瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料的突出特點(diǎn)及工程意義

李小泉，李建國(guó)，羅 欣

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司科學(xué)研究所，四川 成都 610072）

瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料的突出特點(diǎn)及工程意義

李小泉，李建國(guó)，羅 欣

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司科學(xué)研究所，四川 成都 610072）

土質(zhì)心墻堆石壩的設(shè)計(jì)中，防滲料的選擇和適宜性是關(guān)鍵問(wèn)題之一。采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為世界高壩發(fā)展的趨勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)為國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)。瀑布溝水電站大壩，屬國(guó)內(nèi)首次將寬級(jí)配礫質(zhì)土用作心墻防滲料于深厚覆蓋層上修建高土石壩，在中國(guó)壩工史上有著里程碑般的意義。本文通過(guò)將瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料與國(guó)內(nèi)外諸多高壩工程防滲料的對(duì)比，揭示了瀑布溝防滲土料的突出特點(diǎn)；通過(guò)施工期的檢測(cè)與復(fù)核，驗(yàn)證了應(yīng)用效果的可靠性，并歸納了其成功應(yīng)用的工程意義。

寬級(jí)配礫質(zhì)土；防滲土料；黏粒含量；工程意義

0 前 言

土質(zhì)心墻堆石壩的設(shè)計(jì)中，防滲料的選擇和適宜性是關(guān)鍵問(wèn)題之一。以往土石壩防滲體材料的選擇，多用純細(xì)粒黏土，但在實(shí)際工程中，壩址附近往往沒有足夠的細(xì)粒黏土，以礫質(zhì)土、風(fēng)化料及冰磧土等為代表的粗粒土就成了工程師們的替代選擇。國(guó)外一些沒有或缺少細(xì)粒土的地區(qū)，已有諸多用粗粒土作防滲料筑壩的成功范例，如塔吉克斯坦的努列克、美國(guó)的奧羅維爾、加拿大的邁卡。瀑布溝水電站大壩則為國(guó)內(nèi)首次在深厚覆蓋層上應(yīng)用寬級(jí)配礫石土作心墻防滲料修建的高土石壩，其成功經(jīng)驗(yàn)已為國(guó)內(nèi)多座高土石壩在設(shè)計(jì)和建設(shè)中借鑒和推廣。但與其他所有類似工程相比，瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料的特點(diǎn)仍較為突出。

1 國(guó)內(nèi)外高壩防滲土料與瀑布溝防滲料對(duì)比

分別收集了國(guó)內(nèi)外100 m以上高土石壩采用寬級(jí)配礫質(zhì)土作心墻防滲土料工程實(shí)例：從圖1、2可直觀地查看世界各國(guó)主要高壩工程防滲體的級(jí)配特性指標(biāo)，并突出標(biāo)出了瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土心墻防滲土料在國(guó)內(nèi)外高心墻堆石壩防滲土料級(jí)配曲線圖中所處的位置。從圖上可以看出，成功運(yùn)用的防滲料小于5 mm的顆粒含量最小為42.33%（獅子坪），瀑布溝為41.14%；小于0.075 mm的顆粒含量最小為16%（馬特馬克），瀑布溝為11.49%；小于0.005 mm的黏粒含量最小為4.5%，瀑布溝為5.15%，為國(guó)內(nèi)最小值。泥山壩小于5 mm的顆粒含量為38%，小于0.075 mm的顆粒含量為5.7%，小于0.005 mm的黏粒含量最小為2%，但其心墻曾發(fā)生過(guò)滲透破壞。結(jié)合圖表進(jìn)一步分析：從國(guó)外已有寬級(jí)配礫質(zhì)土作心墻土料實(shí)例看，瀑布溝黑馬料位于下包線偏低位置，細(xì)粒段僅比泥山壩略高，但泥山壩工程已失事；從目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例看：瀑布溝水電站大壩防滲料為國(guó)內(nèi)黏粒含量最?。ㄐ∮?.005 mm黏粒含量低于6%）的寬級(jí)配礫石土。

2 國(guó)內(nèi)規(guī)程規(guī)范對(duì)礫石土防滲料的技術(shù)要求

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL／T 5395－2007）填筑防滲體礫石土要求：粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜超過(guò)50%，0.075 mm以下的顆粒含量不應(yīng)小于15%，且小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%。

《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（DL／T 5388－2007）填筑防滲體礫石土要求：粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜大于50%，0.075 mm以下的顆粒含量不應(yīng)小于15%，且小于0.005 mm的黏粒含量在全級(jí)配中宜不低于6%～8%，擊實(shí)后滲透系數(shù)小于1×10－5cm／s。

因此從國(guó)內(nèi)兩規(guī)程規(guī)范對(duì)礫石土防滲料的技術(shù)要求來(lái)看：瀑布溝礫質(zhì)土防滲料小于0.075 mm的顆粒含量（11.49%）超出了規(guī)范的要求；小于0.005 mm的黏粒含量（5.15%）超出了規(guī)范推薦的下限。

