不同掺砾量心墙料渗透及压缩试验研究

孙莉萍，齐俊修

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

不同掺砾量心墙料渗透及压缩试验研究

孙莉萍，齐俊修

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司，北京100024)

借鉴国内类似工程经验，针对拟定的不同掺砾组合进行了大量的试验研究，并对重点掺配比例的土料进行了渗透、压缩性能研究。研究表明：掺砾量在35%～55%范围内变动时，在防渗性能均满足设计要求的同时，压缩性能指标得到很大提高，压应力3.2 MPa下，压缩模量由原来的46.2 MPa提高到92.5～95.6 MPa。建议依托工程掺砾比例不宜超过50%，最终掺砾比例为45%。

水利水电工程；心墙堆石坝；防渗土料；掺砾试验

土石坝设计理论方法以及筑坝技术的不断进步，促进了高土石坝在我国的迅猛发展。随着土石坝设计高度的不断增大，纯黏土心墙料虽然防渗性能满足要求，但力学性能特别是压缩性能难以满足坝高大于200 m的高坝要求。另外其与两侧坝壳堆石料的变形相差也越大，拱效应愈发明显，心墙内的竖向应力显著减小，同时也增大水力劈裂发生的可能性，可见纯黏土心墙已不能满足工程要求。国内外工程实践经验表明，高土石坝采用砾质土或掺砾土作为心墙防渗料已成为发展趋势[1-4]。近年来，不少学者和工程技术人员对砾质土心墙料进行了一些室内研究及现场试验研究，但针对一种黏土心墙料在不同掺砾量下的渗透及压缩试验研究还为数较少。笔者以上寨水电站为具体工程案例，通过室内试验，对掺砾心墙料的力学性质进行研究，旨在为心墙料掺砾量的选取提供参考。

1 工程概况

上寨水电站是绰斯甲河干流水电规划推荐的“一库四级”梯级开发方案中的“龙头”水库。电站采用坝式开发，枢纽由拦河坝、泄水建筑物、引水发电系统等组成。坝址位于上寨乡九石里村上游约500 m处。正常蓄水位3 100.00 m，正常蓄水位库容17.38亿m3，具有年调节性能。根据坝址地质条件，拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，大坝壅水高度220 m，装机容量440 MW。预可研阶段根据现场条件综合比较后推荐砾石土心墙堆石坝。

上寨水电站砾石土心墙坝坝顶高程3 106.00 m，河床部位心墙底高程2 852.00 m，最大坝高254 m。坝顶宽度14 m，上、下游坝坡均为1∶2.0。心墙采用直立形式，顶宽8 m，心墙顶高程3 103 m，上、下游坡均为1∶0.2。

心墙防渗料采用人工掺合砾石土料，黏土料场有雅拉、三家寨、阿斗、壤古4个主要土料场，总储量在700万m3左右，石料场有上寨坝址下游0.65 km左岸的九石里石料场、上寨坝址上游0.45 km右岸一林石料场和上寨坝址上游3.5 km左岸的下大石沟石料场等3个石料场。

2 基本性质及掺砾必要性

2.1 基本性质

根据料源质量和位置，选取雅拉料场土料进行掺砾试验研究，在其掺砾试验研究前，首先对天然土料进行了物理力学性能试验。各项指标平均值含水率16.9%，液限29.7%，塑限15.2%，塑性指数14.5，土粒比重2.70，为含砾低液限黏土。黏粒含量、塑性指数满足要求，最优含水率接近天然含水率，结合本工程规划阶段试验成果，初步判断土料各项物性指标基本能满足防渗土料质量要求。但力学性能尤其是压缩试验指标不满足坝高大于200 m的高心墙堆石坝的强度和变形要求，需要掺加一定量的粗颗粒料以改变其变形特性。物性指标详见表1，力学指标见表2。

表1 雅拉黏土料场天然物理试验成果特征值

表2 雅拉黏土料场力学试验成果特征值

Table 2 Characteristic value of mechanical test results for Yala clay material field

