某面板堆石壩墊層料和過渡料滲透變形及反濾試驗(yàn)研究

定培中，嚴(yán)敏，常敬雄

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430010；

2.青海引大濟(jì)湟水電建設(shè)責(zé)任有限公司，青海西寧810001）

某面板堆石壩墊層料和過渡料滲透變形及反濾試驗(yàn)研究

定培中1，嚴(yán)敏1，常敬雄2

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430010；

2.青海引大濟(jì)湟水電建設(shè)責(zé)任有限公司，青海西寧810001）

某在建面板堆石壩擬將現(xiàn)場開挖獲得的砂礫石料篩除300 mm以上粒徑組后作為上壩過渡料，篩除100 mm以上粒徑組后作為上壩墊層料。此法獲得的墊層料小于5 mm顆粒含量低于設(shè)計(jì)要求，墊層料與過渡料的級(jí)配包絡(luò)線范圍較窄且兩者相差不大。由此造成墊層料與過渡料滲透性范圍交叉覆蓋，存在排水不暢，水力過渡不好組合的可能性。針對(duì)以上情況，對(duì)天然開挖篩分后墊層料摻入5 mm以下粒徑組顆粒，以提高上壩墊層料小于5 mm顆粒含量，使其級(jí)配滿足設(shè)計(jì)要求并提高其內(nèi)部穩(wěn)定性。摻配后的墊層料在反濾料的保護(hù)下，可以承受遠(yuǎn)超過滲流場計(jì)算得到的最大比降。本研究成果及現(xiàn)場工程實(shí)踐表明，對(duì)墊層料摻配一定比例的細(xì)料，是類似條件工程中改善墊層區(qū)與過渡區(qū)水力過渡，提高反濾作用效果的有效途徑。

墊層料；過渡料；水力過渡；反濾；摻配

西北某在建水電站大壩為面板堆石壩，最大壩高114.5 m，壩頂長度424 m，壩頂寬10 m。壩體分區(qū)包括墊層區(qū)、過渡區(qū)及主次堆石料區(qū)，見圖1。因砂礫石料場儲(chǔ)量較少，擬將現(xiàn)場開挖獲得的砂礫石料篩除300 mm以上粒徑組后獲得的土料作為上壩過渡料；篩除100 mm以上粒徑組后獲得的土料作為上壩墊層料。由于以上方法獲得的大壩填料其級(jí)配范圍與設(shè)計(jì)要求有一定出入。為了解此填料的滲透變形特性以及反濾保護(hù)效果，對(duì)其進(jìn)行了滲透變形及反濾保護(hù)試驗(yàn)研究并提出填料改進(jìn)措施。

圖1 大壩分區(qū)剖面圖（單位：m）

1 直接篩分墊層料滲透變形特性研究

本工程墊層料和過渡料為同一料場砂礫石料，僅控制其最大粒徑不同，過渡料最大粒徑300 mm，墊層料最大粒徑100 mm。設(shè)計(jì)文件中，對(duì)墊層料粒徑提出如下要求：最大粒徑不超過100 mm，小于5 mm的顆粒含量占30%～50%，小于0.075 mm顆粒含量小于8%，顆粒級(jí)配連續(xù)。

根據(jù)料場現(xiàn)場取樣顆粒分析試驗(yàn)成果總結(jié)出直接將料場砂礫石料篩分獲得的墊層料和過渡料（本文以下稱為直接篩分墊層料或直接篩分過渡料）的級(jí)配包線，見表1和圖2。從中可以看出，墊層料顆粒級(jí)配1～5 mm區(qū)間略呈平臺(tái)狀，表明該區(qū)間粒組含量較少，級(jí)配略有不足。墊層料上包線和平均線小于5 mm含量在30.6%～36.7%，滿足設(shè)計(jì)要求。但下包線小于5 mm含量為23%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。為了解目前料場墊層料的滲透變形特性，選取墊層料上、下包線，以及小于5 mm粒徑含量低于30%且1～5 mm粒徑組平臺(tái)較明顯的級(jí)配線D1，共3種級(jí)配分別進(jìn)行滲透變形試驗(yàn)。

