砂礫石墊層料與堆石過(guò)渡料的聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)研究

吳軍民，喻 石，韓華強(qiáng)，傅 華

（1.浙江欽寸水庫(kù)有限公司，浙江省新昌縣 312529；2.南京水利科學(xué)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(xiàng)極其重要的課題，直接關(guān)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(guān)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(rèn)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(jìn)一步加劇。除了墊層自身的滲透變形特性外，過(guò)渡區(qū)對(duì)墊層沒(méi)有起到反濾保護(hù)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(diǎn)放在面板的止水結(jié)構(gòu)方面，面板的止水結(jié)構(gòu)多達(dá)3道以上，有時(shí)仍然難免出現(xiàn)大量漏水問(wèn)題。謝拉德根據(jù)世界壩工經(jīng)驗(yàn)提出面板壩墊層料應(yīng)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(guó)壩工專家很快采納了這一建議。在面板斷裂、止水結(jié)構(gòu)拉斷后，一旦漏水，面板防滲將會(huì)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(kù)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(guò)粗，則大壩的防滲能力將顯著降低。對(duì)于砂礫石面板壩，如果沒(méi)有專門的排水系統(tǒng)，將會(huì)導(dǎo)致壩體滲透破壞，甚至潰決。若是堆石面板壩，將會(huì)出現(xiàn)大量的滲漏[7]。庫(kù)克等[6]建議現(xiàn)代面板壩應(yīng)設(shè)過(guò)渡區(qū)，以便使壓縮性及透水性從上游到下游有必要的過(guò)渡，保證墊層區(qū)材料不會(huì)被沖刷到主堆石區(qū)的大空隙中去。許多國(guó)內(nèi)學(xué)者[8-11]都對(duì)墊層料的滲透特性開展了研究，目前，幾乎所有的面板壩設(shè)計(jì)文件和研究文獻(xiàn)都響應(yīng)了庫(kù)克等的規(guī)定，要求過(guò)渡區(qū)除了對(duì)墊層和主堆石區(qū)的變形起過(guò)渡和協(xié)調(diào)作用外，還要起到滲流控制作用，如排水和對(duì)墊層料的反濾保護(hù)作用等。過(guò)渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過(guò)渡層參與承擔(dān)滲透坡降的作用機(jī)理是墊層料抗?jié)B設(shè)計(jì)中一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

2 工程概況

欽寸水庫(kù)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(zhǎng)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(guò)渡區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、下游堆石區(qū)（3C）、下游干砌條石護(hù)坡（3D）。墊層區(qū)料采用軋制后的河床砂礫石料，過(guò)渡區(qū)采用爆破堆石料直接上壩，為研究過(guò)渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過(guò)渡層參與承擔(dān)滲透坡降的作用機(jī)理，本文采用室內(nèi)常規(guī)滲透儀分別對(duì)有保護(hù)及無(wú)保護(hù)條件下墊層料的滲透特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3 無(wú)保護(hù)墊層料的滲透變形試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方案

欽寸水庫(kù)大壩墊層料和過(guò)渡料基本物性指標(biāo)見表1，試驗(yàn)?zāi)M級(jí)配見圖1。依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）[12]規(guī)定，滲透儀內(nèi)徑應(yīng)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(jí)配過(guò)渡料的試驗(yàn)研究。為此，按照規(guī)范要求對(duì)原級(jí)配線進(jìn)行縮尺，縮制后的試驗(yàn)級(jí)配曲線見圖1，雖然縮尺后過(guò)渡料細(xì)料含量相對(duì)于原級(jí)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(yàn)級(jí)配與原級(jí)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(guò)渡料基本物性指標(biāo)

圖1 墊層料及過(guò)渡料級(jí)配曲線

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用常水頭法，滲流方向?yàn)閺南孪蛏希嚇又睆綖?00mm。按照規(guī)程要求，選擇采用凡士林護(hù)壁的方法克服儀器邊壁效應(yīng)。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(jí)配稱好的試樣按相應(yīng)的密度，均勻分3層裝填在滲透儀中。采用表面振動(dòng)器，根據(jù)試樣要求的干密度大小，控制振動(dòng)時(shí)間對(duì)每層試樣進(jìn)行振動(dòng)擊實(shí)。

