高土石壩筑壩材料特性的認識與思考

湯洪潔，楊正權

(1.水利部水利水電規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中國水利水電科學研究院，北京 100044)

“十二五”及“十三五”期間，水利工程中高土石壩建設呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢，特別是新疆地區(qū)，由于其特殊的地形地質條件和工程任務的要求，高土石壩的建設已經(jīng)居于國際領先水平。眾所周知，高土石壩安全性包括滲流控制、強度穩(wěn)定、結構變形等三方面要求，而與安全性相關的則是筑壩材料特性。高土石壩主體筑壩材料主要包括爆破堆石料和砂礫石料，特別是新疆地區(qū)天然砂礫料廣泛分布于河床、灘地和戈壁灘，儲量十分豐富，盡量采用砂礫石筑壩是大壩設計的基本原則。

爆破堆石料是目前我國高土石壩建設的主體填筑壩料，爆破堆石壩在已建成的高土石壩中占有絕對數(shù)量的優(yōu)勢。在絕大多數(shù)工程中，爆破堆石料的料源都是豐富的，而且由于采用人工爆破的方法制備，所以其顆粒組成特性可以人為控制，相應壩料的物理力學特性也較容易被工程建設方所把握。爆破堆石料具有低應力條件下抗剪強度高和滲透性好等特點。

天然砂礫石料與爆破堆石料相比，其開采、運輸和施工成本低，可大幅度節(jié)約建設資金。而從材料特性上看，砂礫石料在較高圍壓下相比堆石料具有較高的抗剪強度和變形模量，壓縮變形較?。簧暗[石料級配連續(xù)性好，且顆粒磨圓度較好，易于壓實；不同料區(qū)間的應力變形易滿足過渡條件。高面板壩面臨的主要工程問題是壩體的變形控制，砂礫石填筑料對控制壩體變形具有很大的優(yōu)勢。從已建的100m級面板砂礫石壩來看，壩體沉降率大都不到0.5%。

爆破堆石料及砂礫石料各有優(yōu)勢，利用好筑壩材料的前提是充分了解其特性及對大壩安全性能的影響。本文基于目前幾座高土石壩工程筑壩材料的試驗研究成果，從筑壩材料的變形特性、滲透特性及壓實指標等幾個方面進行分析和思考，提出研究路徑，以促進高土石壩科研發(fā)展，提高對筑壩材料特性的認識，為高壩健康發(fā)展提供科學技術支撐。

1 砂礫料與爆破料的變形特性

阿爾塔什大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，大連理工大學采用超大三軸試驗研究筑壩砂礫石及堆石料的靜動力本構模型參數(shù)以及縮尺效應對筑壩材料永久變形模型參數(shù)的影響規(guī)律。砂礫料和爆破堆石料的大三軸(試樣直徑30cm)與超大三軸(試樣直徑100cm)試驗鄧肯-張模型參數(shù)對比見表1。

從表1可以看出，超大三軸試驗的彈性模量K以及體積模量Kb與大三軸試驗相比，爆破料小20%左右，而砂礫料大25%左右，表征抗剪強度的初始摩擦角也表現(xiàn)出了一致的對應關系。砂礫料和爆破料的大三試驗和超大三軸試驗分別表現(xiàn)出不同的規(guī)律，主要是由于兩種壩料分別采用了不同的試驗控制標準，砂礫料采用相對密度控制，爆破料采用孔隙率(或干密度)控制。理論上講，超大三軸試驗的試樣直徑達到了100cm，試驗條件相對大三軸試驗更加接近現(xiàn)場實際，試驗結果更加可信。對于砂礫料，由于其經(jīng)過天然磨圓搬運沉積而成，顆粒磨圓度高，土顆粒本身破碎變位的余地很小，當采用接近原級配土進行大尺寸試樣三軸剪切試驗時，所確定的變形模量參數(shù)就較縮尺級配土小尺寸試樣的試驗結果要高，這和現(xiàn)場原位測試變形模量較室內(nèi)縮尺試驗確定土體變形模量高的道理是一致的。而對于爆破堆石料，由于土顆粒為人工爆破而成，其顆粒棱角突出，磨圓度較差，而且受爆破力影響塊石本身就已經(jīng)存在很多結構性缺陷，這些爆破堆石顆粒組合在一起在高應力條件下很容易產(chǎn)生顆粒破碎效應，導致堆石料的變形模量降低。這一現(xiàn)象在粗顆粒土大尺寸試樣中體現(xiàn)得更加明顯，所以導致了超大三軸試驗試驗測試爆破料的模量參數(shù)較大三軸試驗要有所降低，但這也更加體現(xiàn)出了爆破堆石料現(xiàn)場的實際工作狀態(tài)。