(续表2)

从表1、表2可以看出，土料特点是黏粒含量多，天然含水率和液塑限低，抗剪强度中等，密度中等，压应力为0.1～0.2 MPa时，压缩模量仅为7.70 MPa，属中等压缩性土。天然含水率和最优含水率相近，不需要降低土料的含水率。实践证明，对于一般堆石坝它是一种较好的防渗材料。但这种土料用于坝高达254 m的上寨水电站堆石坝心墙，应须解决如何减少填土沉陷量，防止心墙发生裂缝等关键技术问题。解决途径是拟在黏土中掺入一定量砂砾石，改变土的特性，使填土有较好的压实性，从而减少心墙沉降量，有助于防止心墙裂缝的产生。

2.2 设计要求

文献[5]规定，防渗土料碾压后应满足下列要求：

1)渗透系数小于1×10-5cm/s，并应小于坝壳透水料的50倍，抗渗变形的临界坡降一般应大于4。

2)浸水与失水时体积变化小，以免库水位变化时心墙产生过大的沉降。同时要求心墙料有较低的压缩性，且与坝壳料的压缩性相差不宜过大。

3)用于填筑防渗体的砾石土(包括人工掺合砾石土)，粒径小于5 mm的颗粒含量宜大于50%；最大粒径不宜大于150 mm(一般在75～150 mm之间，国内多在100 mm以下)或铺土厚度的2/3；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%。填筑时应避免发生粗料集中架空现象。当小于0.005 mm的颗粒含量小于8%时，应作专门论证。施工填筑压实度大于等于99%；

4)竣工后坝体沉降量不宜大于坝高的1%。

2.3 掺砾必要性

试验用的土料是含砾低液限黏土，虽然其防渗性能能满足设计要求，但土料粗粒含量偏少，力学指标偏低，压缩性偏大。不满足设计第2)，3)条要求。鉴于上寨水电站砾石土心墙堆石坝覆盖层厚达70～80 m，防渗土料坝高高达254 m，对防渗土料的要求很高。除满足防渗性能外，还需具有较好的力学性能，以便能与坝壳堆石的变形相协调，减少坝壳对心墙的拱效应，改善心墙的应力应变，减少心墙的裂缝发生几率。对于高堆石坝而言，其防渗体裂缝及随后的渗流冲刷是影响坝体安全的重要因素，因此心墙防渗土料通常选择具有低压缩变形的土料，以降低其裂缝发生的可能性。

从国内外已建、在建200 m级以上高土石坝筑坝经验来看，防渗体基本上都采用砾石土、风化岩等宽级配土料。采用砾石土作为高堆石坝防渗体，可在压实后获得较高的密度，使心墙具备强度高、压缩性低的特点；一旦心墙开裂时，可限制裂缝的开展，改善裂缝形态，减弱沿裂缝的渗流冲蚀[6]。从类似高坝工程的经验来看，对于上寨这种粗粒含量偏低的土料需要掺入砾料进行改性研究。在保证掺合土料的防渗、抗渗性能满足设计和规范要求的前提下，改善防渗土料的力学指标及抗变形能力，提出适应200 m级高心墙堆石坝防渗土料性能要求，便于施工和质量控制、经济合理的掺合方案。

3 掺砾研究及试验方案

本次试验所需土料取自雅拉土料场，试验为中型样(Dmax=20 mm)。依据规范，试样允许最大粒径为20 mm，由于所掺砾石实际最大粒径达120 mm，因此，对砾石料原级配必须进行缩尺。这里采用混合缩尺对超径料进行处理。先采用相似级配法(n=2)，然后再用等量替代法进行缩尺，土料过20 mm筛后与掺砾料按不同比例掺合进行试验。试验采用单位体积击实功能分别为1 470，2 687.9 kJ/m3，所用密度为击实试验最大干密度的0.99倍。

