高土石坝筑坝材料特性的认识与思考

汤洪洁，杨正权

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044)

“十二五”及“十三五”期间，水利工程中高土石坝建设呈现快速发展的态势，特别是新疆地区，由于其特殊的地形地质条件和工程任务的要求，高土石坝的建设已经居于国际领先水平。众所周知，高土石坝安全性包括渗流控制、强度稳定、结构变形等三方面要求，而与安全性相关的则是筑坝材料特性。高土石坝主体筑坝材料主要包括爆破堆石料和砂砾石料，特别是新疆地区天然砂砾料广泛分布于河床、滩地和戈壁滩，储量十分丰富，尽量采用砂砾石筑坝是大坝设计的基本原则。

爆破堆石料是目前我国高土石坝建设的主体填筑坝料，爆破堆石坝在已建成的高土石坝中占有绝对数量的优势。在绝大多数工程中，爆破堆石料的料源都是丰富的，而且由于采用人工爆破的方法制备，所以其颗粒组成特性可以人为控制，相应坝料的物理力学特性也较容易被工程建设方所把握。爆破堆石料具有低应力条件下抗剪强度高和渗透性好等特点。

天然砂砾石料与爆破堆石料相比，其开采、运输和施工成本低，可大幅度节约建设资金。而从材料特性上看，砂砾石料在较高围压下相比堆石料具有较高的抗剪强度和变形模量，压缩变形较小；砂砾石料级配连续性好，且颗粒磨圆度较好，易于压实；不同料区间的应力变形易满足过渡条件。高面板坝面临的主要工程问题是坝体的变形控制，砂砾石填筑料对控制坝体变形具有很大的优势。从已建的100m级面板砂砾石坝来看，坝体沉降率大都不到0.5%。

爆破堆石料及砂砾石料各有优势，利用好筑坝材料的前提是充分了解其特性及对大坝安全性能的影响。本文基于目前几座高土石坝工程筑坝材料的试验研究成果，从筑坝材料的变形特性、渗透特性及压实指标等几个方面进行分析和思考，提出研究路径，以促进高土石坝科研发展，提高对筑坝材料特性的认识，为高坝健康发展提供科学技术支撑。

1 砂砾料与爆破料的变形特性

阿尔塔什大坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，大连理工大学采用超大三轴试验研究筑坝砂砾石及堆石料的静动力本构模型参数以及缩尺效应对筑坝材料永久变形模型参数的影响规律。砂砾料和爆破堆石料的大三轴(试样直径30cm)与超大三轴(试样直径100cm)试验邓肯-张模型参数对比见表1。

从表1可以看出，超大三轴试验的弹性模量K以及体积模量Kb与大三轴试验相比，爆破料小20%左右，而砂砾料大25%左右，表征抗剪强度的初始摩擦角也表现出了一致的对应关系。砂砾料和爆破料的大三试验和超大三轴试验分别表现出不同的规律，主要是由于两种坝料分别采用了不同的试验控制标准，砂砾料采用相对密度控制，爆破料采用孔隙率(或干密度)控制。理论上讲，超大三轴试验的试样直径达到了100cm，试验条件相对大三轴试验更加接近现场实际，试验结果更加可信。对于砂砾料，由于其经过天然磨圆搬运沉积而成，颗粒磨圆度高，土颗粒本身破碎变位的余地很小，当采用接近原级配土进行大尺寸试样三轴剪切试验时，所确定的变形模量参数就较缩尺级配土小尺寸试样的试验结果要高，这和现场原位测试变形模量较室内缩尺试验确定土体变形模量高的道理是一致的。而对于爆破堆石料，由于土颗粒为人工爆破而成，其颗粒棱角突出，磨圆度较差，而且受爆破力影响块石本身就已经存在很多结构性缺陷，这些爆破堆石颗粒组合在一起在高应力条件下很容易产生颗粒破碎效应，导致堆石料的变形模量降低。这一现象在粗颗粒土大尺寸试样中体现得更加明显，所以导致了超大三轴试验试验测试爆破料的模量参数较大三轴试验要有所降低，但这也更加体现出了爆破堆石料现场的实际工作状态。

