不同摻礫量心墻料滲透及壓縮試驗研究

孫莉萍，齊俊修

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

不同摻礫量心墻料滲透及壓縮試驗研究

孫莉萍，齊俊修

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司，北京100024)

借鑒國內類似工程經驗，針對擬定的不同摻礫組合進行了大量的試驗研究，并對重點摻配比例的土料進行了滲透、壓縮性能研究。研究表明：摻礫量在35%～55%范圍內變動時，在防滲性能均滿足設計要求的同時，壓縮性能指標得到很大提高，壓應力3.2 MPa下，壓縮模量由原來的46.2 MPa提高到92.5～95.6 MPa。建議依托工程摻礫比例不宜超過50%，最終摻礫比例為45%。

水利水電工程；心墻堆石壩；防滲土料；摻礫試驗

土石壩設計理論方法以及筑壩技術的不斷進步，促進了高土石壩在我國的迅猛發展。隨著土石壩設計高度的不斷增大，純黏土心墻料雖然防滲性能滿足要求，但力學性能特別是壓縮性能難以滿足壩高大于200 m的高壩要求。另外其與兩側壩殼堆石料的變形相差也越大，拱效應愈發明顯，心墻內的豎向應力顯著減小，同時也增大水力劈裂發生的可能性，可見純黏土心墻已不能滿足工程要求。國內外工程實踐經驗表明，高土石壩采用礫質土或摻礫土作為心墻防滲料已成為發展趨勢[1-4]。近年來，不少學者和工程技術人員對礫質土心墻料進行了一些室內研究及現場試驗研究，但針對一種黏土心墻料在不同摻礫量下的滲透及壓縮試驗研究還為數較少。筆者以上寨水電站為具體工程案例，通過室內試驗，對摻礫心墻料的力學性質進行研究，旨在為心墻料摻礫量的選取提供參考。

1 工程概況

上寨水電站是綽斯甲河干流水電規劃推薦的“一庫四級”梯級開發方案中的“龍頭”水庫。電站采用壩式開發，樞紐由攔河壩、泄水建筑物、引水發電系統等組成。壩址位于上寨鄉九石里村上游約500 m處。正常蓄水位3 100.00 m，正常蓄水位庫容17.38億m3，具有年調節性能。根據壩址地質條件，攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，大壩壅水高度220 m，裝機容量440 MW。預可研階段根據現場條件綜合比較后推薦礫石土心墻堆石壩。

上寨水電站礫石土心墻壩壩頂高程3 106.00 m，河床部位心墻底高程2 852.00 m，最大壩高254 m。壩頂寬度14 m，上、下游壩坡均為1∶2.0。心墻采用直立形式，頂寬8 m，心墻頂高程3 103 m，上、下游坡均為1∶0.2。

心墻防滲料采用人工摻合礫石土料，黏土料場有雅拉、三家寨、阿斗、壤古4個主要土料場，總儲量在700萬m3左右，石料場有上寨壩址下游0.65 km左岸的九石里石料場、上寨壩址上游0.45 km右岸一林石料場和上寨壩址上游3.5 km左岸的下大石溝石料場等3個石料場。

2 基本性質及摻礫必要性

2.1 基本性質

根據料源質量和位置，選取雅拉料場土料進行摻礫試驗研究，在其摻礫試驗研究前，首先對天然土料進行了物理力學性能試驗。各項指標平均值含水率16.9%，液限29.7%，塑限15.2%，塑性指數14.5，土粒比重2.70，為含礫低液限黏土。黏粒含量、塑性指數滿足要求，最優含水率接近天然含水率，結合本工程規劃階段試驗成果，初步判斷土料各項物性指標基本能滿足防滲土料質量要求。但力學性能尤其是壓縮試驗指標不滿足壩高大于200 m的高心墻堆石壩的強度和變形要求，需要摻加一定量的粗顆粒料以改變其變形特性。物性指標詳見表1，力學指標見表2。

表1 雅拉黏土料場天然物理試驗成果特征值

表2 雅拉黏土料場力學試驗成果特征值

Table 2 Characteristic value of mechanical test results for Yala clay material field

