四川“红层”地区筑坝材料和填筑标准研究

高希章，孙 陶

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

四川“红层”地区筑坝材料和填筑标准研究

高希章，孙 陶

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

四川“红层”地区砂、泥岩及其混合料，岩性软弱、碾压破碎率大，上坝料级配对压实干密度影响小，渗透系数、抗剪强度和变形特点复杂多变，直接影响坝型选择，也给设计控制标准、质量控制和评价带来困难。结合四川“红层”地区筑坝料的特点，提出土石坝坝型及分区设计的基本思路；分析填筑碾压检测数据和现行规范填筑标准要求，提出考虑筑坝料级配，粗颗粒按岩石块体密度，细颗粒按颗粒密度，考虑碾压后各自所占比例换算孔隙率或干密度，便于确定设计、施工和评价标准。

四川“红层”地区 混合料 坝料性质 填筑标准

1 概述

当地材料坝包括均质土坝、土质心墙坝、沥青混凝土心墙坝、面板堆石坝等，这类坝型主要由筑坝材料性质决定，除均质土坝外，其余属于分区坝。分区坝涉及到坝体分区设计的关键技术问题，就是充分发挥坝址区及附近各种材料的优势。

对于均质土坝，坝料渗透系数宜控制在(1～10)×10-5cm/s，渗透系数过大不能满足防渗要求，过小则不利于坝体排水固结，而且浸润线较高、不利于坝体稳定。过去修建的很多均质土坝出现病害，根本原因就是填筑标准低，采用了不宜作为均质土坝的坝料，运行几十年都没有有效固结。

分区坝设计的基本原则是堵排结合，堵即防渗，排即排水，通过坝料分区来实现各个区的不同功能。分区坝中坝壳或堆石主要功能是维持坝体稳定和排水；防渗心墙或面板功能主要是防渗；反滤层功能主要是滤土(即在渗流发生时，土不能通过反滤层流失、而水可以排出)和协调变形；过渡层的作用是排水和协调变形。另外，在坝壳或堆石不能满足强透水性时设置排水带用于排水。

2 四川“红层”地区筑坝料

“红层”是红色陆相沉积为主的碎屑沉积岩层,岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主。四川盆地素有“红色盆地”之称，由紫红～褐红色砂、泥岩不等厚互层组成，中间常夹有泥质粉砂岩等过渡性岩层。砂岩的矿物成分主要由石英、长石和少量云母组成，泥岩矿物成分主要为水云母粘土矿物，其次为石英、碳酸盐等。红层力学强度受成岩时代、胶结物等影响明显，白垩系砂岩以泥、钙质，泥、铁质胶结为主，钙质胶结的较少，有些地区的砂岩胶结程度差或半胶结，因而岩性松散，力学指标较低。侏罗系岩层，一般以钙、硅质胶结为主，岩性坚硬，力学性能较高。四川“红层”地区泥岩和砂岩无论是物理性质还是力学性质变化范围较大，可参见四川院统计资料(表1)。

表1 四川“红层”地区砂、泥岩性质

四川“红层”地区砂、泥岩料按岩石性质可分为泥岩料、砂质泥岩/泥质砂岩料、砂岩料，以及因无法分层开采而混合后形成的砂泥岩混合料，按透水性质和使用可分为防渗类、坝壳或堆石类(表2)。

表2 四川“红层”地区砂、泥岩筑坝料分类

3 四川“红层”地区原岩与筑坝料性质

原岩性质对压实破碎、最大干密度等影响较大。根据水利水电工程地质勘察规范，以石料的饱和单轴抗压强度小于30MPa作为软岩的界限，国内外混凝土面板堆石坝的抗压强度，也常以30MPa为界限。表3为已建和在建三个工程坝料岩性统计，分别为坚硬岩、中硬岩——较软岩、软岩。表3中表明，胶结物成分及其含量对岩石物理力学性质影响大：砂岩与灰岩比较，胶结物含量相同时，胶结物以泥质为主的岩石强度远低于以方解石为主的岩石；砂岩与砂岩比较，以泥质胶结为主的砂岩，胶结物含量越大，岩石块体干密度越小、强度越低。

表3 已建或在建三工程部分岩石性质统计

“红层”地区砂、泥岩属沉积岩，相变较大，层理发育，岩性变化大。其中，小井沟蚱蜢寺砂岩施力方向垂直于层面与平行于层面的抗压强度相差约10%～20%，施工时检测饱和抗压强度总体低于30MPa。

根据图1和图2，不同小于5mm含量的表面振动器法[2]相对密度试验证明：

(1)坚硬岩堆石料最大干密度随振动压实前小于5mm含量的增加而增大,紫坪铺灰岩最大干密度最大最小差值为0.22g/cm3。中硬岩-较软岩、软岩堆石料最大干密度随振动压实前小于5mm含量的增加基本没有变化，小井沟和金峰水库砂岩最大干密度最大最小差值为0.01g/cm3；