表1 大三軸試驗與超大三軸試驗參數(shù)對比

圖1 計算確定大壩沉降與實際監(jiān)測結果的對比

圖1給出了阿爾塔什大壩實際監(jiān)測兩個高程豎向沉降與采用大三軸試驗和超大三軸試驗成果有限元計算得到相應高程沉降的對比。從圖1中可以看出，雖然兩種試驗得到參數(shù)的有限元計算壩體沉降都要較實際檢測結果偏大，但是以超大三軸試驗成果為基礎計算的結果更加能反映大壩的變形特點，而且由于超大三軸試驗確定的爆破堆石料模量參數(shù)較大三軸試驗要低，而砂礫料的模量參數(shù)則要較大三軸試驗要高，兩者的不協(xié)調(diào)性在計算結果和實測結果中均得到了很好的體現(xiàn)。對于砂礫料和爆破堆石料混合壩，兩種壩料分區(qū)間的變形協(xié)調(diào)問題需得到更好地解決。

2 砂礫料的滲透特性

對于砂礫石筑壩工程，由于砂礫石細粒含量較高，需高度重視大壩的滲流安全問題。大壩的滲流安全問題包括：壩體的浸潤線是否足夠低，以保證壩體抗滑穩(wěn)定安全；墊層—過渡層—砂礫石區(qū)之間不發(fā)生滲透變形破壞。

阿爾塔什水利樞紐工程及大石門水庫工程兩座正在施工的大壩砂礫石碾壓后的滲透系數(shù)見表2。這兩座大壩砂礫石碾壓后存在的問題是碾壓層面有一層細顆粒，如圖2所示，由于砂礫石填料具有級配融散性、斷級配性和施工易分離性等特點，在碾壓層表面細顆粒集中現(xiàn)象是砂礫填料常有問題。依據(jù)各家所提供的壓實指標和滲透系數(shù)現(xiàn)場試驗的結果，盡管其表現(xiàn)感到偏細，其量級均在規(guī)范規(guī)定和國內(nèi)外經(jīng)驗范圍之內(nèi)，且因其層厚較小，不會影響碾壓層的平均質量(含滲透系數(shù))，碾壓層的各項指標平均性能能夠滿足規(guī)范要求。

針對砂礫石料碾壓的滲透特性，建議高土石壩開展下列研究：

表2 施工期碾壓后砂礫石滲透系數(shù)

圖2 砂礫石碾壓層面泛細沙現(xiàn)象

(1)宜同時開展壩料水平滲透試驗和垂直滲透試驗

強振碾壓后，碾壓層表面往往會翻出大量細顆粒土，形成局部弱透水層，所以現(xiàn)場豎向滲透試驗測試得到的土體滲透系數(shù)都較小。而在實際壩體中，大面積的碾壓同樣使得這一局部弱透水層沿水平方向分布，局部弱透水層會使得水流沿著豎直方向的滲透變得困難。但是，在實際壩體中水流的滲透方向分布是較為復雜的，單一采用豎向滲透試驗測試得到的土體滲透系數(shù)進行滲透分析是難以反映實際情況的。為了反映土體滲透特性的各向異性，有必要同時開展水平向滲透試驗，以全面反映壩體內(nèi)土體的實際滲透狀態(tài)。

(2)宜開展壩料現(xiàn)場大型滲透試驗

不管是室內(nèi)滲透試驗還是結合碾壓試驗的現(xiàn)場圓筒注水法滲透試驗，其測試得到壩料滲透系數(shù)與實際都有一定差距，現(xiàn)場圓筒注水法測試得到試驗結果參數(shù)也有限。由于受設備尺寸和試驗水頭的限制，室內(nèi)試驗對現(xiàn)場大壩的實際狀態(tài)的反映是不夠全面的；而現(xiàn)場圓筒注水法滲透試驗往往只能測試得到壩料的豎直向滲透系數(shù)。

