寬級配礫石防滲土料的防滲抗?jié)B特性研究

李小泉，魯 濤，羅啟迅

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

寬級配礫石土在自然界分布廣泛，儲量豐富，級配連續(xù)。粒徑從碎石、礫石、砂至粉黏粒均有，它具有擊實性能好、透水性強、填筑密度大、抗剪強度高、沉降變形小、承載力高等工程特性，因此在強度、變形要求高的高土石壩工程建設中得到了廣泛應用。不僅如此，用于土石壩防滲體的填筑材料還有更重要和關鍵的功能——防滲抗?jié)B特性。本文通過系統(tǒng)研究，尋求在某一個最大粒徑下的寬級配礫石土級配范圍，并探討影響防滲抗?jié)B的主要因素和工程措施。

寬級配礫石土級配分布范圍較寬，不均勻系數(shù)較大(不均勻系數(shù)甚至上千)，且通常粉黏粒含量較少，因此作為高土石壩填筑材料，其防滲抗?jié)B性能是質量控制的核心問題，有必要探討影響防滲抗?jié)B的主要因素[1]。其防滲抗?jié)B特性受諸多因素影響，如級配、填筑密度、含水率、粗粒含量(P5)及粗粒破碎率等，需進行系統(tǒng)的試驗研究并提出大壩防滲土料的級配控制范圍、粗細料含量及特征點P51和P52。

1 典型工程寬級配土料特征指標

土料的各項性質受級配分布的影響極大，顆粒組成分布越好，壓實后越容易取得較高密度，其不透水性越好，相應的抗剪強度、壓縮模量等力學性質也就越好。一般說來，土料中粗粒料越多，對取得較高的密度和抗剪強度、壓縮模量等力學性質以及避免超孔隙水壓力有利，但對防滲抗?jié)B性能不利；反之，土料中細粒料越多，土體的防滲抗?jié)B性能越好，但對取得較高的密度和抗剪強度、壓縮模量等力學性質以及孔隙水壓力的消散則不利。

為使土料取得較好的防滲抗?jié)B性能，一般土料中小于5 mm粒徑含量不能低于50%，小于0.075 mm粒徑的細顆粒含量不能低于10%，小于0.005 mm粒徑的黏粒含量應在5%以上。

表1為本文中有關的典型寬級配礫石防滲土料參數(shù)[2-4]。通過料場大量的篩析試驗統(tǒng)計成果：瀑布溝水電站黑馬I區(qū)土料小于0.075 mm的粒徑和小于0.005 mm粒徑的含量幅度分別為10%～26%和0.5%～10%，磽磧水電站咔日村的土料小于0.075 mm粒徑和小于0.005 mm粒徑的含量幅度分別為3.5%～32%和2%～21.5%。這表明料場中土料的天然級配分布范圍極大，為了施工時將上壩礫石土級配控制在一個適當?shù)姆秶员ＷC防滲體的防滲抗?jié)B性能，有必要對不同粗粒料含量下的礫石土防滲抗?jié)B特性進行研究。

2 填筑密度與土料滲透系數(shù)關系

圖1～2分別為瀑布溝水電站工程黑馬I區(qū)料場寬級配礫質土料、磽磧水電站工程咔日村料場黃色碎石土料(以5 mm的粒徑顆粒為界，P5為大于5 mm粒徑的粗粒料含量)的不同粗粒料含量級配分布，其基礎級配為統(tǒng)計的料場平均級配。

對于研究不同粗粒料含量下土料的防滲抗?jié)B特性，首先要知道不同粗粒料含量下土料的擊實密度。土石壩采用粗粒土料作為心墻防滲體填筑材料，通常都要預先對選定的材料進行擊實試驗，研究粗顆粒材料含量變化對密度、含水率、滲透變形特性所造成的影響。

圖1 瀑布溝黑馬Ⅰ區(qū)不同P5級配曲線

圖2 磽磧咔日村不同P5級配曲線

目前，國內外通用的擊實試驗的實驗裝置為標準擊實儀(普氏擊實儀，擊實功能為604 kJ/m3；修正普氏擊實儀，擊實功能為2 740 kJ/m3)。對于一種土料，選擇擊實功能的大小應依據(jù)：①土料中粗顆粒材料母巖性質；②滿足壩工設計對滲透變形和力學性質的要求，同時施工填筑時，所選用的碾壓機械應獲得最經濟的碾壓次數(shù)。