表1 滲透變形及反濾試驗(yàn)用料級(jí)配表

圖2 直接篩分墊層料及過渡料級(jí)配曲線

墊層料的滲透變形試驗(yàn)采用垂直試驗(yàn)方法，水流方向由下至上。根據(jù)長江科學(xué)院開展的粗粒土滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)研究成果［1-2］，本研究中滲透儀直徑與試驗(yàn)材料d85之比值不小于6；對(duì)超徑顆粒適度采用等量替代法。按此原則，墊層料上包線采用30 cm直徑的滲透儀，其余級(jí)配均采用了45 cm直徑的滲透儀。從表2所示試驗(yàn)成果可以看出，直接篩分獲得的墊層料，其上包線破壞形式為流土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滲透系數(shù)為3.82×10-4cm/s；墊層料試樣D1的破壞形式為過渡型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或者欠穩(wěn)定，滲透系數(shù)為5.60×10-3cm/s。墊層料下包線試樣D下破壞形式為管涌型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，滲透系數(shù)為1.31×10-2cm/s。

表2 直接篩分墊層料滲透變形試驗(yàn)成果表

2 直接篩分過渡料滲透變形特性研究

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，過渡料應(yīng)級(jí)配連續(xù)，最大粒徑不超過300 mm，小于5 mm的顆粒含量占30%～15%，小于0.1 mm顆粒含量小于7%。根據(jù)料場現(xiàn)場取樣獲得的過渡料級(jí)配包線來看，目前料場砂礫石過渡料小于5 mm含量在18.5%～30.4%之間，小于0.1 mm顆粒含量在1.7%～2.9%之間，顆粒級(jí)配較為連續(xù)，滿足設(shè)計(jì)要求。

滲透變形試驗(yàn)結(jié)果表明，直接篩分獲得的過渡料上包線G上破壞形式為過渡型，滲透系數(shù)為i×10-3cm/s。過渡料平均線G平破壞形式為管涌，滲透系數(shù)為i×10-3cm/s。過渡料下包線G下破壞形式為管涌，滲透系數(shù)為i×10-2cm/s。過渡料的滲透性符合設(shè)計(jì)要求。

3 直接篩分過渡料對(duì)墊層料的反濾保護(hù)試驗(yàn)

目前國內(nèi)現(xiàn)行碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［3］對(duì)無黏性土采用的濾層準(zhǔn)則可歸納如表3（以下簡稱“規(guī)范法”）：

而對(duì)于滲流方向向下的無黏性土反濾層設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，劉杰還有如下建議［4］。（1）濾土準(zhǔn)則—可允許的最粗反濾層的等效粒徑D20/dk≤10；（2）減壓準(zhǔn)則—反濾層可允許的最小等效粒徑：D20/d20≥2～4（式中2適用于管涌土，4適用于流土型的土）。其中D20/dk稱為層間系數(shù)。D20為反濾層的特征粒徑，dk為被保護(hù)土的控制粒徑。

按照上述兩種方法，對(duì)本項(xiàng)目中擬進(jìn)行試驗(yàn)研究的4種反濾組合（包括后續(xù)的補(bǔ)充試驗(yàn)）的反濾效果進(jìn)行初步判斷，成果見表4。從表4的成果可以看出，當(dāng)出現(xiàn)墊下/過上這兩種土料顆粒級(jí)配比較接近的反濾組合時(shí)，其排水減壓的效果不佳。

為驗(yàn)證表4的判斷成果，針對(duì)表4中所列反濾組合開展了反濾保護(hù)試驗(yàn)。試驗(yàn)在直徑600 mm和960 mm垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)成果見表5。反濾試驗(yàn)成果進(jìn)一步驗(yàn)證了表4中的判斷：墊下/過上組合水力過渡不佳，過渡料承受的水力比降大于墊層料，先于墊層料發(fā)生滲透破壞，不能形成有效的反濾保護(hù)。而在實(shí)際施工中，由于料場土料分布的不均勻性，出現(xiàn)這種不利組合的可能性是相當(dāng)大的，因此，有必要對(duì)大壩填料進(jìn)行改進(jìn)，以避免該不利情況的發(fā)生。

表3 “規(guī)范法”反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

表4 直接篩分料不同反濾組合效果初步判斷成果表

4 大壩填料改進(jìn)方案分析

本工程設(shè)計(jì)時(shí)采用的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL228-98）要求墊層料具有連續(xù)級(jí)配和內(nèi)部滲透穩(wěn)定性，粒徑小于5 mm的顆粒含量宜為30%～50%，小于0.075 mm的顆粒含量宜少于8%。而2013年實(shí)施的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL228-2013）以及2011年實(shí)施的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（DL5016-2011）吸收了更多的工程建設(shè)成果與經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定墊層料應(yīng)該具有連續(xù)級(jí)配、內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并對(duì)上游鋪蓋料起反濾保護(hù)作用，粒徑小于5 mm的顆粒含量宜為35%～55%，小于0.075 mm的顆粒含量宜為4%～8%。滲透系數(shù)宜為1×10-4～1×10-3cm/s

