砂礫石墊層料與堆石過渡料的聯(lián)合抗?jié)B試驗研究

吳軍民，喻 石，韓華強，傅 華

（1.浙江欽寸水庫有限公司，浙江省新昌縣 312529；2.南京水利科學研究院，江蘇省南京市 210024）

1 前言

滲流和滲透控制是土石壩工程中一項極其重要的課題，直接關系到工程的安全和投資。許多水工建筑物的失事都與滲流有關[1]。據(jù)統(tǒng)計除洪水漫頂外，由滲流引起的管涌、內(nèi)部沖蝕是造成土石壩垮壩失事的主要原因[2-3]。湖南株樹橋大壩發(fā)生面板塌陷和滲漏公認的原因包括[4-6]：墊層的沉降變形造成面板止水破壞和漏水，墊層的顆粒隨著滲漏水流大量流失造成面板脫空和破壞，使得滲漏進一步加劇。除了墊層自身的滲透變形特性外，過渡區(qū)對墊層沒有起到反濾保護作用也是墊層料流失的重要原因。

早期面板壩的滲流控制重點放在面板的止水結構方面，面板的止水結構多達3道以上，有時仍然難免出現(xiàn)大量漏水問題。謝拉德根據(jù)世界壩工經(jīng)驗提出面板壩墊層料應采用滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s的半透水材料作為第二道防滲防線的建議后，我國壩工專家很快采納了這一建議。在面板斷裂、止水結構拉斷后，一旦漏水，面板防滲將會完全失效，如果面板脫空則墊層表面脫空部分將直接與上游庫水相連通，以面板為防滲系統(tǒng)的面板堆石壩將轉(zhuǎn)化為以墊層為防滲系統(tǒng)的堆石斜墻壩，若墊層料過粗，則大壩的防滲能力將顯著降低。對于砂礫石面板壩，如果沒有專門的排水系統(tǒng)，將會導致壩體滲透破壞，甚至潰決。若是堆石面板壩，將會出現(xiàn)大量的滲漏[7]。庫克等[6]建議現(xiàn)代面板壩應設過渡區(qū)，以便使壓縮性及透水性從上游到下游有必要的過渡，保證墊層區(qū)材料不會被沖刷到主堆石區(qū)的大空隙中去。許多國內(nèi)學者[8-11]都對墊層料的滲透特性開展了研究，目前，幾乎所有的面板壩設計文件和研究文獻都響應了庫克等的規(guī)定，要求過渡區(qū)除了對墊層和主堆石區(qū)的變形起過渡和協(xié)調(diào)作用外，還要起到滲流控制作用，如排水和對墊層料的反濾保護作用等。過渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過渡層參與承擔滲透坡降的作用機理是墊層料抗?jié)B設計中一個值得關注的問題。

2 工程概況

欽寸水庫工程位于浙江省紹興市新昌縣境內(nèi)，是一座以供水、防洪為主，兼顧下游灌溉和發(fā)電的綜合利用水利工程。壩址地處曹娥江主要支流黃澤江上的欽寸村口下游約400m處峽谷河段，距新昌縣城約12km，距紹興市約108km，距寧波市約85km。壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程106.00m，壩頂長度290.00m，壩頂寬度8.00m，最大壩高64.00m。壩體從上游到下游分區(qū)依次為：墊層區(qū)（2A）、過渡區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、下游堆石區(qū)（3C）、下游干砌條石護坡（3D）。墊層區(qū)料采用軋制后的河床砂礫石料，過渡區(qū)采用爆破堆石料直接上壩，為研究過渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過渡層參與承擔滲透坡降的作用機理，本文采用室內(nèi)常規(guī)滲透儀分別對有保護及無保護條件下墊層料的滲透特性進行了試驗研究。

3 無保護墊層料的滲透變形試驗研究

3.1 試驗儀器與試驗方案

欽寸水庫大壩墊層料和過渡料基本物性指標見表1，試驗模擬級配見圖1。依據(jù)《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）[12]規(guī)定，滲透儀內(nèi)徑應大于5倍的試樣粒徑特征值d85。目前，室內(nèi)堆石料常規(guī)大型滲透儀直徑為30cm，顯然不適用于直接開展原級配過渡料的試驗研究。為此，按照規(guī)范要求對原級配線進行縮尺，縮制后的試驗級配曲線見圖1，雖然縮尺后過渡料細料含量相對于原級配有明顯增加，但由圖1中不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc判斷，試驗級配與原級配的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)變化不大。