瀑布溝水電站土石壩壩高186 m，其心墻防滲體所選用的填筑材料為黑馬Ⅰ區(qū)寬級配礫質土料。土料的天然級配分布范圍極大，最大粒徑300 mm，礫石母巖為凝灰質砂巖、流紋巖、白云質灰?guī)r，質地堅硬。圖3為該土料采用修正普氏擊實儀(擊實功能為2 740 kJ/m3)進行擊實試驗后，不同粗粒料含量下的最大干密度、最優(yōu)含水率(即ρd max-P5-ωOP)的關系。

圖3 瀑布溝黑馬Ⅰ區(qū)土料ρdmax-P5-ωOP關系曲線

磽磧水電站土石壩壩高125 m，其心墻防滲體所選用的填筑材料為咔日村碎石土料，土料的天然級配分布范圍極大，土料中最大粒徑200 mm，碎、礫石母巖主要為風化千枚巖，含少量砂巖，且強度較低。圖4為該土料采用普氏擊實儀(擊實功能為604 kJ/m3)進行擊實試驗后不同粗粒料含量下的最大干密度、最優(yōu)含水率即ρdmax-P5-ωOP的關系。

P5-ρd max關系表明，土料最大干密度值隨著粗粒料含量的增加而增大。當P5=70%時，呈單峰型曲線的干密度值達到最大值；當P5>70%時，土料干密度值快速遞減，說明此時土料中的細顆粒部分已不能充填粗顆粒材料而形成骨架孔隙，進而出現(xiàn)架空現(xiàn)象。

圖4 磽磧咔日村土料ρd max-P5-ωOP關系曲線

P5-ωOP關系表明，土料壓實最優(yōu)含水率值隨粗粒材料的增加而減小。

P5-細料干密度關系表明，黑馬I區(qū)寬級配礫質土料在修正普氏擊實功能下，當粗粒料含量P5>35%時，細料干密度值隨著粗粒料含量的增加而快速遞減，這說明此時粗粒材料部分已形成骨架，細粒材料部分不能得到充分擠壓，細料壓實程度越來越低；當0

咔日村碎石土料在普氏擊實功能下，當粗粒料含量P5>30%時，細料干密度值隨著粗粒含量的增加而快速遞減，說明此時粗粒材料部分已形成骨架，細粒材料部分不能得到充分擠壓，細料壓實程度越來越低。當0

土料的防滲性能與填筑密度有著密切的關系，提高填筑密度會改善土體的防滲性能。為探討密度與滲透系數(shù)的關系，在瀑布溝工程的防滲土料研究中，采用同一種級配土料(黑馬Ⅰ區(qū)平均線級配)、同一種含水率(ω=4.625%)的狀態(tài)下，改變填筑干密度進行滲透變形相關試驗，結果見圖5。

圖5 瀑布溝黑馬Ⅰ區(qū)土料ρd-K20關系曲線

ρd-k20關系曲線表明，滲透系數(shù)k20隨干密度ρd的增加而降低，但是當干密度值增大到一定數(shù)值后，滲透系數(shù)的降低趨勢減弱，曲線趨于平緩。因此，不能無限增加壓實功能去提高干密度值，其原因一為土體中顆粒間的咬合力是有限的，超過此限度，增加擊實功能會降低功能增加量的壓實效果；原因二是會因此增加工程造價和延長施工工期。

3 不同粗粒含量下土料的防滲抗?jié)B性能等綜合特性

圖6為日本牧尾壩工程、中國瀑布溝工程、中國磽磧工程的粗粒料含量與滲透系數(shù)關系的試驗實例[2-4]。從P5-k20關系曲線可以看出，日本牧尾壩粗粒料含量P5不超過40%、瀑布溝工程粗粒料含量P5不超過35%、磽磧工程粗粒料含量P5不超過30%時，隨著P5含量的增加，滲透系數(shù)k20與全細料(即P5=0)的滲透系數(shù)相比，呈遞減趨勢。該結果是由于在上述P5含量前，土料中粗粒部分被細粒部分包裹，粗粒在土料中未形成骨架，細粒部分被充分壓實，保持其最大干密度，同時粗顆粒在土體中的存在減小了滲流的有效滲透面積。也就是說，此時土料的物理力學性質很大程度上受小于5 mm粒徑的細料所控制，對于抗剪強度而言，可以將該處粗粒料含量P5定為土料的粗粒料含量第一特征點P51。當壩工設計對防滲體的抗剪強度有著嚴格的范圍值要求時，P51應為土料上壩級配的粗粒料含量下限值。