(續表2)

從表1、表2可以看出，土料特點是黏粒含量多，天然含水率和液塑限低，抗剪強度中等，密度中等，壓應力為0.1～0.2 MPa時，壓縮模量僅為7.70 MPa，屬中等壓縮性土。天然含水率和最優含水率相近，不需要降低土料的含水率。實踐證明，對于一般堆石壩它是一種較好的防滲材料。但這種土料用于壩高達254 m的上寨水電站堆石壩心墻，應須解決如何減少填土沉陷量，防止心墻發生裂縫等關鍵技術問題。解決途徑是擬在黏土中摻入一定量砂礫石，改變土的特性，使填土有較好的壓實性，從而減少心墻沉降量，有助于防止心墻裂縫的產生。

2.2 設計要求

文獻[5]規定，防滲土料碾壓后應滿足下列要求：

1)滲透系數小于1×10-5cm/s，并應小于壩殼透水料的50倍，抗滲變形的臨界坡降一般應大于4。

2)浸水與失水時體積變化小，以免庫水位變化時心墻產生過大的沉降。同時要求心墻料有較低的壓縮性，且與壩殼料的壓縮性相差不宜過大。

3)用于填筑防滲體的礫石土(包括人工摻合礫石土)，粒徑小于5 mm的顆粒含量宜大于50%；最大粒徑不宜大于150 mm(一般在75～150 mm之間，國內多在100 mm以下)或鋪土厚度的2/3；0.075 mm以下的顆粒含量不應小于15%且小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%。填筑時應避免發生粗料集中架空現象。當小于0.005 mm的顆粒含量小于8%時，應作專門論證。施工填筑壓實度大于等于99%；

4)竣工后壩體沉降量不宜大于壩高的1%。

2.3 摻礫必要性

試驗用的土料是含礫低液限黏土，雖然其防滲性能能滿足設計要求，但土料粗粒含量偏少，力學指標偏低，壓縮性偏大。不滿足設計第2)，3)條要求。鑒于上寨水電站礫石土心墻堆石壩覆蓋層厚達70～80 m，防滲土料壩高高達254 m，對防滲土料的要求很高。除滿足防滲性能外，還需具有較好的力學性能，以便能與壩殼堆石的變形相協調，減少壩殼對心墻的拱效應，改善心墻的應力應變，減少心墻的裂縫發生幾率。對于高堆石壩而言，其防滲體裂縫及隨后的滲流沖刷是影響壩體安全的重要因素，因此心墻防滲土料通常選擇具有低壓縮變形的土料，以降低其裂縫發生的可能性。

從國內外已建、在建200 m級以上高土石壩筑壩經驗來看，防滲體基本上都采用礫石土、風化巖等寬級配土料。采用礫石土作為高堆石壩防滲體，可在壓實后獲得較高的密度，使心墻具備強度高、壓縮性低的特點；一旦心墻開裂時，可限制裂縫的開展，改善裂縫形態，減弱沿裂縫的滲流沖蝕[6]。從類似高壩工程的經驗來看，對于上寨這種粗粒含量偏低的土料需要摻入礫料進行改性研究。在保證摻合土料的防滲、抗滲性能滿足設計和規范要求的前提下，改善防滲土料的力學指標及抗變形能力，提出適應200 m級高心墻堆石壩防滲土料性能要求，便于施工和質量控制、經濟合理的摻合方案。

3 摻礫研究及試驗方案

本次試驗所需土料取自雅拉土料場，試驗為中型樣(Dmax=20 mm)。依據規范，試樣允許最大粒徑為20 mm，由于所摻礫石實際最大粒徑達120 mm，因此，對礫石料原級配必須進行縮尺。這里采用混合縮尺對超徑料進行處理。先采用相似級配法(n=2)，然后再用等量替代法進行縮尺，土料過20 mm篩后與摻礫料按不同比例摻合進行試驗。試驗采用單位體積擊實功能分別為1 470，2 687.9 kJ/m3，所用密度為擊實試驗最大干密度的0.99倍。