在現(xiàn)場利用碾壓試驗碾壓，結合現(xiàn)場的地形條件，可以對實際大壩碾壓層進行大型滲透試驗，測試壩料滲透系數(shù)和滲透破壞坡降等特性參數(shù)，同時可以開展壩料分區(qū)反濾試驗。試驗水頭可以達到大壩蓄水后的實際水力條件，試驗試樣可以充分反映大壩內(nèi)部的細部結構特點。高土石壩的內(nèi)部滲流條件和滲透穩(wěn)定性對于大壩結構穩(wěn)定具有重要影響，在現(xiàn)場開展大型滲透試驗是非常必要的。

3 砂礫料的壓實指標

3.1 問題的提出

在阿爾塔什水利樞紐工程大壩施工招標文件中提出砂礫石壩殼料設計：相對密度采用0.9，最緊平均干密度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。由于當時引用的規(guī)范為SL 49—94《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》，大壩填筑質量的主要控制指標——相對密度主要采用振動臺法獲得。但根據(jù)2015年8月15日發(fā)布的SL 49—2015《混凝土面板堆石壩施工新規(guī)范》，規(guī)范內(nèi)容第9節(jié)第9.2.3條要求，對于壩高150m以上的砂礫石堆石面板壩，應按照NB/T35016進行原型級配的相對密度試驗。通過砂礫料原級配現(xiàn)場相對密度試驗可知，最緊平均干密度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。由于現(xiàn)場大型相對密度試驗的指標高于室內(nèi)相對密度試驗，導致施工單位對此進行索賠。

下面對阿爾塔什和卡拉貝利大壩砂礫石料的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗成果進行對比分析，提出兩種試驗方法的實際意義和使用原則。

3.2 室內(nèi)及現(xiàn)場相對密度試驗成果

3.2.1 阿爾塔什主堆砂礫料

阿爾塔什面板壩主堆砂礫料的原型級配情況及室內(nèi)相對密度試驗的試驗土料級配情況如圖3所示。不同控制級配(含礫量)壩料的現(xiàn)場相對密度試驗結果見表3，不同控制級配(含礫量)壩料的室內(nèi)相對密度試驗結果見表4。圖4則給出了更容易理解和實際工程使用的相對密度3因素。

圖3 阿爾塔什主堆砂礫料相對密度試驗級配

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 阿爾塔什主堆砂礫料室內(nèi)相對密度試驗結果(100cm直徑密度桶，表面振動法)

圖4 阿爾塔什主堆砂礫料相對密度三因素

3.2.2 卡拉貝利主堆砂礫料

卡拉貝利大壩砂礫料的現(xiàn)場大型相對密度試驗以及室內(nèi)試驗結果見表5和表6。

表5 卡拉貝利主堆砂礫料現(xiàn)場相對密度試驗結果

表6 卡拉貝利主堆砂礫料室內(nèi)相對密度試驗結果(100cm直徑密度桶，表面振動法)

3.3 室內(nèi)及現(xiàn)場相對密度試驗成果分析

從阿爾塔什和卡拉貝利工程實際壩料的室內(nèi)和現(xiàn)場相對密度試驗的成果可以看出，盡管室內(nèi)表面振動法相對密度試驗在試樣尺寸和擊實功能上均較振動臺法有較大提升，但是現(xiàn)場實際壓實狀態(tài)仍有一定差距，所測試得到的最大最小干密度指標較現(xiàn)場測試結果要低。

現(xiàn)場相對密度試驗，使用大型施工碾壓機械和相對密度桶，對原級配筑壩砂礫料進行最大、最小干密度試驗，試驗條件的現(xiàn)場條件基本一致，試驗測試結果和現(xiàn)場土料實際特性指標也基本相當，可以不加修正地直接應用于指導實際碾壓試驗和大壩施工質量檢測。

室內(nèi)相對密度試驗設備的擊實功能和試樣尺寸與現(xiàn)場實際有一定差距，但是作為長期和普遍使用的一種試驗手段，其試驗成果可以用來與同類工程進行類比分析，在現(xiàn)場施工開始前不具備現(xiàn)場試驗條件的情況下，試驗成果可以作為設計了解壩料壓實特性和確定大壩填筑標準的定性參考依據(jù)。而且，室內(nèi)試驗對于試驗條件的控制更加精確，試驗成本也要低得多，所以可以開展數(shù)量較多的試驗，用以分析相關因素的影響規(guī)律，和現(xiàn)場試驗成果結合起來使用更有利于工程實際應用。此外，諸如室內(nèi)三軸試驗和滲透試驗的控制密度條件等也需要采用尺寸配套的室內(nèi)相對密度試驗成果。

