除个别点外，均能满足设计要求。

图1 P5含量与压实干密度、压实标准关系曲线

图2 P5含量与填筑含水率、最优含水率关系曲线

图3 P5含量与全料压实度关系曲线

3.2 细料压实度

颗粒粒径小于5 mm的细料压实度由三点击实试验测定，P5含量与细料压实度关系曲线见图4。从图4可以看出，当P5含量为30%～39%范围时，土料中粗颗粒骨架作用尚不显著，细颗粒包裹着粗颗粒直接承担压实功能的作用，细料压实度较高，平均值为1.019；当P5含量约为38.5%～41%时，防渗料中粗颗粒开始起骨架作用，承担了部分压实功能，对细颗粒压实效能降低，细料压实度平均值由1.018下降至1.007，降低幅度约为1%；P5含量约为41%～48%的区间，土料中粗颗粒起骨架作用，相应的细料压实度随P5含量的增加不再增长，同时土料受较大碾压功能，细料填充密实，细料压实度亦无明显下降，细料压实度平均值在1.006～1.007之间，剔除较大离散值后变幅不大。当P5含量达到48%～51%时，细料压实度平均值下降较快，由1.007下降至0.993，降低幅度约为1.7%。之后细颗粒的填充效用减弱，相应的细料压实度随P5含量的增加呈总体下降趋势，至P5含量约为56%时，细料压实度平均值降至0.988。由图4可见，在P5含量为40%、49%附近区间时，相应的细料压实度降低较快，曲线呈2个台阶状，较典型地反映了粗粒土防渗料中细颗粒填充压实的特性。同时需说明的是当P5含量为50%时，汤坝防渗料仍具有较好的抗渗透性。

图4 P5含量与细料压实度关系曲线

4 汤坝防渗土料抗渗透特性

汤坝防渗土料具有较好的抗渗透变形特性，属微透水～极微透水性，渗透破坏形式为流土破坏。在水流流向垂直于碾压层面的方向，破坏坡降平均值为8.14，渗透系数平均值为1.19×10-6cm/s；水流流向平行于碾压层面的方向，破坏坡降平均值为7.62，渗透系数平均值为1.51×10-6cm/s。不同水流流向对于防渗土体的抗渗透性影响有限，说明汤坝防渗料经碾压压实后各向异性表现不明显，土体粗、细颗粒间及碾压层面间的结合好。

汤坝防渗土料的P5含量从30%变化到53%，渗透系数试验值的范围为1.54×10-7～8.80×10-6cm/s，两者关系曲线见图5。由图5可知，与细料填充压实相关，P5含量小于40%时，渗透系数无明显变化，P5含量在40%～50%之间，细颗粒尚能填充粗颗粒骨架空隙，相应渗透系数有所增加。随着P5含量大于50%后，细料压实度下降，孔隙率增加，使得渗透系数增加较快，但在上坝填筑中仍小于 1×10-5cm/s的规范要求。

图5 P5含量与渗透系数关系曲线

随着P5含量从30%变化到55%，压缩模量变化范围为12.9～40.2 MPa。土的压缩性表现为低压缩性土，比较饱和与非饱和状态成果，饱和状态比非饱和状态的压缩模量总体偏低，土料中P5含量的增加有助于压缩模量的提高。结合直剪、三轴试验成果表明，汤坝防渗土料具有较优的力学性能。

5 汤坝防渗土料的填筑

汤坝料场开挖土料级配、含水率的物理力学性指标与勘察阶段相吻合。大坝防渗土料控制P5含量为30%～50%，铺料厚度30 cm，使用25.4 t振动凸块碾，碾压遍数为2遍静碾+12遍振碾。填筑检测心墙砾石土料压实度离散程度低，P5含量、含水率等控制较好，黏粒含量均能满足设计要求，渗透系数范围为i×10-7～i×10-6cm/s，具有较好的抗渗透变形性能、抗压缩性和抗剪强度。

6 结 语

汤坝防渗土料具有P5含量适宜的粗颗粒骨架，又有足够的黏粒、细粒填充，整体防渗效果良好。受P5含量的影响，P5含量～细料压实度关系曲线呈2个台阶状，相应区间的细料压实度降低较快，较典型地反映了粗粒土防渗料中细颗粒填充压实的特性。用于掺配的偏粗、偏细料相互结合性好，直接上坝料与掺配料性能接近，可混合使用。在今后类似防渗土料的工程应用中，尚可研究适当放宽P5含量，以提高高土石坝的变形协调性和土料的使用效益。

[1]殷宗泽. 土工原理[M]. 北京： 中国水利水电出版社，2007．

[2]郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州： 黄河水利出版社，1998．

[3]日本土质工学会. 粗粒料的现场压实[M]. 郭熙灵，文丹，译. 北京： 中国水利水电出版社，1999．

(责任编辑 焦雪梅)

Research on Physical and Mechanical Properties of Impervious Soil Material in Tangba Soil Yard

GAN Lin, HU Jinshan

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Because the reserve of impervious soil material in Tangba soil yard is abundant and the performance of soil is better, the soil material in Tangba soil yard is selected as the impervious soil to construction the earth-rock dam of Changheba Hydropower Station. The earth-rock dam is constructed by natural soil material and artificial mixture of coarser and finer soil material. The physical and mechanical properties of soil materials are studied. The results show that the compaction property and impervious property of soil materials are better, the coarser and finer soil materials in artificial mixture have a good binding, and the properties of natural soil material and artificial mixture are basically consistent to each other which can be mixed together to construct dam．

impervious soil material; mixed soil material; physical property; compaction characteristics; permeability; Changheba Hydropower Station

2016- 06- 15

甘霖(1962—)，男，北京人，教授级高工，主要从事岩土试验、工程质量检测工作．

TV443(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0046- 03