(2)无论是坚硬岩还是中硬岩-较软岩、软岩堆石料，振动压实后小于5mm含量增量，随振动压实前小于5mm含量的增加而减小，但压实前小于5mm含量相同时，岩石强度越低增量越大；

(3)压实后小于5mm含量趋近于最佳粗细充填关系。

图1 最大干密度与压实前小于5mm含量关系

图2 小于5mm含量增量与压实前含量关系

四川“红层”地区砂、泥岩及其混合料渗透系数变化范围大，压实后级配对渗透性质有较大影响，但更主要由砂岩、泥岩性质及其混合比例决定；防渗类坝料抗剪强度与变形特性均差于坝壳或堆石类的相应性质。

4 四川“红层”地区土石坝设计面临的问题和坝型选择

四川“红层”地区筑坝材料的复杂性，“堵排”是坝体设计的主要问题，直接决定坝型。

4.1 土石坝设计面临的问题

4.1.1 防渗料。随着筑坝技术的发展和对环保要求的日益提高，当地天然防渗料的缺陷也暴露出来：(1)砂、泥岩石渣作为防渗料的渗透系数受砂岩含量、泥岩风化程度、级配中小于5mm含量、含水率控制等因素影响较大；一般难以开采获得风化纯泥岩，砂岩和泥岩混合比例随意性较大，施工现场无法达到试验室内的控制精度，施工不易控制，极易出现砂岩含量超标甚至砂岩集中而不满足防渗料渗透系数要求的现象；(2)天然粘土分布零散，含水率较高，对耕地破坏较大，物理力学性质差异大，施工不易控制。从经济和施工控制方面考虑，天然粘土作为防渗料没有明显优越性。

4.1.2 反滤料和堆石料。四川“红层”地区水库坝址区砂岩岩性软弱，碾压后破碎使小于5mm颗粒含量增加，小于0.075mm的颗粒含量易超过5%，渗透性质基本上为弱透水到中等透水，不能满足反滤料和堆石料对级配和透水性的技术要求，且软岩作为反滤料和排水料，难以满足耐久性要求。水库坝址区缺乏天然砂砾石和坚硬岩石，一般需要到距离坝址区数十公里甚至上百公里寻找料源，开采运输成本高，而且往往天然砂砾石料缺少0.075mm～10.0mm的关键粒径，需要筛分后二次加工才能满足反滤、过渡料级配要求。

4.2 坝型选择

四川“红层”地区土石坝选择根本在于防渗方式。

4.2.1 粘土具有良好的物理力学性质，开采条件较好、施工易于控制含水量时，是良好的防渗材料，可以修建粘土心墙坝。

4.2.2 泥岩集中或夹砂岩微少，施工容易控制，且泥岩易于风化崩解，泥岩料满足防渗料的技术要求时，修建泥岩心墙坝为较佳选择。在《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》修订时，我们根据已建工程统计资料，建议泥岩防渗料压实后小于5mm含量在40%甚至50%以上，粘粒(<0.005mm)含量大于8%为宜，因此泥岩防渗料的选用要求较高。

4.2.3 沥青混凝心墙技术发展较快，防渗性能够保证，正好弥补了没有较好施工条件的粘土或泥岩料作防渗料而使防渗性不易控制的缺陷。但值得注意的是，沥青混凝土心墙对原材料、配合比、温度控制、摊铺、碾压等施工工艺要求较高。

4.2.4 紫坪铺、白岩滩水库等面板堆石坝的建成，说明四川“红层”地区边缘地带，具备工程地质和料场岩性坚硬等条件，堆石料能满足面板坝控制变形及排水要求。四川“红层”地区腹地，一方面坝料岩性较软，重型振动机具碾压，使软岩堆石更靠近硬岩堆石的性能。通过颗粒破碎、细化形成充填紧密，具有较高抗剪强度、较低压缩性的堆石体；另一方面，高紧密度对应渗透系数变低，不能满足自由排水性要求，因此必须在坝体中设计专门的竖向和水平排水体系，同时采取较长的坝体预沉降期，待沉降收敛后一次性浇筑面板，如小井沟水库。

5 坝壳或堆石填筑标准

5.1 填筑标准探讨

对于填筑标准，在已有成果[1]的基础上进一步研究。土石坝设计规范规定，堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标，土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料孔隙率宜为20%～28%，沥青混凝土面板堆石坝的孔隙率，宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分区坝的孔隙率之间选择。根据混凝土面板堆石坝设计规范，坝料填筑标准在表4范围内根据经验初步确定，应同时规定孔隙率(或相对密度)、坝料级配范围和碾压参数。

表4 规范对坝料填筑标准要求

(1)