3.1 掺砾比例

砾石含量对土的渗透性和力学性能有直接影响，本工程研究确定掺砾比例试验方案主要依据规范规定和同类工程经验。文献「7」规定，作为防渗土料的碎(砾)石类土，“碎(砾)石类土大于5mm粒径含量不宜超过50%(对高坝，应为20%～50%)”，坝高为261.5 m的糯扎渡水电站重点研究了掺砾量为35%，45%两个方案[1]；坝高为295 m的两河口水电站重点研究了掺砾量为30%，40%，50%这3种组合方案[6]。综合考虑上述规定和结果，为确定合理的砾石含量，拟定了4种不同的土-砾掺合比例，试验组合掺配比分别为：65∶35，60∶40，55∶45；45∶55。

表3 不同掺砾料试验级配

表3为不同掺砾料试验级配。表3中显示，掺砾35%，40%，45%，55%的0.075 mm以下的颗粒含量分别为51.3%，47.6%，43.5%，35.5%，满足设计规范要求的0.075 mm以下的颗粒含量不应小于15%；小于0.005 mm的颗粒含量分别为22.2%，20.7%，18.5%，15.3%，也满足小于0.005 mm的颗粒含量不宜小于8%的设计要求[5]。

3.2 击实试验成果分析

心墙掺砾料采用内径为152 mm，筒高为116 mm，击锤质量为4.5 kg，落距为457 mm的重型击实仪进行。单位体积击实功能分别为1 470，2 687.9 kJ/m3。心墙掺砾料最大干密度与掺砾比例的关系如图1。

图1 心墙掺砾料最大干密度与掺砾比例关系Fig.1 Relationship between maximum dry density and the proportion of gravel of core material mixing gravel

不同压实功能对最大干密度有显著影响。在试验的掺砾范围内，心墙掺砾料最大干密度随掺砾比例增大而增大。一般来讲，其变形模量也会随之增大。对高坝而言，宜采用2 687.9 kJ/m3击实功能试验干密度作为土料的压实控制标准。

3.3 渗透、压缩试验结果分析

针对35%，40%，45%，55%掺砾量4种组合方案的掺合料的压缩、渗透系数及变形力学试验，试验结果见表4。

表4 各组合掺砾料力学试验结果

Table 4 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

根据表2、表4所列数据，分别将压缩模量，渗透系数，掺砾比例关系如图2。

图2 心墙掺砾料压缩模量、渗透系数与掺砾比例关系Fig.2 Relationship between compression modulus and permeability coefficient of core material mixing gravel and the proportion of gravel

由图2可见，压力等级为0.2 MPa下的压缩模量掺砾前为7.70 MPa，掺砾35%后为29.67 MPa，是原来的4倍；压力等级为1.6 MPa下的压缩模量掺砾前为25.98 MPa，掺砾35%后为86.67 MPa，是原来的3倍；压力等级为3.2 MPa下的压缩模量掺砾前为46.2 MPa，掺砾35%后为92.5 MPa，是原来的2倍多；而掺砾比例由35%增加至55%时，压缩模量增长缓慢，数值由92.5 MPa增至95.6 MPa。属于低压缩性土，完全满足设计关于“心墙料有较低的压缩性，且与坝壳料的压缩性相差不宜过大”的要求。

掺砾量为35%～45%时，心墙掺砾料渗透系数比不掺前还小，但掺砾达55%后，其渗透系数明显增大，是未掺土料的1.7倍。从渗透系数量值而言，并非掺砾越多越好。这主要与砾石土的级配特性有关，掺砾35%～45%的心墙掺砾料大于5 mm的含量为32.9%～33.7%，粗细颗粒能够产生一定的填充，但砾石形成