值得指出的是砂礫料在振動(dòng)擊實(shí)過(guò)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(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏低，為此裝樣過(guò)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(duì)滲透儀透水板的淤堵效應(yīng)，并在裝樣時(shí)在試樣中加1%的水?dāng)嚢杈鶆蛞苑乐股暗[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(yàn)飽和，試驗(yàn)過(guò)程參照《土工試驗(yàn)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(yàn)。

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(yàn)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(shí)后，測(cè)記測(cè)壓管水位，并用量筒間隔15分鐘左右重復(fù)測(cè)讀滲水量3次，同時(shí)測(cè)讀水溫、室溫。并觀察該級(jí)水頭下的試驗(yàn)現(xiàn)象，如水的渾濁程度、冒氣泡、細(xì)顆粒的跳動(dòng)、移動(dòng)或被水流帶出、土體懸浮、滲流量及測(cè)壓管水位的變化等，若連續(xù)3次測(cè)得的水位及滲水量基本穩(wěn)定，又無(wú)異常現(xiàn)象發(fā)生，即可提升至下一級(jí)水頭。

圖2 無(wú)保護(hù)墊層料滲透變形試驗(yàn)i-k曲線

試驗(yàn)過(guò)程中，在某坡降下當(dāng)試樣滲流流速發(fā)生突變，試樣中的細(xì)粒在滲透力作用下相應(yīng)地由靜態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)時(shí)，說(shuō)明土體內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)調(diào)整，同時(shí)結(jié)合該坡降下的異常情況，綜合評(píng)價(jià)以確定臨界坡降。達(dá)到臨界坡降后，繼續(xù)提高滲透坡降，當(dāng)出現(xiàn)水流增大、極渾濁水流或者下游面隆起時(shí)，表明土體結(jié)構(gòu)破壞顆粒大量流失，該坡降即為破壞坡降。

3.3 試驗(yàn)成果及分析

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下分別畫出墊層料滲透變形試驗(yàn)水流流速v、滲透系數(shù)k和試驗(yàn)滲透坡降i關(guān)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(shuō)明試樣內(nèi)部細(xì)顆粒逐步由靜態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)動(dòng)，試樣發(fā)生結(jié)構(gòu)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(dāng)曲線向左偏轉(zhuǎn)，滲透系數(shù)相應(yīng)減小，說(shuō)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(jié)構(gòu)隨著滲透坡降的進(jìn)一步增加而不斷調(diào)整，當(dāng)滲透坡降達(dá)到臨界坡降1.79時(shí)，下游面有渾水流出，但試樣骨架未動(dòng)；當(dāng)滲透坡降達(dá)到1.93時(shí)，試樣結(jié)構(gòu)破壞，大量細(xì)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(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 無(wú)保護(hù)墊層料滲透變形試驗(yàn)i-v曲線

表2 無(wú)保護(hù)墊層料滲透變形試驗(yàn)結(jié)果

4 墊層料與過(guò)渡料的聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)

試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)設(shè)備同前，過(guò)渡料為保護(hù)料，墊層料為被保護(hù)料，滲徑均為300mm，裝樣時(shí)先裝墊層料然后裝過(guò)渡料，并在二層試樣之間鋪設(shè)測(cè)壓管。

聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)成果見表3。試驗(yàn)坡降和滲透系數(shù)關(guān)系見圖4，水流流速和試驗(yàn)坡降關(guān)系見圖5。聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表明，隨滲透坡降增大，被保護(hù)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(shì)。在滲透破壞發(fā)生前，保護(hù)料過(guò)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(shuō)明被保護(hù)料墊層料試樣顆粒遷移進(jìn)入到保護(hù)料，并造成了保護(hù)料過(guò)渡區(qū)料內(nèi)部淤塞。隨著滲透坡降增加，組合料保護(hù)料與被保護(hù)料試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，當(dāng)達(dá)到臨界坡降7.94時(shí)，下游面有渾水流出，但組合料試樣骨架未動(dòng)；當(dāng)滲透坡降達(dá)到8.13時(shí)，組合料試樣結(jié)構(gòu)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(xì)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(guò)渡區(qū)料的保護(hù)狀態(tài)下的反濾試驗(yàn)，墊層區(qū)料的滲透系數(shù)為7.61×10-4cm/s，過(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)，過(guò)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(guò)渡料滲透系數(shù)逐漸變小，表明有細(xì)顆粒帶入過(guò)渡料，拆樣時(shí)觀察進(jìn)一步證明，墊層料中的細(xì)顆粒遷移進(jìn)入過(guò)渡料，在過(guò)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(yàn)過(guò)程中滲透水頭主要由墊層區(qū)料承擔(dān)，過(guò)渡區(qū)料幾乎不承擔(dān)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(yàn)過(guò)程中分界面上的測(cè)壓管讀數(shù)均穩(wěn)定，當(dāng)墊層區(qū)料的坡降達(dá)到8.13時(shí)，試樣發(fā)生了破壞。

圖4 墊層料與過(guò)渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)i-k曲線

圖5 墊層料與過(guò)渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)i-v曲線

無(wú)保護(hù)及有保護(hù)條件下墊層料的滲透特性試驗(yàn)結(jié)果表明，壩體的墊層區(qū)在經(jīng)歷比較高的水力坡降時(shí)，有流失細(xì)粒料的可能性，會(huì)否發(fā)生擊穿，取決于過(guò)渡料能否對(duì)墊層料起到保護(hù)作用。對(duì)比表2的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，墊層區(qū)料在過(guò)渡區(qū)料的保護(hù)下破壞坡降產(chǎn)生較明顯的提高，過(guò)渡料對(duì)墊層料起到了良好地保護(hù)及抵抗沖蝕破壞的作用。相對(duì)于無(wú)保護(hù)狀態(tài)，在過(guò)渡料的保護(hù)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(guò)渡料聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

過(guò)渡層與墊層的聯(lián)合抗?jié)B作用以及過(guò)渡層參與承擔(dān)滲透坡降的作用機(jī)理是墊層料抗?jié)B設(shè)計(jì)中一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。本文采用室內(nèi)常規(guī)滲透儀分別對(duì)有保護(hù)及無(wú)保護(hù)條件下墊層料的滲透特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。得出主要結(jié)論如下：

（1）墊層區(qū)在經(jīng)歷較高的水力坡降時(shí)，有細(xì)料流失的可能，會(huì)否發(fā)生擊穿，取決于過(guò)渡料能否對(duì)其起到反濾保護(hù)作用。聯(lián)合抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果顯示，墊層區(qū)料的滲透系數(shù)為7.61×10-4cm/s，過(guò)渡區(qū)料滲透系數(shù)為1.06×10-2cm/s，滲透系數(shù)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，過(guò)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(guò)渡料滲透系數(shù)逐漸變小，墊層料中的細(xì)顆粒發(fā)生遷移進(jìn)入過(guò)渡料，在過(guò)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(guò)渡區(qū)料的保護(hù)下破壞坡降由1.93提高至8.13，過(guò)渡區(qū)料能夠?qū)|層區(qū)料起到一定的反濾保護(hù)作用。

（2）滲透樣裝樣過(guò)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?dāng)嚢杈鶆蚴菧p少小于5mm顆粒對(duì)滲透儀透水板的淤堵效應(yīng)、防止砂礫料發(fā)生顆粒離析而影響試驗(yàn)結(jié)果的有效措施。

（3）由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，本文進(jìn)行的是常應(yīng)力狀態(tài)下的滲透試驗(yàn)，而實(shí)際上，大壩在運(yùn)行過(guò)程中壩體始終處于不同的應(yīng)力水平，復(fù)雜應(yīng)力條件下過(guò)渡料與反濾料聯(lián)合抗?jié)B性能的變化規(guī)律，仍是需進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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