表1 大三轴试验与超大三轴试验参数对比

图1 计算确定大坝沉降与实际监测结果的对比

图1给出了阿尔塔什大坝实际监测两个高程竖向沉降与采用大三轴试验和超大三轴试验成果有限元计算得到相应高程沉降的对比。从图1中可以看出，虽然两种试验得到参数的有限元计算坝体沉降都要较实际检测结果偏大，但是以超大三轴试验成果为基础计算的结果更加能反映大坝的变形特点，而且由于超大三轴试验确定的爆破堆石料模量参数较大三轴试验要低，而砂砾料的模量参数则要较大三轴试验要高，两者的不协调性在计算结果和实测结果中均得到了很好的体现。对于砂砾料和爆破堆石料混合坝，两种坝料分区间的变形协调问题需得到更好地解决。

2 砂砾料的渗透特性

对于砂砾石筑坝工程，由于砂砾石细粒含量较高，需高度重视大坝的渗流安全问题。大坝的渗流安全问题包括：坝体的浸润线是否足够低，以保证坝体抗滑稳定安全；垫层—过渡层—砂砾石区之间不发生渗透变形破坏。

阿尔塔什水利枢纽工程及大石门水库工程两座正在施工的大坝砂砾石碾压后的渗透系数见表2。这两座大坝砂砾石碾压后存在的问题是碾压层面有一层细颗粒，如图2所示，由于砂砾石填料具有级配融散性、断级配性和施工易分离性等特点，在碾压层表面细颗粒集中现象是砂砾填料常有问题。依据各家所提供的压实指标和渗透系数现场试验的结果，尽管其表现感到偏细，其量级均在规范规定和国内外经验范围之内，且因其层厚较小，不会影响碾压层的平均质量(含渗透系数)，碾压层的各项指标平均性能能够满足规范要求。

针对砂砾石料碾压的渗透特性，建议高土石坝开展下列研究：

表2 施工期碾压后砂砾石渗透系数

图2 砂砾石碾压层面泛细沙现象

(1)宜同时开展坝料水平渗透试验和垂直渗透试验

强振碾压后，碾压层表面往往会翻出大量细颗粒土，形成局部弱透水层，所以现场竖向渗透试验测试得到的土体渗透系数都较小。而在实际坝体中，大面积的碾压同样使得这一局部弱透水层沿水平方向分布，局部弱透水层会使得水流沿着竖直方向的渗透变得困难。但是，在实际坝体中水流的渗透方向分布是较为复杂的，单一采用竖向渗透试验测试得到的土体渗透系数进行渗透分析是难以反映实际情况的。为了反映土体渗透特性的各向异性，有必要同时开展水平向渗透试验，以全面反映坝体内土体的实际渗透状态。

(2)宜开展坝料现场大型渗透试验

不管是室内渗透试验还是结合碾压试验的现场圆筒注水法渗透试验，其测试得到坝料渗透系数与实际都有一定差距，现场圆筒注水法测试得到试验结果参数也有限。由于受设备尺寸和试验水头的限制，室内试验对现场大坝的实际状态的反映是不够全面的；而现场圆筒注水法渗透试验往往只能测试得到坝料的竖直向渗透系数。

在现场利用碾压试验碾压，结合现场的地形条件，可以对实际大坝碾压层进行大型渗透试验，测试坝料渗透系数和渗透破坏坡降等特性参数，同时可以开展坝料分区反滤试验。试验水头可以达到大坝蓄水后的实际水力条件，试验试样可以充分反映大坝内部的细部结构特点。高土石坝的内部渗流条件和渗透稳定性对于大坝结构稳定具有重要影响，在现场开展大型渗透试验是非常必要的。