的骨架作用并不明显，总体上仍显示为砾石包裹在土中。因此，在混合料中，当砾石含量在一定范围内时，混合料的渗透系数随着砾石最大粒径的改变变化不是很大，而随着砾石总体含量的增加，土石混合料中由于砾石增多而逐渐起骨架作用，混合料中粗颗粒的作用越来越明显，改变砾石的级配特性对混合料的性质影响较大。这也是级配缩尺效应对于堆石混合料的性质影响较大的主要原因[8]。实际工程中所掺砾石的作用可能会更大一些。从变形和强度方面看，掺砾量在35%～55%范围内变动时，均能满足设计规范对心墙料宏观上的要求。对于掺砾量的比例，设计规范不宜超过50%。

表5是击实、三轴试验抗剪强度指标力学性能参数。结果表明，不同状态下掺砾量为45%的土的击实试验指标、三轴试验抗剪强度参数均优于掺砾量为35%和40%的土。

表5 各组合掺合料力学试验结果

Table 5 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

综合上述各种不同掺砾量下的力学试验指标并结合本项目的其它试验指标，如最大干密度、最优含水率、抗剪强度参数等，掺砾量为45%时均优于掺砾量为35%。同时考虑现有规范规定[7]及同类工程研究结果[1,6]，建议最终掺砾比例45%。

4 结 论

1)雅拉土料场土料压缩性虽属中等。但用它作为高土石坝心墙填筑材料，和坝壳堆石相比沉降量差异悬殊，不利于防止心墙内产生水平裂缝及由于心墙和堆石坝壳之间的不均匀而发生坝体横向垂直裂缝。为改善土料施工条件和减少压缩量，在满足防渗的前提下，土料中掺入适量砂砾石是必要的。砂砾石和黏土应有合适的配合比例，一般掺砾量以20%～50%为宜。

2)最大粒径为20 mm的掺砾混合料击实试验结果显示，随着掺砾量由35%增加至55%以及击实功率由1 470提高至2 687.9 kJ/m3，试验的最大干密度由2.05提高到2.18 g/cm3，最优含水率9.1%减小到7.1%。固结试验结果显示，在垂直应力3 200 kPa压力下，平均压缩模量ES由92.54提高到95.64 MPa。渗透特性试验结果显示，随着掺砾量由35%增加至55%，渗透系数由1.76×10-7提高到7.53×10-7cm/s。试验结果总体显示掺砾土料具有抗剪强度较高，低压缩性，透水性小的特点，能够满足心墙坝防渗土料的质量要求。

3)试验结果总体上表明，掺砾量在35%～55%范围内变动时，均能满足设计规范对心墙料宏观上的要求。对于掺砾量的比例，设计规范建议不宜超过50%，结合双江口掺砾比例为50%，糯扎渡掺粒比例为35%，综合考虑，建议依托工程掺砾比例不宜超过50%，最终掺砾比例为45%。

4)考虑到现场实际心墙掺砾料的最大粒径要大于试验用料的最大粒径，试验级配采用相似级配和等量替代混合法进行，存在一定的缩尺影响；加之粗粒料属非均质料，影响因素甚多，试验结果和现场实际情况会存在一定的差异，大坝填筑过程中应加强安全监测。

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Study of Penetration Test and Compression Test on Core Material of Different Gravel Amounts

SUN Liping，QI Junxiu

(Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024,P.R.China)

The experience of similar projects in China were consulted and many tests conducted on the different mixed gravel. In addition, research on the permeability and compression performance of the key proportion of soil materials were carried out simultaneously. Test results show that: When the proportion of gravel in the range of 35%～55%, compression performance index are improved greatly with the antiseeping criterion up to the design requirements.When the compressive stress is 3.2 MPa, the compression modulus increased from 46.2 MPa to 92.5～95.6 MPa, which is 2 times more than that of the original. Thus, the suggested proportion of the gravel in this project be no more than 50% and the final proportion applied is 45%.

water conservancy and hydropower engineering;core rockfill dam; impervious soil; mixing gravel test

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.20

2015-07-02；

2015-10-20

孙莉萍(1968—)，女，北京人，高级工程师，主要从事岩土力学试验方面的研究。E-mail:wj1998915@sohu.com。

TV641;X502

A

1674-0696(2016)05-097-06