表1 墊層料及過渡料基本物性指標

圖1 墊層料及過渡料級配曲線

3.2 試驗方法

試驗采用常水頭法，滲流方向為從下向上，試樣直徑為300mm。按照規(guī)程要求，選擇采用凡士林護壁的方法克服儀器邊壁效應。在試樣裝填前，先在滲透儀內(nèi)壁上涂上凡士林，然后將事先按級配稱好的試樣按相應的密度，均勻分3層裝填在滲透儀中。采用表面振動器，根據(jù)試樣要求的干密度大小，控制振動時間對每層試樣進行振動擊實。

值得指出的是砂礫料在振動擊實過程中，容易出現(xiàn)顆粒離析及小于5mm顆粒淤堵滲透儀透水板的現(xiàn)象，導致試驗結果偏低，為此裝樣過程中，在試樣底部鋪一層直徑為20～40mm的砂礫排水層，以減少小于5mm顆粒對滲透儀透水板的淤堵效應，并在裝樣時在試樣中加1%的水攪拌均勻以防止砂礫料發(fā)生顆粒離析現(xiàn)象。

試樣成型后采用從下向上滴水飽和法使試驗飽和，試驗過程參照《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）[12]，具體為：調(diào)整供水水箱高度，使供水水箱水位略高于試樣底面位置，再緩慢地提升水箱，每次提升1cm，待水箱水位與試樣中水位相等，并停10分鐘后，再提升水箱，隨著供水箱上升，讓充分曝氣后的水由儀器底部向上滲入，使試樣緩慢飽和，以排除試樣中的空氣。試樣充分飽和后開始試驗。

提升供水箱，使其水面高出滲透儀的溢水口，并保持常水頭差，形成初始滲透坡降，然后按試驗規(guī)程要求逐步提高滲透坡降。每次升高水頭并待水流穩(wěn)定1小時后，測記測壓管水位，并用量筒間隔15分鐘左右重復測讀滲水量3次，同時測讀水溫、室溫。并觀察該級水頭下的試驗現(xiàn)象，如水的渾濁程度、冒氣泡、細顆粒的跳動、移動或被水流帶出、土體懸浮、滲流量及測壓管水位的變化等，若連續(xù)3次測得的水位及滲水量基本穩(wěn)定，又無異?，F(xiàn)象發(fā)生，即可提升至下一級水頭。

圖2 無保護墊層料滲透變形試驗i-k曲線

試驗過程中，在某坡降下當試樣滲流流速發(fā)生突變，試樣中的細粒在滲透力作用下相應地由靜態(tài)轉(zhuǎn)為運動時，說明土體內(nèi)部發(fā)生結構調(diào)整，同時結合該坡降下的異常情況，綜合評價以確定臨界坡降。達到臨界坡降后，繼續(xù)提高滲透坡降，當出現(xiàn)水流增大、極渾濁水流或者下游面隆起時，表明土體結構破壞顆粒大量流失，該坡降即為破壞坡降。

3.3 試驗成果及分析

在雙對數(shù)坐標下分別畫出墊層料滲透變形試驗水流流速v、滲透系數(shù)k和試驗滲透坡降i關系曲線，分別如圖2和圖3所示。在試樣發(fā)生滲透破壞以前，i—v曲線基本上保持為一條直線，而i—k曲線左右搖擺。隨滲透坡降增大，i—k曲線先向右偏轉(zhuǎn)，滲透系數(shù)增大，說明試樣內(nèi)部細顆粒逐步由靜態(tài)轉(zhuǎn)為運動，試樣發(fā)生結構調(diào)整，試樣發(fā)生了滲透變形，但試樣骨架基本保持穩(wěn)定；當曲線向左偏轉(zhuǎn)，滲透系數(shù)相應減小，說明試樣內(nèi)部顆粒發(fā)生遷移，并在局部造成了淤塞。試樣內(nèi)部結構隨著滲透坡降的進一步增加而不斷調(diào)整，當滲透坡降達到臨界坡降1.79時，下游面有渾水流出，但試樣骨架未動；當滲透坡降達到1.93時，試樣結構破壞，大量細粒被帶出，表現(xiàn)為下游渾水翻滾、水流驟然變大，試樣明顯抬高，下游面崩塌，破壞型式為流土。具體試驗結果見表2。