圖6 典型工程礫石土P5-k20關系曲線

圖7為磽磧工程咔日村防滲土料不同粗粒料含量與內摩擦角(室內大型直剪試驗飽和固結快剪成果)的關系曲線，從試驗實例可以看出，土體的內摩擦角隨粗粒料含量的增加而增大。

圖7 磽磧咔日村土料P5-Φ關系曲線

圖8為磽磧工程防滲土料不同粗粒料含量與0.4～0.8 MPa壓力下的壓縮模量關系曲線。由試驗實例可以看出，土體的壓縮模量隨粗粒料含量的增加而增大，這說明土料中粗顆粒具有骨架作用。但當粗粒料含量在擊實前P5>60%、擊實后P5>54.3%時，壓縮模量增勢減弱，說明此時土體內細粒料含量偏少，不能完全充填粗顆粒形成的骨架孔隙，導致沉陷量相對加大。

圖8 磽磧咔日村土料P5-Es關系曲線

當粗粒料含量P5超過第一特征點P51后，隨著P5的增加，滲透系數(shù)k20也隨之變大，當粗粒料含量P5達到63%(瀑布溝工程)、60%(日本牧尾壩)、61%(磽磧工程)時，滲透系數(shù)k20達到1×10-5cm/s。就壩工設計對滲透系數(shù)的要求而言[5]，可以將該處粗粒料含量P5定為土料的第二特征點P52，又稱為臨界點。當粗粒料含量超過P52后，隨著P20迅速變大，這就無法滿足對分區(qū)壩防滲體的設計要求。

其機理為當粗粒料含量超過P51后，粗顆粒部分在土體中已完全形成骨架，細顆粒部分的壓實度隨著粗粒料含量增加而逐漸降低。這反映在密度方面，密度的增加受粗粒料含量增加的控制；在防滲方面，滲透系數(shù)較大幅度的增大受細粒部分減少及其壓實度降低的控制。當粗粒料含量繼續(xù)增加并超過P52后，土體中的細粒部分已經不能完全充填骨架形成的孔隙，進而出現(xiàn)架空現(xiàn)象。這反映在密度上，密度隨粗粒料含量的增加而快速降低；在防滲上，滲透系數(shù)隨粗粒料含量的增加而迅速增大。

根據(jù)壩工設計要求，防滲體滲透系數(shù)的設計值對應的粗粒料含量第二特征點P52，應作為上壩級配粗粒料含量的上限值。它對防滲體的設計和施工具有重要的工程意義。

表2為瀑布溝工程寬級配礫質土料不同粗粒料含量下的滲透變形試驗實測成果。由表2可以看出，當P51

表2 不同粗粒料含量下的滲透變形試驗成果

綜上所述，粗粒土料的防滲抗?jié)B性能受土料中的粗粒料含量影響較大。當粗粒料含量較少(一般P5低于40%)時，壓實土體的滲透系數(shù)及坡降略低于該土料全細粒土的滲透系數(shù)及坡降；粗粒料含量大于40%之后，滲透系數(shù)將隨P5的增加而迅速變大，坡降有所提高。將該拐點處的P5定為粗粒料含量第一特征點P51，其意義在于能滿足防滲要求的同時，粗顆粒部分已初步形成骨架，抗剪強度值比全細粒土時的抗剪強度值有較大幅度提高。

壓縮模量隨粗粒料含量的增加而增大，但是當粗粒料含量在P5>P52后，壓縮模量的增勢減弱。當粗粒料含量在30%～60%時，壓實土體的防滲性能滿足要求，同時力學性質亦較好。當粗粒料含量較多，一般P5高于60%時，雖然壓實土體的抗剪強度、壓縮模量仍然較好，但防滲抗?jié)B性能已不能滿足要求。將該處的P5定為粗粒料含量第二特征點P52，其意義在于粗粒部分形成的骨架孔隙不能被細粒部分充填飽滿而出現(xiàn)架空現(xiàn)象，因此滲透特性不能滿足設計要求。