從近年來新修訂的規(guī)范規(guī)定可以看出，對(duì)于墊層料的小于5 mm的顆粒含量要求，較原規(guī)范提高了5%左右，這主要是為了確保墊層料自身滲透穩(wěn)定并起第二道防滲作用。另一方面，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來國內(nèi)修建的很多面板堆石壩，其過渡料的小于5 mm粒徑組顆粒含量在5%～30%之間。提高墊層料的細(xì)粒含量，有利于明確大壩填料分區(qū)，形成良好的水力過渡［5-7］。

針對(duì)過渡料，混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL228-98）要求其具有連續(xù)級(jí)配，并具有自由排水性能；混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL228-2013）和混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范（DL5016-2011）明確要求過渡料對(duì)墊層料應(yīng)具有反濾保護(hù)作用，級(jí)配連續(xù)，并滿足自由排水要求。

將從料場砂礫石料剔除超徑顆粒后的天然墊層料和過渡料級(jí)配特征與規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對(duì)照，見表6。直接篩分天然料直接用于大壩填筑施工會(huì)存在如下問題。（1）墊層料與過渡料的級(jí)配線1～5mm區(qū)間略呈平臺(tái)狀，級(jí)配稍有不連續(xù)。墊層料與過渡料級(jí)配變化范圍互相交叉覆蓋，容易造成大壩分區(qū)不明顯。（2）墊層料下包線的小于5mm粒徑組顆粒含量低于設(shè)計(jì)下限要求，即使平均級(jí)配線也只是在設(shè)計(jì)要求的下限附近，實(shí)際施工中墊層料小于5 mm粒徑組顆粒含量容易出現(xiàn)低于設(shè)計(jì)要求的情況。（3）墊層料容易出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠穩(wěn)定或者不穩(wěn)定的情況，在面板破損和失效情況下，其滲透穩(wěn)定性有賴于過渡料的反濾保護(hù)作用。（4）墊層料滲透系數(shù)為10-4～10-2cm/s量級(jí)之間，下包線甚至可能達(dá)到10-1cm/s量級(jí)；過渡料滲透系數(shù)10-3～10-2cm/s?？梢妰烧叩臐B透性可能超出設(shè)計(jì)要求，且兩區(qū)填料滲透系數(shù)變化范圍相互交叉覆蓋，存在水力過渡不好、排水不暢的可能性，即過渡料滲透性可能低于墊層料，過渡料不能起到有效排水作用。

基于上述分析，結(jié)合料場的實(shí)際情況，決定對(duì)墊層料進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿脚?，以提高上壩墊層料的小于5 mm粒徑組顆粒含量。建議由天然料篩得的5 mm以下的細(xì)料，按照9.7%的比例摻入天然墊層料中形成上壩墊層料。

按照上述方案摻配后，預(yù)計(jì)上壩墊層料小于5 mm粒徑組顆粒含量在33%至43.4%范圍變化，級(jí)配連續(xù)性更好，符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；上壩墊層料與過渡料變化范圍的對(duì)比關(guān)系見圖3（CD上、CD平、CD下分別對(duì)應(yīng)摻配后墊層料上包線、平均線和下包線），可見二者交叉覆蓋的可能性大大降低，水力過渡關(guān)系將有明顯改善。

5 摻配后墊層料滲透變形及反濾試驗(yàn)

對(duì)摻配后墊層料的三種級(jí)配進(jìn)行了滲透變形試驗(yàn)，并對(duì)上壩料加工時(shí)出現(xiàn)幾率較大的摻配墊層料平均線CD平/過渡料平均線G平組合進(jìn)行了反濾試驗(yàn)研究。

滲透變形試驗(yàn)在直徑30cm的垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行，結(jié)果（表7）表明，摻配后墊層料上包線和平均線滲透破壞形式為流土，下包線破壞形式為過渡型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較天然料有所改善。摻配后墊層料的滲透系數(shù)在10-3～10-4cm/s量級(jí)之間，與過渡料滲透系數(shù)變化范圍（10-3～10-2cm/s）不再有明顯的交叉，有利于改善水力過渡關(guān)系，以及過渡料的排水作用。

