混凝土面板堆石壩墊層料的設(shè)計準(zhǔn)則

鳳 煒 高 強(qiáng) 李曉慶

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052）

1 墊層設(shè)計的演變

由于設(shè)計者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不同，對墊層區(qū)的作用及材料的具體要求不同，也就產(chǎn)生了不同的設(shè)計思想，其演變過程大體上可以劃分為4 個階段。

1.1 第1 階段

這一階段墊層料均采用強(qiáng)透水的粗顆粒，最大粒徑Dmax為200～300mm，并剔除小于25mm的骨料。其目的在于確保顆粒間緊密接觸形成穩(wěn)定的骨架，避免當(dāng)面板或接縫產(chǎn)生滲漏時，細(xì)顆粒將被滲流沖蝕，進(jìn)入大孔隙的堆石體中，產(chǎn)生內(nèi)部管涌，從而在面板下形成一個局部架空區(qū)，并進(jìn)一步引起滲漏的加大。

1.2 第2 階段

開始采用級配墊層。不剔除細(xì)料的主要原因有：（1）當(dāng)混凝土面板和接縫漏水時，墊層將起到半透水作用；（2）篩除細(xì)料的墊層料加工費(fèi)用昂貴；（3）含有細(xì)料的墊層料容易整理成要求的外形，使?jié)仓拿姘搴穸染鶆?，避免混凝土超填?/p>

這一時期允許細(xì)料的存在，改善面板的受力條件，同時開始提出半透水性要求。

1.3 第3 階段

采用半透水級配墊層。在運(yùn)行期面板和接縫漏水時，由于墊層料的滲透系數(shù)較小，可以限制進(jìn)入壩體的滲透流量。墊層對粉質(zhì)砂土能起反濾作用，以達(dá)到堵漏目的?；谏鲜鏊枷?，謝臘德和國際大壩委員會提出了對墊層料的期望顆粒級配組成，詳見表1。并逐步完善了對墊層料的性能要求。80年代以來所建各壩，墊層料中細(xì)料含量明顯增大，最大粒徑日趨減小。

表1 墊層料級配

1.4 第4 階段

在總結(jié)了前期一些工程采用粉土處理大壩嚴(yán)重滲漏經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，巴西學(xué)者提出了“自愈性止水”結(jié)構(gòu)的概念，明確提出墊層料必須對粉質(zhì)類防滲土料具有反濾作用，并通過試驗(yàn)加以確認(rèn)（即強(qiáng)調(diào)了墊層料的保砂性）。從混凝土面板堆石壩防滲的角度來看，墊層料是周邊縫、板間縫止水系統(tǒng)的一個組成部分。

從上述設(shè)計發(fā)展過程來看，進(jìn)入第三、第四階段后，更加突出了墊層在混凝土面板堆石壩防滲性能中的作用。

由于墊層料的最大粒徑變細(xì)，小于5mm 顆粒含量增高，因此，在第一階段人們所關(guān)心的墊層料的滲透穩(wěn)定性問題再次引起了壩工界的關(guān)注，特別是采用沖積的砂礫料直接加工的墊層料。產(chǎn)生這一問題主要是因?yàn)闆_積砂礫料具有如下特點(diǎn)：

（1）離散性。由于沉積條件的不同，所形成的砂礫石的級配也不相同，具有明顯的隨機(jī)分布規(guī)律，導(dǎo)致用它所生產(chǎn)的墊層料具有級配不均勻的特性。

（2）級配間斷性。即非連續(xù)級配，山區(qū)峽谷地段砂礫料這一特性更為突出。這種級配的不均勻系數(shù)大于100，是一種典型的管涌土，它的滲透穩(wěn)定性是滲流控制的主要矛盾。溝后壩失事以后，以砂礫石為壩料的工程的安全性，更引起人們的重視。