3 砂砾料的压实指标

3.1 问题的提出

在阿尔塔什水利枢纽工程大坝施工招标文件中提出砂砾石坝壳料设计：相对密度采用0.9，最紧平均干密度rdmax=2.29 g/cm3，最松平均干密度rdmin=2.03 g/cm3，干容重rds=2.26 g/cm3。由于当时引用的规范为SL 49—94《混凝土面板堆石坝施工规范》，大坝填筑质量的主要控制指标——相对密度主要采用振动台法获得。但根据2015年8月15日发布的SL 49—2015《混凝土面板堆石坝施工新规范》，规范内容第9节第9.2.3条要求，对于坝高150m以上的砂砾石堆石面板坝，应按照NB/T35016进行原型级配的相对密度试验。通过砂砾料原级配现场相对密度试验可知，最紧平均干密度rdmax=2.39 g/cm3，最松平均干密度rdmin=2.00 g/cm3，干容重rds=2.35 g/cm3。由于现场大型相对密度试验的指标高于室内相对密度试验，导致施工单位对此进行索赔。

下面对阿尔塔什和卡拉贝利大坝砂砾石料的室内试验和现场试验成果进行对比分析，提出两种试验方法的实际意义和使用原则。

3.2 室内及现场相对密度试验成果

3.2.1 阿尔塔什主堆砂砾料

阿尔塔什面板坝主堆砂砾料的原型级配情况及室内相对密度试验的试验土料级配情况如图3所示。不同控制级配(含砾量)坝料的现场相对密度试验结果见表3，不同控制级配(含砾量)坝料的室内相对密度试验结果见表4。图4则给出了更容易理解和实际工程使用的相对密度3因素。

图3 阿尔塔什主堆砂砾料相对密度试验级配

P5/%69.070.075.076.477.880.7最大干密度/(g/cm3)2.352.362.422.432.422.39最小干密度/(g/cm3)1.951.972.052.062.052.01Dr=0.90干密度/(g/cm3)2.312.322.382.392.392.36

表4 阿尔塔什主堆砂砾料室内相对密度试验结果(100cm直径密度桶，表面振动法)

图4 阿尔塔什主堆砂砾料相对密度三因素

3.2.2 卡拉贝利主堆砂砾料

卡拉贝利大坝砂砾料的现场大型相对密度试验以及室内试验结果见表5和表6。

表5 卡拉贝利主堆砂砾料现场相对密度试验结果

表6 卡拉贝利主堆砂砾料室内相对密度试验结果(100cm直径密度桶，表面振动法)

3.3 室内及现场相对密度试验成果分析

从阿尔塔什和卡拉贝利工程实际坝料的室内和现场相对密度试验的成果可以看出，尽管室内表面振动法相对密度试验在试样尺寸和击实功能上均较振动台法有较大提升，但是现场实际压实状态仍有一定差距，所测试得到的最大最小干密度指标较现场测试结果要低。

现场相对密度试验，使用大型施工碾压机械和相对密度桶，对原级配筑坝砂砾料进行最大、最小干密度试验，试验条件的现场条件基本一致，试验测试结果和现场土料实际特性指标也基本相当，可以不加修正地直接应用于指导实际碾压试验和大坝施工质量检测。

室内相对密度试验设备的击实功能和试样尺寸与现场实际有一定差距，但是作为长期和普遍使用的一种试验手段，其试验成果可以用来与同类工程进行类比分析，在现场施工开始前不具备现场试验条件的情况下，试验成果可以作为设计了解坝料压实特性和确定大坝填筑标准的定性参考依据。而且，室内试验对于试验条件的控制更加精确，试验成本也要低得多，所以可以开展数量较多的试验，用以分析相关因素的影响规律，和现场试验成果结合起来使用更有利于工程实际应用。此外，诸如室内三轴试验和渗透试验的控制密度条件等也需要采用尺寸配套的室内相对密度试验成果。