圖3 無保護墊層料滲透變形試驗i-v曲線

表2 無保護墊層料滲透變形試驗結果

4 墊層料與過渡料的聯(lián)合抗?jié)B試驗

試驗方法、試驗過程及試驗設備同前，過渡料為保護料，墊層料為被保護料，滲徑均為300mm，裝樣時先裝墊層料然后裝過渡料，并在二層試樣之間鋪設測壓管。

聯(lián)合抗?jié)B試驗成果見表3。試驗坡降和滲透系數(shù)關系見圖4，水流流速和試驗坡降關系見圖5。聯(lián)合抗?jié)B試驗結果表明，隨滲透坡降增大，被保護料墊層區(qū)料滲透系數(shù)雖發(fā)生左右偏轉(zhuǎn)，但基本保持增大趨勢。在滲透破壞發(fā)生前，保護料過渡區(qū)料滲透系數(shù)一直向左偏轉(zhuǎn)，滲透系數(shù)不斷降低，說明被保護料墊層料試樣顆粒遷移進入到保護料，并造成了保護料過渡區(qū)料內(nèi)部淤塞。隨著滲透坡降增加，組合料保護料與被保護料試樣內(nèi)部結構不斷調(diào)整，當達到臨界坡降7.94時，下游面有渾水流出，但組合料試樣骨架未動；當滲透坡降達到8.13時，組合料試樣結構發(fā)生破壞，表現(xiàn)為下游面出現(xiàn)大量渾水、水流驟然變大，大量細粒被帶出，試樣明顯抬高，下游面崩塌，破壞型式為流土。

墊層區(qū)料在過渡區(qū)料的保護狀態(tài)下的反濾試驗，墊層區(qū)料的滲透系數(shù)為7.61×10-4cm/s，過渡區(qū)料的滲透系數(shù)為1.06×10-2cm/s，滲透系數(shù)相差約2個數(shù)量級，過渡區(qū)料能夠?qū)|層區(qū)料起到較好的排水作用。隨滲透坡降增大，過渡料滲透系數(shù)逐漸變小，表明有細顆粒帶入過渡料，拆樣時觀察進一步證明，墊層料中的細顆粒遷移進入過渡料，在過渡料與墊層料接觸帶上形成厚度約為1cm 的自濾反濾層。試驗過程中滲透水頭主要由墊層區(qū)料承擔，過渡區(qū)料幾乎不承擔水頭，組合料在滲透水流的作用下均保持較穩(wěn)定狀態(tài)，在試驗過程中分界面上的測壓管讀數(shù)均穩(wěn)定，當墊層區(qū)料的坡降達到8.13時，試樣發(fā)生了破壞。

圖4 墊層料與過渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗i-k曲線

圖5 墊層料與過渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗i-v曲線

無保護及有保護條件下墊層料的滲透特性試驗結果表明，壩體的墊層區(qū)在經(jīng)歷比較高的水力坡降時，有流失細粒料的可能性，會否發(fā)生擊穿，取決于過渡料能否對墊層料起到保護作用。對比表2的試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，墊層區(qū)料在過渡區(qū)料的保護下破壞坡降產(chǎn)生較明顯的提高，過渡料對墊層料起到了良好地保護及抵抗沖蝕破壞的作用。相對于無保護狀態(tài)，在過渡料的保護下，墊層料可以在很高的坡降下仍然保持骨架穩(wěn)定。

表3 墊層料與過渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗結果

5 結論

過渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過渡層參與承擔滲透坡降的作用機理是墊層料抗?jié)B設計中一個值得關注的問題。本文采用室內(nèi)常規(guī)滲透儀分別對有保護及無保護條件下墊層料的滲透特性進行了試驗研究。得出主要結論如下：

（1）墊層區(qū)在經(jīng)歷較高的水力坡降時，有細料流失的可能，會否發(fā)生擊穿，取決于過渡料能否對其起到反濾保護作用。聯(lián)合抗?jié)B試驗結果顯示，墊層區(qū)料的滲透系數(shù)為7.61×10-4cm/s，過渡區(qū)料滲透系數(shù)為1.06×10-2cm/s，滲透系數(shù)相差兩個數(shù)量級，過渡區(qū)料能夠?qū)|層區(qū)料起到較好的排水作用。隨滲透坡降增大，墊層料滲透系數(shù)逐漸增大，過渡料滲透系數(shù)逐漸變小，墊層料中的細顆粒發(fā)生遷移進入過渡料，在過渡料與墊層料接觸帶上形成厚度約為1cm 的自濾反濾層。墊層區(qū)料在過渡區(qū)料的保護下破壞坡降由1.93提高至8.13，過渡區(qū)料能夠?qū)|層區(qū)料起到一定的反濾保護作用。

（2）滲透樣裝樣過程中，在滲透儀底部鋪一層直徑為20～40mm的砂礫排水層、并在試樣中加1%的水攪拌均勻是減少小于5mm顆粒對滲透儀透水板的淤堵效應、防止砂礫料發(fā)生顆粒離析而影響試驗結果的有效措施。

（3）由于試驗設備的限制，本文進行的是常應力狀態(tài)下的滲透試驗，而實際上，大壩在運行過程中壩體始終處于不同的應力水平，復雜應力條件下過渡料與反濾料聯(lián)合抗?jié)B性能的變化規(guī)律，仍是需進一步研究的問題。

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