（3）施工易分離性。砂礫石壩料施工時極易產(chǎn)生分離，容易導(dǎo)致壩體分區(qū)界面上砂礫石料的不均勻性，難以保證滲流過渡。

2 墊層料基本要求和選擇

墊層料應(yīng)滿足如下的要求：

（1）材質(zhì)必須是堅(jiān)硬、質(zhì)地新鮮石料；

（2）墊層料的強(qiáng)度和變形均應(yīng)滿足壩坡穩(wěn)定以及面板、墊層、過渡層變形的要求；

（3）施工時要有良好的抗分離性能；

（4）墊層料必須滿足壩體滲透和滲透穩(wěn)定性要求。

墊層料在下面兩種情況下必須保證其滲透和滲透穩(wěn)定性。

2.1 第1 種運(yùn)行工況

施工時當(dāng)利用墊層擋水渡汛或運(yùn)行期面板及接縫防滲（止水）失效時，在正向滲透水壓力作用下，能夠確保其滲透和滲透穩(wěn)定性。

為研究墊層料和主堆石壩料的滲透和滲透穩(wěn)定性，采用了大型高壓滲透儀實(shí)驗(yàn)裝置，其有效直徑為100cm，有效工作段長度（即滲徑）為120cm，最大承受水頭為100m，這就可以使用原級配材料進(jìn)行滲透試驗(yàn)，真實(shí)地反映材料的滲透性狀。試驗(yàn)時滲透水流由上向下，墊層底部鋪設(shè)l00mm 等徑礫石進(jìn)行保護(hù)。針對烏魯瓦提墊層料我們進(jìn)行了3組試驗(yàn)。

第1組以烏魯瓦提河床天然砂礫石為原料，直接過篩制備墊層料，最大粒徑為80mm，小于5mm 顆粒含量占35%，小于0.1mm 顆粒含量為4%～7%，試驗(yàn)樣品的級配曲線尾部偏離謝臘德（Sherard）墊層料級配曲線（見圖l）。

圖1 烏魯瓦提墊層料級配曲線

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著滲透比降的增加，墊層內(nèi)的細(xì)砂不斷被帶出。當(dāng)維持總水頭不變時，墊層內(nèi)部各測點(diǎn)處的測壓管水頭不斷的變化調(diào)整，內(nèi)部滲透比降也在變化，也就是各測段的滲透系數(shù)不斷的變化。這反映出墊層內(nèi)部的砂石顆粒在滲透水流作用下發(fā)生移動，易位調(diào)整。當(dāng)滲透比降達(dá)到13 時，出水口大量涌砂，墊層產(chǎn)生了滲透破壞。

第 2組為研究顆粒形狀對墊層滲透和滲透穩(wěn)定性的影響，上述墊層料中5～40mm 粒徑的砂料采用碎石和卵石各占50%摻和，小于5mm 的細(xì)料采用天然砂和人工砂各占50%摻和制備試樣。與第一組相似，在總水頭維持穩(wěn)定的條件下，墊層內(nèi)部各處的測壓管水頭在不斷的變化，反映了墊層內(nèi)部顆粒排列結(jié)構(gòu)在滲流作用下不斷調(diào)整，內(nèi)部各段的滲透系數(shù)也不相同，處于非均勻狀態(tài)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)墊層中到上中部滲透系數(shù)較大，所承受總比降的百分比較下部小，在下部，形成一個低滲透系數(shù)區(qū)域，暫稱為“滲淤層”。這個層的厚度不大，但承受著較上部更大的總比降的百分比，“滲淤層”在試驗(yàn)進(jìn)行72 小時后，總滲透比降達(dá)92（限于設(shè)備條件未能使試樣承受更高的滲透比降）。內(nèi)部各測壓管水頭始終在變化調(diào)整，但墊層并未產(chǎn)生滲透破壞。