圖1 瀑布溝與國(guó)外幾座高心墻堆石壩防滲土料級(jí)配曲線

圖2 瀑布溝與國(guó)內(nèi)幾座高心墻堆石壩防滲土料級(jí)配曲線

3 瀑布溝水電站防滲料料場(chǎng)的選擇過(guò)程及改良方案

瀑布溝心墻防滲料料場(chǎng)的選擇有一復(fù)雜漫長(zhǎng)的過(guò)程，1986年進(jìn)入預(yù)可研設(shè)計(jì)階段后，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作：在50 km范圍內(nèi)曾分別對(duì)深啟低、黑馬0區(qū)、黑馬Ⅰ區(qū)、老堡子、田街子、烏斯河、新寨子、卡爾、管家山等料場(chǎng)和距壩址35 km的紅花料場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究工作按照當(dāng)?shù)夭牧蠅卧O(shè)計(jì)的最基本原則－以壩址處為中心，由近至遠(yuǎn)，就地取材，在滿足防滲土料基本原則的基礎(chǔ)上初步篩選：其中黑馬Ⅰ區(qū)料場(chǎng)小于5 mm顆粒含量為22.8%～60%，平均40.5%，小于0.1 mm顆粒含量為22.8%～60%，平均11.4%，小于0.005 mm的黏粒含量為0.92%；其ik達(dá)1.5～2.2，if＝7.1～7.4，加反濾后ik達(dá)9.9～12.56，k值可達(dá)4.2×10－5cm／s，if＝40～60.3，其儲(chǔ)量達(dá)442×104m3，但其下線的k值難于達(dá)到10－5cm／s要求。其他黑馬Ⅱ區(qū)小于5 mm顆粒含量平均為34.8%，烏斯河和卡爾為36.4%～38.6%，這三個(gè)料場(chǎng)下線小于5 mm顆粒含量為19.7%～22.6%，其k值仍達(dá)不到10－5cm／s，其強(qiáng)度和變形指標(biāo)均較好，但都因粗粒含量偏大，有待處理后才能用作防滲料。故經(jīng)這階段研究后初步選擇下階段重點(diǎn)研究的料場(chǎng)為：深啟低、黑馬0區(qū)、黑馬Ⅰ區(qū)、老堡子和管家山料場(chǎng)。

在可研階段后期，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究綜合分析比較：深啟低、老堡子及田街子三個(gè)料場(chǎng)小于5 mm顆粒含量為67.3%～77%，其下線為46.8%～55.7%，ik＝3.3～3.35，if＝7.0～8.3，k＝8 ×10－5～2.9×10－7cm／s，總儲(chǔ)量363×104m3，其中線和下線均能滿足壩體防滲要求。但這三個(gè)料場(chǎng)的細(xì)粒含量偏多，導(dǎo)致最大干密度，抗剪強(qiáng)度及壓縮模量均較低，難以滿足防滲體應(yīng)力變形的計(jì)算要求，且施工開采不便。故心墻防滲土料選定用黑馬礫石土料，但成果表明：黑馬Ⅰ區(qū)、0區(qū)土料級(jí)配范圍廣、粗粒含量偏高，需考慮摻和及其他處理方式。

對(duì)于瀑布溝心墻料采用寬級(jí)配礫質(zhì)土，其強(qiáng)度和變形能滿足要求，不是控制性因素，防滲和抗?jié)B透破壞則是研究和控制的關(guān)鍵。通常影響防滲性能的主要指標(biāo)為壓實(shí)密度、小于5 mm含量、小于0.075 mm含量、小于0.005 mm含量。而研究成果顯示：瀑布溝擬定防滲料為國(guó)內(nèi)黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%），塑性指數(shù)最低（平均為9.6）的寬級(jí)配礫石土。

天然筑壩材料的天然性是客觀存在的，是否適于作心墻防滲土料卻隨土石壩建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)者對(duì)當(dāng)?shù)夭牧涎芯康纳钊氤潭瓤赡苡胁煌恼J(rèn)識(shí)。從防滲的角度看，黑馬Ⅰ區(qū)、洪積亞區(qū)土料剔除大于80 mm粒徑，在2 740 kJ／m3的擊實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，壓實(shí)度為98%控制之下，滲透系數(shù)達(dá)到i×10－6量級(jí)；此外黑馬Ⅰ區(qū)土料采用摻合的方式，也是可行，但摻合工藝復(fù)雜，又無(wú)堆料場(chǎng)地。因此，最終采用黑馬I區(qū)經(jīng)簡(jiǎn)單級(jí)配（剔除大于80 mm）調(diào)整作瀑布溝心墻防滲土料。

4 施工期檢測(cè)與復(fù)核

在大壩填筑期間我院對(duì)礫質(zhì)土心墻按8～10 m高一次共進(jìn)行了22次抽檢，并沿高程從壩底到壩頂進(jìn)行成果統(tǒng)計(jì)。檢測(cè)的礫石土防滲料級(jí)配曲線，見圖3：小于5mm含量為39.27%～54.12%，平均48.45%；小于0.075 mm含量為19.05%～26.70%，平均21.64%；小于0.005 mm含量為3.59%～8.25%，平均6.4%，為黏土質(zhì)礫（GC）。