由此可見，粗粒料含量第二特征點P52對于分區(qū)土石壩防滲體的設計和施工具有重要意義。

4 填筑含水率與滲透系數(shù)的關系

土料用作防滲體的建筑材料，其最大特點是含水率狀態(tài)不同，引起的壓實效果也就不同，結果使得壓實土體諸多特性發(fā)生變化。

圖9為瀑布溝工程黑馬I區(qū)土料平均線級配與日本御母衣壩黏土、風化花崗巖混合料(粗粒料含量P5=40%時)在同一種擊實功能下的含水率與滲透系數(shù)關系曲線[2，4]。

圖9 典型工程礫石土ω-k20關系曲線

從圖9可知，滲透系數(shù)k隨含水率ω的增大而降低，同時當含水率比最優(yōu)含水率稍大一點時，土體的滲透系數(shù)達到最小值。其原因是由于濕于最優(yōu)含水率的土料在壓實過程中，土體中的顆粒之間滑動阻力減小，壓實時產生的剪應變使得顆粒近乎于平行定向排列，以致孔隙尺寸減小，滲透性減小。

從上述結論可知，施工時上壩土料的碾壓含水率應盡量控制略濕于最優(yōu)含水率，為土體的滲透系數(shù)達到最小值提供依據(jù)，以保證和提高分區(qū)土石壩防滲體的防滲性能。

5 P52的確定宜考慮粗顆粒在壓實后的破碎率

粗粒土料在室內擊實功能條件下或在施工過程中重型機械的碾壓下，材料顆粒會相互擠壓、搓揉嵌合產生一定的破碎，而這破碎效果恰恰能提高土體的防滲性能。

圖10為瀑布溝工程黑馬Ⅰ區(qū)寬級配礫質土料(在修正普氏2 740 kJ/m3擊實功能下)和磽磧工程咔日村碎石土料(在普氏604 kJ/m3擊實功能下)在以5 mm粒徑顆粒為界的破碎量關系曲線。以粗粒料含量第二特征點P52為例，制樣前(擊實前)的入口P5含量：瀑布溝工程為63%、磽磧工程為61%；而制樣后(擊實后)土體中的P5含量：瀑布溝工程為49%、磽磧工程為55%。同時，由圖6可以看出，上述兩個工程在入口P5含量分別為63%和61%時，滲透系數(shù)k均小于1×10-5cm/s。該結果與國內外高土石壩心墻防滲土料粗粒料含量P5的上限值約在50%的經驗數(shù)據(jù)較為吻合。

圖10 典型工程礫石土擊實前后P5關系曲線

可見，土料中粗粒料的破碎改變了級配分布范圍，增大了細粒料(粒徑<5 mm)的含量，粗粒料破碎可以改善和提高土體的防滲性能。

6 結論與建議

(1)寬級配礫石土料在適宜的級配分布范圍條件下，是良好的高土石壩防滲區(qū)的建筑材料。它不僅比通常填筑均質壩的細粒土料具有更高的填筑密度和更好的抗剪強度、壓縮特性，還具有較好的防滲抗?jié)B性能。

(2)對上壩土料的級配分布范圍來說，其粗粒料含量P5不能超過粗粒料含量第二特征點P52。

(3)當壩工設計對防滲區(qū)的抗剪強度、壓縮模量等力學指標有嚴格要求時，在上壩土料的級配分布范圍里粗粒料含量在P51≤P5≤P52。

(4)土料的填筑密度越高，防滲抗?jié)B性能越好；但不能無限增加壓實功能以提高密度，因為這樣做不具備經濟性。

(5)土料填筑時，含水率一般控制在略大于最優(yōu)含水率，對土體的防滲性能最有利。

(6)根據(jù)土料的級配組成范圍以及土料中粗顆粒材料的母巖材質特性，通過系列擊實功能選擇研究，選取合適的壓實功能；其中高功能擊實使得粗粒破碎，其可改善和提高土體的防滲抗?jié)B性能。

(7)粗粒土料的粗粒料含量在P5>P52以后，防滲特性將大幅降低。從防滲角度來看，P5上限值一般在50%，但從大量施工統(tǒng)計得出，一般P5大于60%時，易產生粗料集中和離析。因此，在土料的開采、拌和(天然料)或摻合(人工摻合料)及鋪填和碾壓等工藝流程中，如何防止粗粒料局部集中現(xiàn)象是應用粗粒土料填筑大型高土石壩防滲體時一個值得重視的問題。