第3組試驗(yàn)用料與第二組相同，但嚴(yán)格按照謝臘德（Sherard）級配曲線配制試樣。試驗(yàn)結(jié)果表明：總滲透比降達(dá)到132 時（因設(shè)備條件的限制）也未產(chǎn)生滲透破壞?？偹^維持穩(wěn)定時，內(nèi)部各測壓管水頭變化不大，反映出墊層內(nèi)部顆粒在滲流作用下，很少產(chǎn)生移動易位，處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。與前兩組不同，墊層中沿滲流方向由上至下各測壓管間水頭損失遞減，即水頭損失主要集中在墊層的上部，約占總水頭損失的70%。這表明該級配的墊層料內(nèi)部顆粒間互相制約，具有“自反濾性”。下部的墊層料對上部能夠起保護(hù)作用，有效的防止了滲透破壞的發(fā)生。顯然，從滲透穩(wěn)定的角度看，這種具有良好級配的墊層料具有滲透內(nèi)部穩(wěn)定性，能夠承受更高的滲透比降。

通過以上3組試驗(yàn)可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）墊層料的顆粒形狀對其抗?jié)B強(qiáng)度有一定的影響，以人工碎石取代部分或全部的天然砂礫石所制備的墊層料的抗?jié)B強(qiáng)度遠(yuǎn)高于天然砂礫石直接過篩生產(chǎn)的墊層料。

（2）生產(chǎn)墊層料時，僅控制最大粒徑、小于5mm和小于0.1mm 顆粒含量，而不限制相對含量的墊層料的滲透穩(wěn)定性就難以保證。特別是細(xì)料的不均勻系數(shù)較小時，更容易產(chǎn)生滲透破壞。

（3）通過試驗(yàn)可知，謝臘德（Sherard）所建議的墊層級配，決不僅僅是為了克服施工過程中壩料的分離，并保證半透水性，而是一種匹配嚴(yán)謹(jǐn)、相互嵌咬、互相制約、各粒組均參與骨架作用的材料。這種墊層料具有較高的抗?jié)B能力。

2.2 第二種運(yùn)行工況

施工時利用有保護(hù)的墊層擋水渡汛，在反向滲透水壓力作用下，確保其滲透和滲透穩(wěn)定性。這種工況的墊層承受由下向上的滲透水流作用，此時，墊層的抗?jié)B強(qiáng)度遠(yuǎn)低于第一種工況，其滲透破壞形式可以是管涌、流土或過渡型中的一種。表2 給出了反向滲透水壓力作用時幾種滲透變形的破壞比降和允許比降。

表2 反向滲透水壓力作用時滲透變形的破壞比降和允許比降

這種工況的滲透破壞在施工期水位驟降時，特別是高壩小庫容時更為危險。最典型的破壞實(shí)例是梅索科巴壩。該壩壩高135m，墊層料由天然砂礫石直接過篩獲得，并含有較多的粉細(xì)顆粒，采用噴混凝土保護(hù)。施工中承包商將原設(shè)計的二期面板施工改為一期，使墊層坡面保護(hù)層大面積長期暴露在空氣中，并遭受到暴雨沖刷、凍融、施工中的滾石及人為破壞。在反向滲流作用下，使噴射混凝土保護(hù)層的破壞范圍擴(kuò)大，最終因粉細(xì)砂被滲流帶出壩體而發(fā)生管涌，導(dǎo)致壩坡塌方事故。梅索科巴壩的塌方實(shí)例說明：必須重視防止墊層料在無保護(hù)，同時又承受反向水壓力作用條件下所引起的滲透破壞。墊層料自身必須具有較高的抗?jié)B能力，其滲透系數(shù)不應(yīng)太小，以保證外水位下降時墊層內(nèi)的水位相應(yīng)下降，減小內(nèi)外水位差，降低反向滲透坡降，防止?jié)B透破壞。烏魯瓦提大壩為高壩小庫容，河谷狹窄，上游河道短、縱坡大，調(diào)蓄能力小，導(dǎo)流洞泄洪能力大，洪水猛漲速泄，極易出現(xiàn)水位驟降。在導(dǎo)流洞無控制敞泄時，庫水位降落速度難以限制。考慮到原墊層級配不夠合理，后調(diào)整了面板施工的分期，采用面板擋水渡汛，并在深基坑緊鄰墊層后設(shè)置減壓井，以消除反向水壓力對面板的破壞。