总之，对于室内和现场相对密度试验成果的使用应该是具体情况具体分析，现场成果用于指导现场施工和供试验条件相匹配的现场试验使用，而室内试验成果主要用于和其试验条件相匹配的室内试验使用，也作为现场试验成果缺乏时指导设计的基础资料。

4 堆石料的压实指标

对于爆破堆石料的压实标准目前采用孔隙率单一指标来加以确定，或者通过孔隙率和土颗粒比重来换算得到某一确定的干密度指标，总之是一个单一参考指标的确定值，这一单一指标不能体现出上坝碾压坝料的不均匀性。而且在实际工程的大坝碾压过程中，我们也发现了这一控制方式存在的问题。对于级配较好的坝料，采用较低的碾压参数就能实现设计确定孔隙率控制指标，显然这些土料还是有大的进一步压密的余地的，但是按照既有控制方式却不需要再进一步碾压了，这必然存在有坝体后期变形过大的隐患。对于级配相对较差的土料，在采用了很高的碾压参数进行碾压后，仍然难以达到设计要求的孔隙率，但从经济和安全的角度确实没有进一步碾压的必要。比如根据规范，阿尔塔什大坝堆石料设计孔隙率19%，根据河海大学堆石料的现场相对密度试验结果，计算对应的相对密度为0.72，远低于砂砾料的设计压实标准0.9；而按照实际碾压参数施工，堆石料孔隙率可达到17.3%。

因此，不仅对于砂砾料，爆破堆石料的压实特性也是和土料的级配特性相关联的，也可以通过相对密度的概念予以表征。不同级配(细粒土含量或者说粗粒土含量)的爆破堆石料，其可压实最大干密度(或最小孔隙率)是存在差异的，同样的密实程度对应的土体绝对干密度值也是存在差异的，在实际操作中应当切实考虑这一差异，这样才能保证对于不同级配坝料不出现欠碾和过碾，在保证施工效应效率的同时，使得大坝压实是均匀的。

为了能够体现土料级配特性对爆破堆石料压实特性的影响，有必要在孔隙率控制指标的基础上，引入反映土颗粒级配特性的指标(诸如含粒量P5等)来综合反映坝料的密实程度和压实效果。对于不同级配(含粒量)堆石料，采用相对密度试验方法确定其最大最小干密度指标，对于设计确定的相对密度值就可以换算得到对应的绝对干密度值。设计确定某一相对密度值作为大坝压实的控制标准，它是一个确定值，但不同级配土这一确定相对密度值所对应的干密度绝对值是不同的。随着现场大型相对密度试验方法的逐渐完善，在工地现场进行大型相对密度试验确定原级配爆破堆石料最大最小干密度指标是切实可行的。而且，已有研究成果表明，对于粗粒土坝料的相对密度击实试验所要求的土体最大粒径和密度桶直径比的要求，比室内三轴静动力特性试验要求要低。

堆石料的级配、孔隙率和相对密度指标对堆石体的模量、强度、体积压缩性等力学性质影响巨大，是高坝变形控制与协调的基础和依据。 对于高堆石坝而言，由于工作应力远大于中低堆石坝，应对堆石料级配以及填筑质量控制标准进行专题研究，在保证充填密实的同时，提高堆石体的压缩模量与破坏强度，确保大坝运行安全。

5 结语

“十三五”期间，有两座高面板坝将要建设，其中大石峡大坝高247m，为世界最高面板坝，筑坝材料为砂砾石和爆破堆石料；玉龙喀什大坝高229.5m，筑坝材料为爆破堆石料。采取一定的科研手段开展砂砾石料和爆破堆石料的特性研究是非常必要的。

高土石坝筑坝材料的特性对大坝的变形、渗流、抗震安全等至关重要。目前，高土石坝的快速发展促进了对筑坝材料特性的研究和认识，在强化和创新科研试验方法及措施的基础上，更好地复核和确定砂砾石料及堆石料的变形特性、渗透特性及压实指标，可为今后的高土石坝建设探索和积累工程经验，从而奠定安全建设和运行的科学基础。