摻配后的墊層料平均線與過渡料平均線的反濾試驗(yàn)中（見表5），墊層料承受水力比降85時(shí)仍未發(fā)生滲透破壞，此時(shí)過渡料承受的比降為13.49，在下游支撐體的支撐作用下，未發(fā)生滲透破壞。該試驗(yàn)表明過渡料平均線能夠?qū)脚浜髩|層料平均線起到有效的反濾保護(hù)作用。

圖3 墊層料摻配后預(yù)計(jì)級(jí)配線及過渡料級(jí)配變化范圍

6 結(jié)論

（1）同一料場土料天然狀況下僅僅根據(jù)剔除不同粒徑組粗顆粒而獲得的天然級(jí)配墊層料和過渡料，由于其較細(xì)粒徑組顆粒的含量特別是小于5 mm粒徑組顆粒含量比較接近，加之料場土料分布的離散性，導(dǎo)致兩種土料級(jí)配包絡(luò)線很可能出現(xiàn)重疊交錯(cuò)，滲透性范圍交叉覆蓋。存在排水不暢，水力過渡不好組合的可能性。即過渡料滲透性可能低于墊層料，過渡料不能起到有效排水作用。（2）滲透變形試驗(yàn)表明，按照一定比例在天然墊層料中摻配5 mm以下細(xì)粒，一方面可以改善墊層料內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但仍有可能出現(xiàn)欠穩(wěn)定的情況，在面板破損和失效情況下，其滲透穩(wěn)定性仍將有賴于過渡料的反濾保護(hù)作用；另一方面，摻配后墊層料的滲透性降低，與過渡料滲透系數(shù)變化范圍不再交叉覆蓋，有利于改善水力過渡關(guān)系，以及過渡料的排水作用。（3）反濾試驗(yàn)中，摻配后的墊層料與過渡料的反濾組合，在下游支撐體的作用下，墊層料承受比降達(dá)到85時(shí)仍不發(fā)生滲透破壞，說明過渡料能對(duì)摻配后的墊層料起到良好的反濾保護(hù)作用。

［1］朱國勝，張家發(fā)，陳勁松.寬級(jí)配粗粒料滲透實(shí)驗(yàn)方法探討［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2009（S1）：10-13.

［2］朱國勝，張家發(fā)，陳勁松.寬級(jí)配粗粒土滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)及邊壁效應(yīng)研究［J］.巖土力學(xué)，2012（9）：2569-2574.

［3］混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL228-98［S］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［4］劉杰.土石壩滲透控制理論基礎(chǔ)及工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［5］張家發(fā)，定培中，張偉，等.水布埡面板堆石壩墊層料滲透與滲透變形特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009（10）：3145-3150.

［6］張家發(fā)，定培中，張偉，等.水布埡面板堆石壩過渡料設(shè)計(jì)及其滲透變形特性研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2009（10）：1-6.

［7］定培中，周密，陳勁松.面板堆石壩中過渡區(qū)的反濾功能及級(jí)配研究［C］//第四屆中國水利水電巖土力學(xué)與工程學(xué)術(shù)討論會(huì)暨第七屆全國水利工程滲流學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.鄭州：黃河水利出版社，2012.

Experimental studies on the seepage deformation characteristics and filtering function of the cushion and transition materials for a Concrete Faced Rockfill Dam

DING Peizhong1，YAN Min1，CHANG Jingxiong2
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China；
2.Qinghai Datonghe-Huangshui Water Transfer Hydropower Construction Co.Ltd，Xining810001，China）

The excavated sands and gravels are used for dam filling in a concrete faced dam.The sieved materials with maximum diameter of 300mm are used as transition materials.The materials with max diame?ter of 100mm are used as cushion materials.The fine soil particles content of sieved cushion material is lower than the design requirement.The gradation curves of cushion and transition materials are in a sharp range without obvious difference.So the hydraulic transient of the dam is likely to be bad.To avoid seep?age deformation,the sieved cushion materials are mixed with small granules which are finer than 5mm.The interior structure of the mixed cushion material will be more stable.So it can take on a water pressure which is far exceeding the calculated max value with the filter protection of transition material.The experi?mental study and the worksite practice show that mixing fine granules to the cushion material is an effi?cient way to improve hydraulic transient and filtering protection in similar conditions.

cushion material；transition material；hydraulic transient；filtering；mixing

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.009

1672-3031（2016）06-0454-00

（責(zé)任編輯：李福田）

2016-04-20

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（CKSF2014055/YT）

定培中（1971-），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事地下水環(huán)境及巖土工程滲流研究。

E-mail：marco.ding@126.com