綜上所述，為保證兩種工況下墊層的滲透和滲透穩(wěn)定性，在墊層料選擇時應(yīng)滿足如下的準(zhǔn)則：

（1）級配特征準(zhǔn)則。保證墊層料級配曲線的連續(xù)性，應(yīng)滿足：最大粒徑：Dmax=80～100mm；小于5mm 粒徑含量應(yīng)控制在35%～55%；小于0.1mm 粒徑含量應(yīng)控制在2%～ 7%；不均勻系數(shù)Cu=40～80；曲率系數(shù)Cc=1～3。

（2）自反濾性準(zhǔn)則。為防止墊層料在正向和反向滲透水壓力作用下產(chǎn)生滲透破壞，它就必須具有“自反濾性”（或稱“內(nèi)部穩(wěn)定性”）。謝臘德早在1984年就提出寬級配壩料“自反濾性”分析方法：將壩料分成粗細(xì)兩部分，混凝土面板堆石壩壩料分界粒徑可以是5mm。如果粗細(xì)兩部分滿足太沙基反濾準(zhǔn)則，即：

式中：D15為粗粒部分級配曲線縱坐標(biāo)上小于某粒徑含量15%時所對應(yīng)的粒徑：d85為細(xì)料部分級配曲線縱坐標(biāo)上小于某粒徑含量 85%時所對應(yīng)的粒徑。

則表明粗粒部分能夠?qū)?xì)粒部分起到反濾保護(hù)作用，這種墊層料就具有“內(nèi)部穩(wěn)定性”，它具有較高的抗?jié)B穩(wěn)定性。

（3）滲透性準(zhǔn)則。墊層料應(yīng)具有半透水性，其滲透系數(shù)以控制在10-3～10-4cm/s 范圍為宜。這既可限制進(jìn)入壩體滲透流量的要求，又不會使墊層大范圍長期處于飽和狀態(tài)，也不會在施工時產(chǎn)生孔隙水壓力而影響碾壓。由圖2 可知：當(dāng)滲透系數(shù)小于10-2cm/s 時，其抗?jié)B比降顯著增加，上述的控制范圍有利于墊層的滲透穩(wěn)定。墊層的滲透系數(shù)也不宜過小，特別是在地震區(qū)的面板壩。

圖2 無黏性土的臨界水力比降與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

（4）保砂性準(zhǔn)則。墊層料應(yīng)能對粉質(zhì)土、粉煤灰等防滲料起到反濾保護(hù)作用，以在面板開裂和變形伸縮縫止水失效時形成“自愈性”止水結(jié)構(gòu)。

實(shí)際上，當(dāng)墊層料滿足上述幾項(xiàng)要求后，其強(qiáng)度、變形模量和施工條件等均能夠自動達(dá)到設(shè)計要求。

3 墊層的結(jié)構(gòu)

選擇墊層的尺寸時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）滿足滲透穩(wěn)定性要求，特別是采用薄墊層或在施工期依靠墊層擋水渡汛時，墊層所承受的水力坡降應(yīng)小于墊層料的允許滲透比降；