圖3 礫質(zhì)土防滲料檢測(cè)級(jí)配曲線

此外，我院用統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了各項(xiàng)力學(xué)復(fù)核：包括在反濾保護(hù)下的聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)、非完整土樣抗沖刷試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、高壓大三軸試驗(yàn)。成果表明：防滲料平均線在反濾保護(hù)下，滲透系數(shù)達(dá)到i× 10－6量級(jí)，為弱透水性；抗?jié)B透破壞坡降較高，達(dá)到35以上；反濾層對(duì)心墻料有保護(hù)效果：心墻料具有防沖刷能力，若出現(xiàn)裂縫，能夠淤堵自愈。其他力學(xué)性質(zhì)，如壓縮性、抗剪強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料的突出特點(diǎn)

瀑布溝水電站大壩為國(guó)內(nèi)首次在深厚覆蓋層（最大厚度78 m）上采用寬級(jí)配礫質(zhì)土作心墻防滲料。防滲土料為國(guó)內(nèi)黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%）的寬級(jí)配礫石土，也接近國(guó)際上已建大壩心墻料黏粒含量最低值（小于0.005 mm黏粒含量2%～4.5%）。

防滲料塑性指數(shù)國(guó)內(nèi)最低（平均為9.6），經(jīng)反復(fù)論證，建議加強(qiáng)反濾保護(hù)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求的抗?jié)B坡降。

瀑布溝水電站心墻防滲料料場(chǎng)篩選及研究過(guò)程復(fù)雜：由近壩附近10余個(gè)料場(chǎng)系統(tǒng)研究，并經(jīng)大型現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)論證，選擇黑馬土料場(chǎng)。但由于料場(chǎng)土料偏粗，采用了加大擊實(shí)功能、簡(jiǎn)單級(jí)配調(diào)整、加強(qiáng)反濾等技術(shù)措施，解決了該土料作為高心墻防滲土料的問(wèn)題并成功應(yīng)用。

6 瀑布溝寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲料應(yīng)用的工程意義

與國(guó)內(nèi)外類似工程資料比較，瀑布溝防滲土料已接近國(guó)際上統(tǒng)計(jì)的筑壩心墻料下線，為使其防滲等各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，瀑布溝黑馬土料經(jīng)過(guò)了大量、系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究：諸如加大擊實(shí)功能、采取與細(xì)料（老堡子、管家山、膨潤(rùn)土）摻和或進(jìn)行簡(jiǎn)單級(jí)配（剔除大于80 mm）調(diào)整等技術(shù)措施，并經(jīng)大型現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)充分論證，最終提出采用黑馬Ⅰ區(qū)經(jīng)簡(jiǎn)單級(jí)配（剔除大于80 mm）調(diào)整作瀑布溝心墻防滲土料，雖黏粒含量這一指標(biāo)仍超出現(xiàn)行土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范和水電水利天然建筑材料勘察規(guī)程要求，但經(jīng)加大擊實(shí)功能和加強(qiáng)反濾，其防滲、抗?jié)B性滿足高壩要求。

瀑布溝心墻料選擇前后經(jīng)過(guò)十余年，勘探、篩選了10多個(gè)料場(chǎng)，料源成因復(fù)雜、級(jí)配組成范圍寬。進(jìn)行了系統(tǒng)的室內(nèi)物理、力學(xué)試驗(yàn)研究和大型現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)論證，充分認(rèn)識(shí)料源結(jié)構(gòu)組成和平面、立面分布規(guī)律。最終選擇采用黑馬Ⅰ區(qū)經(jīng)簡(jiǎn)單級(jí)配（條篩剔除大于80 mm）調(diào)整作瀑布溝心墻防滲土料，該建議簡(jiǎn)化了施工工序，能充分保證施工質(zhì)量，大大節(jié)省投資－預(yù)估3億元。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）瀑布溝水電站大壩為世界少有、國(guó)內(nèi)首次在深厚覆蓋層上應(yīng)用寬級(jí)配礫石土作心墻防滲料建高土石壩，現(xiàn)已安全蓄水發(fā)電運(yùn)行3年。

（2）我院設(shè)計(jì)的獅子坪、磽磧、水牛家和毛爾蓋心墻土料采用的寬級(jí)配礫石土，運(yùn)用了與瀑布溝類似的研究思路和方法，并已成功應(yīng)用和推廣。

（3）該寬級(jí)配含少量黏粒的礫質(zhì)土，通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)系列試驗(yàn)研究論證用作心墻防滲料，已在高土石壩中成功運(yùn)用，并超越現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，拓寬料源選擇，已供在建的雙江口、兩河口和長(zhǎng)河壩水電站大壩借鑒和參考。

TV44

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1003－9805（2015）02－0060－04

2013－09－24

李小泉（1965－），男，重慶萬(wàn)州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事巖土試驗(yàn)研究工作。