總之，對于室內(nèi)和現(xiàn)場相對密度試驗成果的使用應該是具體情況具體分析，現(xiàn)場成果用于指導現(xiàn)場施工和供試驗條件相匹配的現(xiàn)場試驗使用，而室內(nèi)試驗成果主要用于和其試驗條件相匹配的室內(nèi)試驗使用，也作為現(xiàn)場試驗成果缺乏時指導設計的基礎資料。

4 堆石料的壓實指標

對于爆破堆石料的壓實標準目前采用孔隙率單一指標來加以確定，或者通過孔隙率和土顆粒比重來換算得到某一確定的干密度指標，總之是一個單一參考指標的確定值，這一單一指標不能體現(xiàn)出上壩碾壓壩料的不均勻性。而且在實際工程的大壩碾壓過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了這一控制方式存在的問題。對于級配較好的壩料，采用較低的碾壓參數(shù)就能實現(xiàn)設計確定孔隙率控制指標，顯然這些土料還是有大的進一步壓密的余地的，但是按照既有控制方式卻不需要再進一步碾壓了，這必然存在有壩體后期變形過大的隱患。對于級配相對較差的土料，在采用了很高的碾壓參數(shù)進行碾壓后，仍然難以達到設計要求的孔隙率，但從經(jīng)濟和安全的角度確實沒有進一步碾壓的必要。比如根據(jù)規(guī)范，阿爾塔什大壩堆石料設計孔隙率19%，根據(jù)河海大學堆石料的現(xiàn)場相對密度試驗結果，計算對應的相對密度為0.72，遠低于砂礫料的設計壓實標準0.9；而按照實際碾壓參數(shù)施工，堆石料孔隙率可達到17.3%。

因此，不僅對于砂礫料，爆破堆石料的壓實特性也是和土料的級配特性相關聯(lián)的，也可以通過相對密度的概念予以表征。不同級配(細粒土含量或者說粗粒土含量)的爆破堆石料，其可壓實最大干密度(或最小孔隙率)是存在差異的，同樣的密實程度對應的土體絕對干密度值也是存在差異的，在實際操作中應當切實考慮這一差異，這樣才能保證對于不同級配壩料不出現(xiàn)欠碾和過碾，在保證施工效應效率的同時，使得大壩壓實是均勻的。

為了能夠體現(xiàn)土料級配特性對爆破堆石料壓實特性的影響，有必要在孔隙率控制指標的基礎上，引入反映土顆粒級配特性的指標(諸如含粒量P5等)來綜合反映壩料的密實程度和壓實效果。對于不同級配(含粒量)堆石料，采用相對密度試驗方法確定其最大最小干密度指標，對于設計確定的相對密度值就可以換算得到對應的絕對干密度值。設計確定某一相對密度值作為大壩壓實的控制標準，它是一個確定值，但不同級配土這一確定相對密度值所對應的干密度絕對值是不同的。隨著現(xiàn)場大型相對密度試驗方法的逐漸完善，在工地現(xiàn)場進行大型相對密度試驗確定原級配爆破堆石料最大最小干密度指標是切實可行的。而且，已有研究成果表明，對于粗粒土壩料的相對密度擊實試驗所要求的土體最大粒徑和密度桶直徑比的要求，比室內(nèi)三軸靜動力特性試驗要求要低。

堆石料的級配、孔隙率和相對密度指標對堆石體的模量、強度、體積壓縮性等力學性質影響巨大，是高壩變形控制與協(xié)調(diào)的基礎和依據(jù)。 對于高堆石壩而言，由于工作應力遠大于中低堆石壩，應對堆石料級配以及填筑質量控制標準進行專題研究，在保證充填密實的同時，提高堆石體的壓縮模量與破壞強度，確保大壩運行安全。

5 結語

“十三五”期間，有兩座高面板壩將要建設，其中大石峽大壩高247m，為世界最高面板壩，筑壩材料為砂礫石和爆破堆石料；玉龍喀什大壩高229.5m，筑壩材料為爆破堆石料。采取一定的科研手段開展砂礫石料和爆破堆石料的特性研究是非常必要的。

高土石壩筑壩材料的特性對大壩的變形、滲流、抗震安全等至關重要。目前，高土石壩的快速發(fā)展促進了對筑壩材料特性的研究和認識，在強化和創(chuàng)新科研試驗方法及措施的基礎上，更好地復核和確定砂礫石料及堆石料的變形特性、滲透特性及壓實指標，可為今后的高土石壩建設探索和積累工程經(jīng)驗，從而奠定安全建設和運行的科學基礎。