（2）滿足施工工藝要求，所選用的墊層寬度必須與所選用的施工機(jī)具相適應(yīng)；

（3）節(jié)省工程費(fèi)用。為滿足機(jī)械化施工要求，早期的設(shè)計是，壩頂處墊層一般最小寬度應(yīng)不小于3m，從壩頂向下，逐步加寬。工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)墊層的級配滿足強(qiáng)度和抗?jié)B要求，墊層的水平寬度通常不由其所承受的水力比降控制，而取決于料源、河谷形狀和施工工藝。一般認(rèn)為2～3m 已足夠。這也是采用自卸料車、推土機(jī)推鋪散料等施工機(jī)械所要求的最小寬度?？紤]到墊層料往往需要加工，生產(chǎn)成本高，若生產(chǎn)不及時，還會影響壩體填筑進(jìn)度。改變鋪料方法，雖然可以減小寬度，但費(fèi)用增加。因此，墊層區(qū)的水平寬度實(shí)際上由經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)比較最終確定。80年代以后，墊層區(qū)普遍采用上下等寬，但在墊層與岸坡基岸的連接處可適當(dāng)加寬。岸坡很陡或強(qiáng)地震區(qū)的壩，則由于面板接縫止水系統(tǒng)局部破壞的可能性比其他地區(qū)相同高度的壩大，為減少接縫止水破壞后的滲漏量，岸坡附近的墊層亦應(yīng)適當(dāng)加寬。經(jīng)驗(yàn)表明，雖然有些壩體材料具有低壓縮性，但在壩頭坡岸很陡的情況下，壩體也會沿壩頭岸坡產(chǎn)生滑動。因此在岸坡很陡時，可在岸坡和堆石體之間加設(shè)墊層料。既可提高接觸帶壓實(shí)密度及變形模量，又可減少滑移，并使壩料沿岸坡滑動后不易出現(xiàn)空隙，以減少接縫止水破壞的可能及破壞后的滲漏量。

澳大利亞從80年代起，采用1m 寬墊層，5m過渡層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3m 寬墊層和3m 寬過渡層?？偟内厔菔菈|層減薄，墊層料變細(xì)。為了整坡，采用人工耙平時，限制墊層料最大粒徑為75mm；采用機(jī)械整平時，限制最大粒徑為150mm。墊層料中應(yīng)含有一定數(shù)量的細(xì)料（<0.075mm），以限制面板開裂后的滲漏水量，但不宜超過8%，否則施工時將產(chǎn)生孔隙應(yīng)力而影響壓實(shí)。

我國已建成的成屏一級壩和龍溪壩都采用了這種薄墊層結(jié)構(gòu)，墊層寬度1m，運(yùn)行后情況未見異常，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

由于墊層料級配要求嚴(yán)格，常需加工篩選，成本較高。為降低費(fèi)用和方便施工，近年來一些工程將墊層區(qū)又分成兩個區(qū)，形成“雙層墊層”結(jié)構(gòu)。墊層總寬 1m，其上游側(cè)采用水平寬度0.3～0.5m 的細(xì)料作為面層，該層由常規(guī)墊層料剔除大于38mm 的粒料組成，故細(xì)料含量較高，級配良好。

采用雙層墊層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是把好施工質(zhì)量關(guān)。通常的做法是在碾壓完的壩體填筑面上，用白粉劃出雙墊層的界限，然后先鋪填下游側(cè)的粗墊層，用反鏟清出白線，清除界面上的集中粗料粒并形成與上游壩坡相同的坡度。細(xì)墊層寬0.5m，用反鏟施工，先將細(xì)料堆放在粗墊層料上，再用反鏟取料攤鋪，以保證兩層墊層的厚度，也有利于克服接觸層面上粗粒料集中現(xiàn)象，兩墊層鋪填完畢后進(jìn)行碾壓。

墊層料粒徑減小后，一些設(shè)計者顧慮的問題有2 個。一是在發(fā)生庫水位驟降時墊層中的水份不易排出，將對面板產(chǎn)生浮托力，不利于面板的穩(wěn)定；二是墊層中的積水在北方冬季容易發(fā)生凍脹，破壞面板。由于墊層較薄，又是傾斜布置在壩體中，位于其后的過渡層、主堆石的滲透系數(shù)較墊層料大數(shù)十倍以上，故進(jìn)入墊層的滲水在重力作用下，滲流基本上是垂直向下的，很容易排出，不會出現(xiàn)上述的危險。

1 蔣國澄，傅志安，鳳家驥.凝土面板壩工程[M].湖北：湖北科技出版社，1997.

2 鳳家驥.墊層料滲透及滲透穩(wěn)定性研究[J].華東水電技術(shù)，2000，(1)：43-47.

3 劉杰.土石壩滲流控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[M].北京：中國水利電力出版社，2006.

4 劉杰.土的滲透穩(wěn)定性與滲流控制[M].北京：水利電力出版社，1992.