式中，n为孔隙率(%)，ρp和ρ0分别为岩石颗粒密度和块体密度(单位为g/cm3)，ρd为填筑或设计干密度(单位为g/cm3)。

表5 换算干密度和孔隙率

按式(1)，表5为设计规范填筑标准换算干密度，以及根据填筑或设计干密度换算孔隙率。几个方面值得探讨：(1)孔隙率取值范围大，换算干密度最大与最小值相差0.08g/cm3～0.14g/cm3，实际应用时不易掌握；(2)孔隙率取值范围换算干密度时，颗粒密度和块体密度相差不大的坚硬岩是可行的，但颗粒密度和块体密度相差较大的中硬岩-较软岩和软岩，岩石密度按颗粒密度换算干密度偏大，用块体密度换算则偏小；(3)SL228-2013只是针对硬岩，DL/T5016-2011同时规定了硬质岩和软质岩孔隙率取值范围，仍然存在(2)中的现象，室内和碾压试验确定的填筑或设计干密度，以及岩石块体密度换算孔隙率，岩石强度越低越偏离规范要求。

5.2 孔隙率与干密度换算

填筑标准的确定、施工质量检测与评价都涉及到孔隙率与干密度换算，究竟采取哪种方式才能反映实际情况呢？

出现孔隙率与干密度换算偏差根本原因是：

(1)坝壳或堆石料是粗细颗粒混合体，填筑体孔隙由岩块自身孔隙和颗粒间孔隙两部分组成，实际工程中对于填筑体是否密实决定于颗粒间孔隙；

(2)坚硬岩往往岩块自身孔隙率较小，与颗粒间孔隙比较几乎可以忽略，因而坚硬岩采用颗粒密度和块体密度换算孔隙率或干密度相差不大；

(3)中硬岩-较软岩和软岩自身孔隙率较大，甚至大于颗粒间孔隙，采用颗粒密度换算可将岩石自身孔隙当成颗粒间孔隙，采用块体密度换算则把部分颗粒间孔隙当成岩石自身孔隙。

反映实际情况的孔隙率与干密度换算方法是：根据填筑体级配情况，粗颗粒按块体密度，细颗粒按颗粒密度，考虑各自所占比例进行换算。岩石换算密度和孔隙率由下面公式计算：

(2)

(3)

由表6可知，采用式(2)确定的岩石换算密度，同时考虑岩块自身孔隙、颗粒间孔隙的实际情况，避免了前面叙述的干密度与实际不相符。对于孔隙率选取：坚硬岩颗粒密度和块体密度差异不大，孔隙率按规范即可控制；中硬岩-较软岩和软岩，颗粒密度和块体密度差异大，压实后由于破碎使小于5mm含量达到30%～55%，与垫层料小于5mm含量要求基本相同。因此，建议压实破碎后小于5mm含量达到30%以上的软岩料，孔隙率取值范围为15%～20%，岩石密度按式(2)确定。

表6 式(2)、(3)换算干密度(孔隙率)与实测值

6 结语

6.1 四川“红层”地区砂、泥岩及其混合料原岩抗压强度低，振动碾压破碎率大，压实干密度受上坝料级配影响不大，但渗透系数变化范围大；受砂、泥岩岩性及其混合比例影响，采用现代筑坝技术，软岩料压实后具有较高的抗剪强度、较低的压缩性能。因此，坝型选择和分区设计主要是解决防渗方式和排水系统，砂、泥岩及其混合料合理分区利用。

6.2 四川“红层”地区砂、泥岩及其混合料属于软岩料，既非真正的粘土料，也有别于通常的堆石料(四川习惯称其为石渣料)；设计和施工控制时，填筑标准无论是采用孔隙率还是压实度都存在一定的问题，采用压实度依据不足；如果采用孔隙率，现行规范未明确岩石密度是颗粒密度还是块体密度，对于坚硬岩颗粒密度与块体密度差异微小，但软岩则差异很大，导致干密度与孔隙率间换算值完全不能反映实际情况。目前现实做法是施工参数控制，压实干密度评价，但往往单一干密度无法控制，需要多个干密度，给设计控制标准、质量控制和评价带来困难。

6.3 中硬岩-较软岩和软岩料干密度与孔隙率间换算时，结合碾压后P5范围，使用本文提出的粗颗粒按岩石块体密度，细颗粒按颗粒密度，考虑各自所占比例进行换算，设计控制标准、质量控制和评价直接采用规范孔隙率，同时控制施工参数。

6.4 压实后由于破碎使小于5mm含量达到30%～55%，与垫层料小于5mm含量要求基本相同，通过实际工程碾压干密度换算孔隙率也与规范对垫层料要求基本一致。因此，中硬岩-较软岩和软岩料压实破碎后小于5mm含量达到30%以上时，其填筑标准宜参考规范对垫层料孔隙率要求按15%～20%选取。

〔1〕孙 陶，高希章.土石坝无粘性粗粒土填筑标准和质量评价探讨[J].四川水力发电，2006.25，(4)：18～21，26.

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