3.1 摻礫比例

礫石含量對土的滲透性和力學性能有直接影響，本工程研究確定摻礫比例試驗方案主要依據規范規定和同類工程經驗。文獻「7」規定，作為防滲土料的碎(礫)石類土，“碎(礫)石類土大于5mm粒徑含量不宜超過50%(對高壩，應為20%～50%)”，壩高為261.5 m的糯扎渡水電站重點研究了摻礫量為35%，45%兩個方案[1]；壩高為295 m的兩河口水電站重點研究了摻礫量為30%，40%，50%這3種組合方案[6]。綜合考慮上述規定和結果，為確定合理的礫石含量，擬定了4種不同的土-礫摻合比例，試驗組合摻配比分別為：65∶35，60∶40，55∶45；45∶55。

表3 不同摻礫料試驗級配

表3為不同摻礫料試驗級配。表3中顯示，摻礫35%，40%，45%，55%的0.075 mm以下的顆粒含量分別為51.3%，47.6%，43.5%，35.5%，滿足設計規范要求的0.075 mm以下的顆粒含量不應小于15%；小于0.005 mm的顆粒含量分別為22.2%，20.7%，18.5%，15.3%，也滿足小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%的設計要求[5]。

3.2 擊實試驗成果分析

心墻摻礫料采用內徑為152 mm，筒高為116 mm，擊錘質量為4.5 kg，落距為457 mm的重型擊實儀進行。單位體積擊實功能分別為1 470，2 687.9 kJ/m3。心墻摻礫料最大干密度與摻礫比例的關系如圖1。

圖1 心墻摻礫料最大干密度與摻礫比例關系Fig.1 Relationship between maximum dry density and the proportion of gravel of core material mixing gravel

不同壓實功能對最大干密度有顯著影響。在試驗的摻礫范圍內，心墻摻礫料最大干密度隨摻礫比例增大而增大。一般來講，其變形模量也會隨之增大。對高壩而言，宜采用2 687.9 kJ/m3擊實功能試驗干密度作為土料的壓實控制標準。

3.3 滲透、壓縮試驗結果分析

針對35%，40%，45%，55%摻礫量4種組合方案的摻合料的壓縮、滲透系數及變形力學試驗，試驗結果見表4。

表4 各組合摻礫料力學試驗結果

Table 4 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

根據表2、表4所列數據，分別將壓縮模量，滲透系數，摻礫比例關系如圖2。

圖2 心墻摻礫料壓縮模量、滲透系數與摻礫比例關系Fig.2 Relationship between compression modulus and permeability coefficient of core material mixing gravel and the proportion of gravel

由圖2可見，壓力等級為0.2 MPa下的壓縮模量摻礫前為7.70 MPa，摻礫35%后為29.67 MPa，是原來的4倍；壓力等級為1.6 MPa下的壓縮模量摻礫前為25.98 MPa，摻礫35%后為86.67 MPa，是原來的3倍；壓力等級為3.2 MPa下的壓縮模量摻礫前為46.2 MPa，摻礫35%后為92.5 MPa，是原來的2倍多；而摻礫比例由35%增加至55%時，壓縮模量增長緩慢，數值由92.5 MPa增至95.6 MPa。屬于低壓縮性土，完全滿足設計關于“心墻料有較低的壓縮性，且與壩殼料的壓縮性相差不宜過大”的要求。

摻礫量為35%～45%時，心墻摻礫料滲透系數比不摻前還小，但摻礫達55%后，其滲透系數明顯增大，是未摻土料的1.7倍。從滲透系數量值而言，并非摻礫越多越好。這主要與礫石土的級配特性有關，摻礫35%～45%的心墻摻礫料大于5 mm的含量為32.9%～33.7%，粗細顆粒能夠產生一定的填充，但礫石形成

的骨架作用并不明顯，總體上仍顯示為礫石包裹在土中。因此，在混合料中，當礫石含量在一定范圍內時，混合料的滲透系數隨著礫石最大粒徑的改變變化不是很大，而隨著礫石總體含量的增加，土石混合料中由于礫石增多而逐漸起骨架作用，混合料中粗顆粒的作用越來越明顯，改變礫石的級配特性對混合料的性質影響較大。這也是級配縮尺效應對于堆石混合料的性質影響較大的主要原因[8]。實際工程中所摻礫石的作用可能會更大一些。從變形和強度方面看，摻礫量在35%～55%范圍內變動時，均能滿足設計規范對心墻料宏觀上的要求。對于摻礫量的比例，設計規范不宜超過50%。

表5是擊實、三軸試驗抗剪強度指標力學性能參數。結果表明，不同狀態下摻礫量為45%的土的擊實試驗指標、三軸試驗抗剪強度參數均優于摻礫量為35%和40%的土。

表5 各組合摻合料力學試驗結果

Table 5 Experimental results on the mechanical test of the soil materials mixing gravel

綜合上述各種不同摻礫量下的力學試驗指標并結合本項目的其它試驗指標，如最大干密度、最優含水率、抗剪強度參數等，摻礫量為45%時均優于摻礫量為35%。同時考慮現有規范規定[7]及同類工程研究結果[1,6]，建議最終摻礫比例45%。

4 結 論

1)雅拉土料場土料壓縮性雖屬中等。但用它作為高土石壩心墻填筑材料，和壩殼堆石相比沉降量差異懸殊，不利于防止心墻內產生水平裂縫及由于心墻和堆石壩殼之間的不均勻而發生壩體橫向垂直裂縫。為改善土料施工條件和減少壓縮量，在滿足防滲的前提下，土料中摻入適量砂礫石是必要的。砂礫石和黏土應有合適的配合比例，一般摻礫量以20%～50%為宜。

2)最大粒徑為20 mm的摻礫混合料擊實試驗結果顯示，隨著摻礫量由35%增加至55%以及擊實功率由1 470提高至2 687.9 kJ/m3，試驗的最大干密度由2.05提高到2.18 g/cm3，最優含水率9.1%減小到7.1%。固結試驗結果顯示，在垂直應力3 200 kPa壓力下，平均壓縮模量ES由92.54提高到95.64 MPa。滲透特性試驗結果顯示，隨著摻礫量由35%增加至55%，滲透系數由1.76×10-7提高到7.53×10-7cm/s。試驗結果總體顯示摻礫土料具有抗剪強度較高，低壓縮性，透水性小的特點，能夠滿足心墻壩防滲土料的質量要求。

3)試驗結果總體上表明，摻礫量在35%～55%范圍內變動時，均能滿足設計規范對心墻料宏觀上的要求。對于摻礫量的比例，設計規范建議不宜超過50%，結合雙江口摻礫比例為50%，糯扎渡摻粒比例為35%，綜合考慮，建議依托工程摻礫比例不宜超過50%，最終摻礫比例為45%。

4)考慮到現場實際心墻摻礫料的最大粒徑要大于試驗用料的最大粒徑，試驗級配采用相似級配和等量替代混合法進行，存在一定的縮尺影響；加之粗粒料屬非均質料，影響因素甚多，試驗結果和現場實際情況會存在一定的差異，大壩填筑過程中應加強安全監測。

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Study of Penetration Test and Compression Test on Core Material of Different Gravel Amounts

SUN Liping，QI Junxiu

(Power China Beijing Engineering Corporation Limited, Beijing 100024,P.R.China)

The experience of similar projects in China were consulted and many tests conducted on the different mixed gravel. In addition, research on the permeability and compression performance of the key proportion of soil materials were carried out simultaneously. Test results show that: When the proportion of gravel in the range of 35%～55%, compression performance index are improved greatly with the antiseeping criterion up to the design requirements.When the compressive stress is 3.2 MPa, the compression modulus increased from 46.2 MPa to 92.5～95.6 MPa, which is 2 times more than that of the original. Thus, the suggested proportion of the gravel in this project be no more than 50% and the final proportion applied is 45%.

water conservancy and hydropower engineering;core rockfill dam; impervious soil; mixing gravel test

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.20

2015-07-02；

2015-10-20

孫莉萍(1968—)，女，北京人，高級工程師，主要從事巖土力學試驗方面的研究。E-mail:wj1998915@sohu.com。

TV641;X502

A

1674-0696(2016)05-097-06